金属加工中材料缺陷的16个实例解析：如何选择高质量原材料

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编者按

材料是制造高寿命工具的基础。在实际生产过程中，常常会遇到各种各样形式的材料缺陷。现在将这些材料缺陷分享给大家，希望大家在选择原材料时能够重视。以下分 16 个实例来进行说明。

01

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[id_197[id_2137704952]796[id_1523514544]]GB/T9943—2008《高速工具钢》对钢材疏松有明确规定，GB/T1299—2014《工模具钢》也对钢材疏松有明确规定，然而常常有钢材疏松超标供货的情况。

疏松对钢材强度有很大影响，主要危害表现如下：

疏松会使钢材的强度明显降低。在锻造等热加工过程中，钢材容易开裂。在热处理时，钢材也极容易在疏松的地方形成裂纹。

材料存在疏松，这导致制成的工具很容易出现磨损以及表面不光滑的情况。因为疏松会对钢材的性能产生一定的影响，所以工具用钢对于允许的疏松级别有着严格的要求。图 1 展示的是 φ90mm W18Cr4V（即 W18）钢的原材料，图 2 呈现的是锻造疏松以及疏松致裂的形态，这是通过 1:1HCl 水溶液热浸蚀得到的。图 3 则是 W18Cr4V 钢制槽铣刀因疏松严重在热处理过程中致裂的图片，同样是通过 1:1HCl 水溶液热浸蚀呈现的。

图1 中心疏松

图2 中心疏松的钢材在锻打开坯时造成的裂纹

图3 槽铣刀材料因疏松在热处理时引起裂纹

02

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钢液在浇注钢锭时，在冷凝过程中会收缩于中心部分，从而形成管状的孔洞，这种孔洞被称为缩孔。缩孔通常位于钢锭头部的冒口附近，在开坯成材过程中需要将其切除。如果未能完全切除而有剩余部分，就称为缩孔残余。按理来说，是应该将缩孔完全切除的，但钢厂常常为了追求成材率而留下残余，这给后续工序带来了不可挽回的灾难。图 4 展示了φ70mm W18 钢的缩孔残余以及严重的疏松情况（通过 1:1HCl 水溶液热浸蚀呈现），图 5 则显示了φ70mm W18 钢缩孔残余经轧制后所形成的裂纹（同样是 1:1HCl 水溶液热浸蚀）。前些年某公司在锯切φ75mm M2 钢时，察觉到存在缩孔残余。

图 4

图5 W18钢缩孔致裂

03

表面裂纹

高速钢原材料的表面，纵向裂纹的发现是非常普遍的。其产生的原因大概包含以下 4 个方面：

钢材在热轧时，一方面可能是表面裂纹未被彻底清除，另一方面也可能是表面被模孔划伤。在冷却过程中，这两种情况都会造成应力集中，进而沿着划伤线引发开裂。

热轧时，若模孔不良或者进给量大，就会造成折叠。在后续的加工过程中，这种折叠会沿着折叠线产生开裂。

（3）热轧时由于停轧温度过低，或因冷却速度太快致裂。

某公司在冬季这个寒冷的时节轧制的 W18 钢，其规格为 13mm×4.5mm 的扁钢，经常能发现表面有裂纹。这表明裂纹存在气候效应。而在同一钢号、相同规格但其他时间轧制的扁钢则没有裂纹。图 6 展示的是φ30mm W18 钢的表面裂纹（通过 1:1HCl 水溶液热浸蚀），其深度达到了 6mm。

图6 表面裂纹

04

原材料中心裂纹

高速钢在热轧期间，因为变形量比较大，其中心温度不但没有下降，反而有所上升。在热应力的影响下，导致了材料中心出现开裂的情况。图 7 展示的是φ35mm W18 钢中心开裂的图片（通过 1:1HCl 水溶液热浸蚀得到）。某工具厂在对高速钢原材料进行锯切时，经常会遇到中心裂纹。这种裂纹非常危险，难以直接看见和触摸到，只有通过探伤才能让其真面目得以显现。

