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马氏体不锈钢切刀失效分析
吴 伟 郭根唐
(河南洛阳069信箱技术处 洛阳471003)
摘 要 对某切刀短时工作后出现的裂纹失效进行了分析。着重讨论了在磨削加工中形变应力、热应力和组织应力对切刀成形后的影响，揭示了切刀在磨削加工后产生应力集中从而导致失效，提出了预防措施。
主题词 切刀 磨削加工 形变应力 热应力 组织应力
1 概况
某产品上所用切刀材料为9Cr18MoV不锈钢。该刀在使用前经无损探伤(着色渗透)未发现裂纹，但在水介质中短时使用后，出现多条横向裂纹。图1为失效切刀的实物照。
图1 失效切刀实物照
图2 带状碳化物偏析 100×
2 检验与结果
2.1 化学成分分析
在失效切刀上取样进行化学成分分析，结果列于下表。由表数据可见，材料的化学成分符合GB1220-1992要求。
2.2 金相检验
沿切刀纵向取金相试样，光学显微镜下观察，其组织中存在着较严重的带状碳化物偏析(见图2)，且部分碳化物呈大块状(见图3)。另外，可观察到垂直于加工方向分布的横向裂纹，深约1mm，见图4。
2.3 电镜分析
图3 分布于基体组织上的块状碳化物 400×
图4 垂直于表面加工方向的横向裂纹 100×
在切刀刃部取纵向断口试样，扫描电镜下观察，其低倍形貌见图5，样品表面呈木纹状断口形貌；其高倍微观形貌特征是以微孔聚集方式进行的穿晶断裂型断口，见图6。由此可知，此材料中存在较严重的氧化物夹杂。
观察切刀加工表面，发现磨削犁沟深浅极不均匀(见图7)，且有垂直于加工方向上的横向裂纹，见图8。这表明，碳化物不均匀性影响了切刀在磨削加工时的表面质量。
图5 纵向断口低倍形貌 SEM
图6 纵向断口微观形貌 SEM
图7 切刀表面磨削犁沟 SEM
图8 切刀表面横向裂纹 SEM
3 分析与讨论
切刀材质为9Cr18MoV，是高碳马氏体型不锈钢。该钢经淬火回火后具有高的硬度及良好的耐磨性和耐蚀性。由于该钢含碳量(0.85%～0.95%)及含铬量(17.00%～19.00%)都很高，容易形成不均匀的碳化物，所以在铸锭时，必须采取细化组织及减少偏析的措施，锻压变形应有足够的锻压比以破碎粗大的碳化物，与此同时，还应当采取适当的热处理制度，方能获得细小而又均匀分布的碳化物。
从金相照片上可见，该切刀存在较严重的带状组织，并沿纵向分布。当切刀工作时，齿刃部受到切向应力，而在齿根部受到的径向拉应力最大，因此切刀应该易在齿根出现纵向裂纹。但事实表明，无论从宏观还是微观观察，该切刀出现的都是横向裂纹而无纵向裂纹。而这些横向裂纹的形成是与加工切刀过程中的磨削加工有着直接的关系。
磨削过程引起磨削表面质量状态的变化，主要是受砂轮与工件摩擦以及磨粒切削刃磨削工件表面所消耗的磨削功转变为磨削集热，这种集热促使磨削表面层显微组织转变。在切削形变应力、热应力、组织应力的综合作用下，当应力大于工件材料的强度极限时，导致工件表面破裂。
3.1 形变应力
磨削加工本质上来说是一种切削加工。在磨削过程中，刀刃前面的金属受到挤压和撕裂，刀刃后面的金属与切刀的剧烈摩擦，使晶粒受拉和滑移，因而引起金属的弹性和塑性变形。当切削作用停止后，金属表面层在弹性应力的作用下，力求恢复原来位置，则出现平行于磨削轨迹的拉伸应力，在与磨削方向垂直的方向上残留压缩应力。
3.2 热应力
在磨削过程中，磨削表层的受热特点是瞬时的快速加热和快速冷却，被磨削区的“表面层”温度最高，冷却也最快，其次层是温度较低些的“受热层”，再次层是受热极少的冷却层。因此被磨削区域的金属表面的温度梯度较大。磨削热是以瞬时脉冲形式作用于表面，当表面受热时引起体积膨胀，沿表面流动和扩张，但受到四周和中心冷金属的阻力，所以磨削区的“表面层”受到压应力以致塑性变形，当急速冷却后，体积收缩，但由于膨胀时的塑性变形，导致产生残余拉应力，待“受热层”全部冷却时，增大了最表面膨胀层的拉应力。
3.3 组织应力
磨削中由于金属的塑性变形以及砂轮与切刀剧烈摩擦，产生大量的热，磨削所消耗的功几乎80%变成了热量。该热量使被磨金属表面的温度可达800°C左右，致使表层发生组织相变。当温度高达相变温度时，表层组织奥氏体化，在随后的快冷中，发生组织转变，其中一部分奥氏体转化为马氏体，另一部分奥氏体在室温下残存，即残余奥氏体。由于奥氏体的比容比马氏体小，致使表层组织产生较大的内应力。
在磨削过程中，残余形变应力和残余热应力将产生平行于磨削轨迹方向的拉伸应力和垂直于磨削加工方向上的压缩应力。因此，失效切刀正是处于在纵向产生残余拉伸应力，在横向产生残余压缩应力，以致于产生横向裂纹而未产生纵向裂纹。
4 结论
切刀出现裂纹的主要原因是由于未能及时消除磨削后产生的残余应力，使切刀在使用时产生了很大的应力集中，从而导致切刀失效。
5 建议
(1)由于切刀在磨削加工过程中易产生平行于磨削方向的残余应力，且砂轮的切削深度越深残余应力波及的亦越深，易导致垂直于磨削方向的裂纹。
因此建议在切刀最终精磨前进行一次去应力退火，且精磨的加工余量不要留得过大，磨削进给量要小。
(2)由于切刀材料选用9Cr18MoV，该钢的含碳量及含铬量都很高，容易形成不均匀的碳化物。原材料的质量也会影响切刀的磨削加工，不利于提高切刀质量。因此对使用材料的碳化物的等级应提出要求。
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