王春奕， 朱蒨2， 歐紅燕， 張全新

(1.重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084； 2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，重慶 401120)

0 前言

某公司生產(chǎn)的焊接帶柄高速鋼銑刀，通過結(jié)構(gòu)鋼與高速鋼對焊而成，銑刀刀體材質(zhì)為W6Mo5Cr4V2Al(M2Al鋼)，刀柄材質(zhì)為40Cr鋼，對焊銑刀在經(jīng)過最終熱處理后發(fā)生斷裂，斷裂部位位于離焊縫約5～10 mm處的刀體一側(cè)，發(fā)生斷裂的銑刀占有較大比例，給該公司造成了一定的經(jīng)濟損失。為防止產(chǎn)品再次出現(xiàn)此類問題，對斷裂銑刀進行了化學成分分析、硬度檢測、金相高低倍組織觀察，以查找銑刀斷裂的真正原因。

1 試驗設(shè)備

文中使用德國SPECTRO LAB直讀光譜儀及CS-206型紅外碳硫分析儀進行化了學成分分析，使用HR-150A型洛氏硬度計進行了試樣硬度檢測，使用日本OLYMPUS GX71型光學顯微鏡進行了金相組織觀察。

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

斷裂對焊銑刀及斷口形貌如圖1所示，對銑刀刀體和刀柄試樣分別進行了化學成分分析，結(jié)果見表1。

表1 對焊銑刀化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 斷裂對焊銑刀及斷口

2.2 硬度檢測

對銑刀刀體和刀柄試樣的不同部位進行了硬度檢測，結(jié)果見表2。

表2 對焊銑刀各部位硬度 HRC

2.3 金相檢驗

如圖2所示，將刀體母材和刀柄母材試樣分別經(jīng)預磨拋光并用4%硝酸酒精溶液侵蝕，放大100～500倍進行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)高速鋼銑刀金相組織為回火馬氏體+碳化物，如圖2a所示。按照國家標準GB/T 6394—2002評定淬回火晶粒度，其級別為9.5級。按GB/T 14979—1994評定共晶碳化物不均勻度，其級別為2.5級。按GB/T 10561—2005評定非金屬夾雜，其級別為B0.5，C0.5，D1.0。結(jié)構(gòu)鋼刀柄母材試樣金相組織為珠光體+鐵素體，但在逐漸靠近焊縫的結(jié)構(gòu)鋼刀柄試樣中發(fā)現(xiàn)魏氏組織，其含量隨著向焊縫距離的靠近逐漸增多。

用同樣的方法將焊縫試樣經(jīng)過預磨拋光并侵蝕后在金相顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫處兩側(cè)組織界限清晰可見，如圖2b所示。焊縫處刀柄一側(cè)的金相組織為魏氏體+索氏體，晶粒粗大，其平均晶粒度為3.5級，組織嚴重過熱，如圖2c所示。焊縫處刀體一側(cè)的金相組織為回火馬氏體+碳化物，接近焊縫處的碳化物流線由軸向分布逐漸趨于沿徑向分布，越靠近表面越趨于明顯，焊縫刀體一側(cè)的碳化物顆粒尺寸細小，晶粒較細，其晶粒度為10.5級，如圖2d所示。

圖2 斷裂對焊銑刀金相組織

3 分析討論

由于高速工具鋼硬度高，耐磨和耐熱性能好，其強度和韌性在現(xiàn)有刀具材料中是較高的，因此絕大部分高速鋼用于制造刀具[1]。由于高速鋼使用的原料價格較為昂貴，在高速鋼刀具的制造中，為了節(jié)約成本，對于某些帶柄的刀具如銑刀、鉆頭等，往往采用低廉的碳鋼或低合金鋼與高速鋼焊接，再經(jīng)過各工序的加工和熱處理而得到，高速鋼的熱處理通常采用鹽浴加熱[2]。上述斷裂的銑刀即為合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr與高速工具鋼M2Al采用對焊工藝制造的。

從對斷裂銑刀的化學成分分析結(jié)果得知，銑刀高速鋼刀體材質(zhì)符合國家標準GB/T 9943—2008中W6Mo5Cr4V2Al鋼(M2Al)的要求，刀柄材質(zhì)符合國家標準GB/T 3077—1999中40Cr鋼的要求。對焊接銑刀不同部位的硬度檢測結(jié)果得知，高速鋼母材硬度值達到68 HRC，這表明對焊銑刀進行了高溫淬火和回火熱處理，其淬回火硬度符合標準要求。同時，焊縫處刀體一側(cè)的硬度值也達到68 HRC，與遠離焊縫的高速鋼母材硬度一致，這表明焊縫處與高速鋼銑刀刀體均進行了高溫淬火和回火熱處理。從高倍金相觀察結(jié)果得知，高速鋼銑刀的非金屬夾雜物含量及金相組織未見異常，符合相關(guān)標準要求，但通過對焊銑刀焊縫處的金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫處刀柄一側(cè)有大量的魏氏體組織，晶粒嚴重粗化，呈現(xiàn)出明顯的嚴重過熱特征，而焊縫處刀體一側(cè)為回火馬氏體組織，這表明焊縫兩側(cè)都經(jīng)過了高溫加熱，即對焊銑刀在最終熱處理時，淬火加熱區(qū)達到或超過焊縫部位，這從我們對銑刀刀體與焊縫處高速鋼的相同硬度檢測結(jié)果也可以得到驗證。