图7 中心裂纹

05

偏析

合金在凝固时会形成化学成分不均匀的现象，这种现象叫做偏析。尤其是在碳和钢中的杂质分布不均匀时，会对钢的性能产生很大的影响。偏析主要可分为以下几种：一是枝晶偏析；二是密度偏析，即合金中组成相的密度差异很大，在凝固过程中，密度大的会下沉，密度小的会上浮；三是区域偏析，是由铸锭或铸件中杂质的局部聚集所导致的。

图 8 展示的是 W18 钢淬火后的金相试样，该试样是用 4%HNO3 酒精溶液浸蚀的。在这个试样中，发现了十字形图样。通过化学成分分析得知，基体部分的含碳量较低，而十字形部位的含碳量较高。因此，可以认为十字形是一种化学成分不均匀的现象，是由于碳和合金成分的偏析而形成的方形偏析，经过轧制后才呈现出十字形状。如果存在严重的区域偏析，那么钢的强度会降低，并且在进行热加工时，容易在偏析的地方出现开裂现象。

图8 十字形偏析（3×）

06

碳化物不均匀度

高速钢中存在共晶碳化物，在热压力加工过程中，共晶碳化物被破碎的程度被称作碳化物不均匀度。如果变形量增大，那么碳化物的破碎程度就会提高，碳化物不均匀度的级别就会降低。当钢中的碳化物情况严重，像出现粗带状、网状、大块碳化物堆积等情况时，会对钢的质量产生较大的影响。因此，对碳化物不均匀度进行严格的控制，是确保高速钢刀具质量的必要条件。

图 9 展示了碳化物不均匀度对 W18 钢抗弯强度的影响。从图中可以看出，不均匀度在 7 至 8 级时，其抗弯强度仅仅是 1 至 2 级钢的 40%至 50%，降低到了 1200 至 1500MPa，仅仅相当于硬质合金中韧性较高牌号的水平。并且，横向性能大约是纵向性能的 85%。碳化物集中且带状分布，会导致淬火晶粒不均以及碳化物溶解不匀。其中，淬火晶粒不均会使过热倾向加剧，而碳化物溶解不匀会使二次硬化能力下降。

图9 碳化物不均度对高速钢（W18Cr4V）抗弯强度的影响

碳化物不均匀性较为严重，在热加工过程中容易引发开裂以及过热的情况，并且还会导致制成的工具在使用过程中出现崩刃的现象。图 10 展示的是 W18 钢粗带状碳化物淬火开裂的状况（经 4%HNO3 酒精溶液浸蚀）。

图10 粗带状碳化物

07

网状碳化物

钢材在热轧或退火时，若加热温度过高且保温时间过长，就会引起晶粒长大。并且在缓慢冷却过程中，碳化物会沿晶界析出，从而形成网状碳化物。

网状碳化物会使刀具的脆性大幅增加，容易出现崩刃的情况。一般情况下，钢材中是不允许有完整的网状碳化物存在的。对于网状碳化物的检查，应该在淬火以及回火之后进行。

图 11 展示的是 T12A 钢的网状碳化物（经 4%HNO3 酒精溶液浸蚀），图 12 呈现的是 9SiCr 钢的网状碳化物形态（同样是 4%HNO3 酒精溶液浸蚀），从这两幅图中可以看出在退火过程中出现了严重过热的情况。

图11 T12A钢网状碳化物（500×）

图12 9SiCr钢网状碳化物（500×）

08

碳化物硬块

一些工具厂在进行高速钢车削或铣削操作时，刀具会碰到坚硬物质从而受损。通常在车削过程中，因为切削速度快且噪声较大，这种缺陷不容易被察觉出来。然而在铣削时，就有可能观察到硬块捣乱的情况，比如麻花钻铣槽时，会发现铣刀工作到某一位置就无法继续加工，还会发出尖叫的声音，并且会使刀具严重烧损。人们对这种材料进行剖开检查，发现其中有肉眼能够看到的亮块。经过硬度试验后得知，这种亮块的硬度极高，达到了 1225HV 之高。而硬块区则处于正常的退火状态。我们将其称作“硬块”。因为硬块的存在，导致了刀具的损坏以及切削过程中出现困难。

