高速鋼刀具失效分析

高速鋼刀具失效分析

切割刀在汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、能源工業(yè)和軍事工業(yè)的建設(shè)中發(fā)揮著非常重要的作用。高速鋼刀具在強(qiáng)度、韌性及工藝性等方面具有優(yōu)良的綜合性能,在復(fù)雜刀具,尤其是制造孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具、拉刀、切齒刀具等一些刃形復(fù)雜刀具,高速鋼仍占據(jù)主要地位。2010年我國(guó)高速鋼刀具總產(chǎn)量11.4億件,占刀具總產(chǎn)量的79%,高速鋼刀具總產(chǎn)值626.58億元,占刀具總產(chǎn)值的68.6%。由于高速鋼刀具大多數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)刀具,生產(chǎn)批量大,如果質(zhì)量不穩(wěn)定,將造成大量產(chǎn)品報(bào)廢。因此,失效件的分析將對(duì)控制產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及預(yù)防大批量產(chǎn)品失效起到重要作用。1中小企業(yè)對(duì)過程質(zhì)量控制認(rèn)識(shí)不足高速鋼刀具一般的制造工藝為:原材料熱軋退火→機(jī)加工→淬火+回火→刃磨開口→表面處理等。高速鋼刀具的失效形式主要表現(xiàn)為切削過程中的崩刃、后刀面磨損、刃口塑性變形、前刀面磨損等失效形式及熱處理后的變形嚴(yán)重、產(chǎn)生裂紋或開裂、表面硬度低等失效形式。由于刀具失效形式多種多樣,其失效原因也比較復(fù)雜,除了對(duì)刀具的選擇和使用不當(dāng)外,主要還有刀具本身的質(zhì)量問題。一般來說影響刀具質(zhì)量的因素主要有四個(gè)方面:一是原材料質(zhì)量;二是熱處理質(zhì)量;三是刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工精度;四是表面處理質(zhì)量。其中原材料質(zhì)量及熱處理技術(shù)是失效的主要原因,占失效總量的80%以上。國(guó)內(nèi)的一些刀具制造中小企業(yè),刀具的檢測(cè)技術(shù)水平較低,無法實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具制造過程的質(zhì)量監(jiān)控,導(dǎo)致刀具的失效。據(jù)調(diào)查,很多企業(yè)對(duì)過程質(zhì)量控制認(rèn)識(shí)不足,對(duì)生產(chǎn)過程中的檢驗(yàn)認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)。表1為很多中小型刀具制造企業(yè)對(duì)質(zhì)量檢驗(yàn)的認(rèn)識(shí)及應(yīng)該重點(diǎn)檢驗(yàn)的項(xiàng)目。可看出,可很多中小型企業(yè)的檢驗(yàn)項(xiàng)目只重視硬度和外形尺寸,而忽略了金相等項(xiàng)目的檢驗(yàn)。2熱反應(yīng)及檢測(cè)困難筆者長(zhǎng)期從事刀具的金相檢驗(yàn)與失效分析工作。在工作中發(fā)現(xiàn)很多企業(yè)往往是發(fā)現(xiàn)刀具的硬度不足、產(chǎn)生裂紋或斷裂等明顯的質(zhì)量問題后才進(jìn)行事后分析,很少主動(dòng)進(jìn)行質(zhì)量過程控制及檢測(cè)。由于對(duì)原材料及熱加工過程缺乏檢驗(yàn),缺少很多重要的材料信息,增加了失效分析的難度,而且由于高溫鹽浴爐的控溫穩(wěn)定性較差及操作不規(guī)范,即使找出失效原因,也很難進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)對(duì)100多個(gè)失效樣品的分析可見,在檢測(cè)水平相對(duì)低下的刀具制造企業(yè),原材料及熱加工失效占了失效總數(shù)的85%以上。對(duì)一些典型失效分析的案例如下。2.1試驗(yàn)鋼的成分分析某企業(yè)委托對(duì)幾種規(guī)格的中心鉆進(jìn)行材料檢驗(yàn),懷疑混料。檢測(cè)結(jié)果,見表2。根據(jù)GB/T9943-2008高速工具鋼中鋼號(hào)成分要求,1#和2#沒有對(duì)應(yīng)的鋼號(hào),3#為W6Mo5Cr4V2。1#和2#通常被稱為4241的鋼號(hào)。這種鋼由于其合金元素比較低,價(jià)格便宜(僅相當(dāng)于W6Mo5Cr4V2鋼價(jià)格的1/2-2/3);合金碳化物含量較少,其耐磨性和紅硬性較低,主要用于制造低速鉆頭,同時(shí)也有一些不法企業(yè)用來制作假冒產(chǎn)品。由于缺乏國(guó)標(biāo)要求,每家企業(yè)冶煉出來的4241成分差別也比較大。