眾所周知，焊接刀具的熱處理、淬火加熱部位的確定以及對焊工藝等都將影響刀具的質(zhì)量和使用壽命，焊縫位置的選擇事關(guān)重大，它是決定焊接件質(zhì)量的關(guān)鍵[3]。從對斷裂銑刀的各種檢測分析可以得知，導致該批對焊銑刀在焊縫附近斷裂應有幾方面的原因，首先，銑刀在鹽浴淬火加熱時，鹽面部位達到或超過焊縫，焊縫處結(jié)構(gòu)鋼嚴重過熱，出現(xiàn)大量晶粒粗大的低強度高脆性魏氏組織，而高速鋼全部淬火成馬氏體組織，這種超焊縫淬火，使焊縫處高硬度高應力的高速鋼熱影響區(qū)被重新淬火成馬氏體而產(chǎn)生更大的組織應力和熱應力[4]，而焊縫處結(jié)構(gòu)鋼部分硬度較低，經(jīng)過回火后，則高速鋼和結(jié)構(gòu)鋼的硬度差別更大，焊縫處組織結(jié)構(gòu)和硬度的突然降落，再加上熱應力的影響，使焊縫附近的應力分布更為復雜和不均，這種應力峰值一般出現(xiàn)在焊縫附近的刀體一側(cè)，同時，銑刀焊縫附近刀體一側(cè)的R角更進一步加重了這種應力集中[5]，當這種應力超過材料的強度極限時，就會在焊縫附近的刀體一側(cè)形成裂紋甚至開裂。因此，對焊銑刀的淬火加熱區(qū)域一般不宜超過焊縫，通常鹽浴面低于焊縫約10～15 mm，以避開焊縫附近的高速鋼熱影響區(qū)，金相組織從馬氏體過渡到屈氏體，使焊縫附近高速鋼組織和硬度分布相對均勻，梯度相對平緩，從而避免產(chǎn)生更大的應力而形成裂紋[6]。另一方面，銑刀焊接后的冷卻方式或熱處理對銑刀的最終斷裂也有重要影響。從焊接工藝本身來講，無論采用何種焊接方式，都會有焊縫，只要有焊縫就會有熱影響區(qū)[7]。從失效銑刀的宏觀形貌可以看出，斷裂部位位于焊縫附近的高速鋼熱影響區(qū)一側(cè)。在焊接時，焊縫兩側(cè)區(qū)域被加熱到很高的溫度，空冷到室溫后形成熱影響區(qū)，高速鋼屬于萊氏體鋼，淬透性高，焊后易產(chǎn)生馬氏體組織，如果焊縫在焊后冷速過快，刀體一側(cè)的熱影響區(qū)將發(fā)生馬氏體相變而出現(xiàn)淬火硬化，特別是小規(guī)格焊接件，焊完后還未來得及投入保溫爐焊縫高速鋼便已經(jīng)空冷淬硬了，而結(jié)構(gòu)鋼刀柄和未受熱影響的高速鋼部份則為索氏體組織，形成顯著的比容差和極大的組織應力，同時高速鋼的導熱系數(shù)低，其膨脹系數(shù)也與結(jié)構(gòu)鋼有較大差異，在焊接冷卻過程中，焊縫兩側(cè)收縮量不同，使焊縫處于更為復雜的高應力狀態(tài)，造成焊縫下高速鋼熱影響區(qū)的脆化[8]，為裂紋的萌生埋下很大隱患，在隨后的加工或高溫處理時焊縫刀體一側(cè)的熱影響區(qū)產(chǎn)生開裂。因此，焊完后的帶柄銑刀不宜直接空冷，應及時保溫緩冷或者直接退火，避免馬氏體轉(zhuǎn)變，改善焊縫組織，降低高速鋼熱影響區(qū)的硬度，以避免焊縫高速鋼熱影響區(qū)在后續(xù)的最終熱處理中的二次淬火而產(chǎn)生應力集中和裂紋。

4 結(jié)論

(1)高速鋼銑刀及刀柄材質(zhì)符合相關(guān)國家標準要求。

(2)對焊銑刀在最終熱處理時淬火加熱區(qū)域超過焊縫部位，使焊縫附近的高速鋼熱影響區(qū)產(chǎn)生很大的組織應力和熱應力是銑刀斷裂的主要原因。

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(3)對焊銑刀在焊接后未及時保溫緩冷或退火，導致焊縫高速鋼熱影響區(qū)脆化是銑刀斷裂的潛在誘因。