硬块的产生，估计是在冶炼过程中因化学成分发生偏析而导致的。硬块本身可能是一种高硬度的复合碳化物，也有可能是在冶炼过程中加入了难熔合金块，但这些合金块未被熔化，从而被保存于钢中。

图 13 展示的是 W18 钢硬块低倍组织的照片，此照片是用 4%HNO3 酒精溶液浸蚀而成的。在图中，白色的部分是硬块，灰黑的部分是钻头槽部。

图13 W18钢硬块低倍组织（20×）

09

夹杂物

夹杂物在钢中较为常见，属于一种缺陷。从其性质方面来看，可分为金属夹杂物与非金属夹杂物。其中，金属夹杂物的形成原因是在冶炼过程中，铁合金未被充分熔化，或者在浇注过程中，流入的外来金属异物被保留在了钢锭中。

非金属夹杂物的形成存在两种情况：其一，是外来夹杂物，主要是浇注系统不干净，设备上的耐火泥会剥落，所使用的炉料不纯洁等；其二，是由于冶炼过程中的化学反应所产生和析出的产物。

图 14 展示的是在 W18 钢中所发现的金属夹杂物的照片。图 15 呈现的是在淬火过程中，非金属夹杂物引发开裂的照片，该照片是用 4%HNO3 酒精溶液浸蚀后得到的。

图14 金属夹杂物

图15 非金属夹杂物在淬火时引起的开裂（400×）

查明了，夹杂物对钢的质量危害极大。它会分割钢的基体，致使钢的塑性和强度降低。在轧制、锻造、热处理过程中，钢易在夹杂物处形成裂纹。夹杂物还会导致钢出现疲劳现象，并且造成切削及磨削困难。因此，工具钢对夹杂物应有一定的要求。

10

大块碳化物

钢材在冶炼过程中，因为成分偏析，所以碳化物分布不均匀。还有铁合金中含有碳化物，这些碳化物没有完全熔解，从而形成了大块棱角状的碳化物。这些大块棱角状碳化物经锻轧后，又没有被击碎，所以被保存了下来。

大块碳化物存在，会使工具脆性变大，容易出现崩刃情况。在热处理期间，因为大块碳化物以及合金元素的聚集，容易产生过热、回火不充分甚至沿晶界开裂等不良状况。

图 16 展示的是这样一张图片：大块碳化物周边的成分出现了偏析，这种成分偏析导致了淬火过热的情况（是通过 4%HNO3 酒精溶液浸蚀后呈现出的）。

图16 大块碳化物周围成分偏析淬火时造成过热（500×）

11

碳化物液析

液体金属在凝固时，因为碳和合金元素会发生偏析。冷却过程中，偏析会使大块碳化物在液体中析出。在后续的正常加工里，这些大块碳化物不易被消除，并且会以大块碳化物带状的形式，沿着钢的轧制方向存在于钢材中。这种因偏析而形成的现象称为液析。图 17 展示了 CrMn 液析的图片（用 4%HNO3 酒精溶液浸蚀）。

图17 碳化物液析（500×）

钢中有液析时脆性很大，金属连续的基体被分割开来，导致强度下降。过去在 CrWMn、CrMn 钢中常常会出现液析这种情况，如果使用它们来制造量具，那么很难获得光洁的表面。

12

石墨碳

退火温度过高，并且保温时间又很长，这就导致钢材在缓冷的过程中持续了很长时间。在这个过程中，碳化物容易分解成游离碳，也就是石墨。图 18 展示的是 T12A 钢的石墨碳组织（用 4%苦味酸酒精溶液进行浸蚀）。