比如某廠家規(guī)定為表3所示的成分,如果按照該廠家的規(guī)定,C偏高,Si偏低,其他成分合格。對(duì)1#和2#進(jìn)行金相分析,金相組織如圖1所示。根據(jù)金相分析知,沿軋制方向帶狀組織明顯,成分分布不均,馬氏體針粗大,組織已經(jīng)過熱。橫截面方向金相組織分布也不均勻,馬氏體針粗大,殘余奧氏體較多。主要原因是與W6Mo5Cr4V2混料后,淬火溫度過高導(dǎo)致過熱。2.2金相檢驗(yàn)ls檢驗(yàn)截面為40mm×40mm的W4Mo3Cr4VSi材質(zhì)的高速鋼車刀發(fā)黑處理后發(fā)現(xiàn)表面有細(xì)微裂紋。懷疑為磨削裂紋,委托進(jìn)行了金相檢驗(yàn)。金相組織如圖2所示。圖2(a)為基體的金相組織,可看出,有網(wǎng)狀的白色滲碳體組織,還存在魚骨狀的共晶萊氏體組織,為嚴(yán)重的過燒組織。該組織脆性非常大,為不合格組織。圖2(b)為表層裂紋處的金相組織?？煽闯?表面裂紋處存在脫碳現(xiàn)象。表層的脫碳組織使得在淬火冷卻時(shí)表面先形成馬氏體組織,里層后形成馬氏體組織,表層產(chǎn)生了大殘余拉應(yīng)力,導(dǎo)致表層裂紋產(chǎn)生。2.3金相組織分析某企業(yè)生產(chǎn)的成型銑刀,材料為高速鋼W6Mo5-Cr4V2,淬火+三次回火后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)硬度偏低,退火后重新進(jìn)行淬火+三次回火,表面發(fā)現(xiàn)有裂紋。然后進(jìn)行了金相檢驗(yàn)。金相組織如圖3所示。圖3(a)為深腐蝕后的金相組織。從圖3(a)可看出網(wǎng)狀碳化物的分布。根據(jù)《GB/T14979-1994鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》評(píng)定,網(wǎng)狀碳化物不均勻度為7級(jí),根據(jù)《GB/T9943-2008高速工具鋼》規(guī)定共晶碳化物不均勻度應(yīng)不大于3級(jí)。因此為不合格組織。圖3(b)為裂紋處的高倍金相組織?？煽闯龃嬖诖罅康陌咨W(wǎng)狀碳化物,粗大的馬氏體針,組織已嚴(yán)重過熱。由于碳化物分布非常不均勻,奧氏體組織中成分分布非常不均勻,導(dǎo)致正常淬火溫度和時(shí)間時(shí)馬氏體組織不均勻,有些區(qū)域過熱,而有些區(qū)域欠熱,容易產(chǎn)生裂紋和硬度不均。2.4鉆頭理化指標(biāo)某企業(yè)采用相同的工藝生產(chǎn)的ф3.3mm和ф3.4mm兩種規(guī)格的軋直柄制麻花鉆。鉆削試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)ф3.4mm鉆頭易崩刃,ф3.3mm鉆頭符合要求。成分檢驗(yàn)合格,但含量偏下線。心部金相組織回火充分。碳化物分布也都比較均勻。刃口金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)可看出ф3.4mm鉆頭的刃口處有脫碳現(xiàn)象,脫碳層約為25μm。而圖4(b)可看出,ф3.3mm鉆頭的刃口處無脫碳現(xiàn)象。脫碳后表面形成了過熱的粗針馬氏體,碳化物顆粒減少,硬度偏低。此案例中脫碳的原因主要是熱處理時(shí)鹽浴爐脫氧不完全造成的。3質(zhì)量過程控制從以上幾個(gè)典型的失效分析案例可以看出,刀具失效主要是原材料成分和金相不合格及熱處理工藝不當(dāng)造成的過熱、過燒、脫碳等缺陷組織引起的。因此,應(yīng)該做好從原材料檢驗(yàn)到熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)等過程質(zhì)量控制。在質(zhì)量過程控制中,首先應(yīng)確定刀具制造過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)影響失效的主要因素,確定出需要的檢驗(yàn)項(xiàng)目及指標(biāo),采取合理的檢測(cè)方法和測(cè)試流程,建立嚴(yán)格的檢驗(yàn)制度規(guī)程。然后,通過檢驗(yàn)結(jié)果反饋優(yōu)化相應(yīng)的熱處理等加工工藝參數(shù),制定出合理的刀具熱處理等加工工藝參數(shù),最終實(shí)現(xiàn)刀具質(zhì)量控制的目的。材料因素相關(guān)檢驗(yàn)項(xiàng)目、測(cè)試技術(shù)方法和檢驗(yàn)?zāi)康牧性诒??？煽闯?表4中具體檢測(cè)過程的實(shí)施,可很好控制鉆頭產(chǎn)品質(zhì)量,起到積極地預(yù)防失效的目的。同時(shí),這些檢測(cè)項(xiàng)目也為失效件的分析提供了很好思路。4降低刀具失效的對(duì)策(1)高速鋼刀具失效的形式多種多樣。失效的原因有刀具設(shè)計(jì)不合理、刀具選用和使用不當(dāng)、原材料質(zhì)量不合格、熱處理等加工工藝不合理。對(duì)于中小企業(yè)來說,原材料質(zhì)量問題和熱處理問題是刀具失效的重要