图18 T12A钢石墨碳组织（500×）

石墨碳析出后，会使钢的强度降低，同时也会让钢的耐磨性大幅下降，所以这种材料不适合用来制造刀具以及重要零部件。

石墨碳含量严重的钢材，其断口呈现黑色。可以通过化学分析来对石墨含量进行定性及定量测定，并且能够用金相法观察石墨的形状及分布，在石墨周围会有较多的铁素体组织出现。

13

混料及成分不合格

工模具制造企业经常会出现混料的情况，这属于管理方面的失误，是一种较为低级的缺陷。混料主要包含三个方面，分别是混钢号、混规格以及混炉号。其中，混炉号的现象尤为普遍，给热处理带来了很多“冤假错案”，并且这些问题还没有地方可以进行申诉。

工具材料成分不合格的情况时有出现。有些高速钢的成分不符合 GB/T9943—2008《高速工具钢》标准。具体而言，特别是碳的含量，不是过高就是过低。像 W6Mo5Cr4V2Co5 属于 HSS-E 类，由于其 C 含量低于标准下限，经过热处理后硬度无法达到 67HRC，那又怎么能称之为高性能高速钢呢？属 HSS-E 类的话，钢厂有责任保证该钢的硬度能达到 67HRC 以上。刀具是否使用如此高的硬度，这是工具厂内部的事情，与钢厂没有关系。然而，如果达不到 67HRC，那就是钢厂的失误了。

模具钢成分不合格的情况也不少，纠纷不断。

14

原材料脱碳

国家制定了关于钢材脱碳层的标准。然而，钢材供应商时常会供应脱碳超标的材料。这就导致工具厂遭受了很大的经济损失。

材料具有脱碳层时，淬火后工具表面硬度会降低，耐磨性也会变差。因此，在机加工过程中必须将钢材的脱碳层全部切除，不然会带来一系列质量隐患。其中，图 19 展示的是 W18 钢原材料的脱碳形貌（通过 4%HNO3 酒精溶液浸蚀），其脱碳区为针状回火马氏体，非脱碳区则为淬火马氏体+碳化物+残留奥氏体。图 20 呈现的是 M2 钢的脱碳情况。图 21 呈现的是 T12 钢的脱碳情况（用 4%HNO3 酒精溶液浸蚀）。其中，全脱碳层是铁素体，过渡区是贫碳回火马氏体，而无脱碳区则为回火马氏体加碳化物。

图19 等温淬火脱碳层（250×）

图20 M2钢脱碳

图21 T12A钢脱碳层（淬火→回火后）（200×）

15

W18钢没有明显的热处理效应

我们选取某公司的 W18 钢，其规格为 13mm×4.5mm 的扁钢。用 1210℃、1230℃、1270℃这三种温度进行盐浴淬火，且加热时间均为 200s。淬火后的晶粒度为 10.5 级，如图 22 所展示。淬火后的硬度在 65～65.5HRC 之间。经过 550℃三次回火后，硬度不但没有升高，反而降低了。这个问题很奇怪，所以笔者将其称之为“奇闻”。

图22 W18钢淬火10.5级（500×）

碳化物在戏弄我们是造成奇闻的根本原因。也就是说，在加热时，碳化物没有溶入奥氏体，在回火过程中也没有析出。简单来讲就是进不去也出不来，这样又怎么会有二次硬化呢？

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表面质量

表面缺陷能够用肉眼看到。合同需要确定尺寸。实际供货时，存在长短尺寸各不相同的情况。钢材表面有凹坑超薄的问题，还有腐蚀麻点、圆度不符合要求、有马蹄头、钢板不平度超标以及厚薄不均匀等诸多表面缺陷。

有很多钢材存在缺陷的实例，希望大家能够重视选材这件事。材料是基础，倘若基础不牢固，就会像地动山摇一样不稳定。那么差的材料能够制造出好的工具吗？答案当然是不能！