1Cr13不锈钢冲压件表面裂纹原因分析

承 龙 鲍丙辉 范金席 胡显军

(江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏张家港 215625)

1Cr13不锈钢冲压件表面裂纹原因分析

承 龙 鲍丙辉 范金席 胡显军

(江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏张家港 215625)

通过化学成分分析、微观形貌观察、能谱分析、X射线衍射及硬度测试等手段，对1Cr13不锈钢冲压件表面裂纹的产生原因进行了分析。结果表明，材料中存在方向性明显的带状组织，其晶界处有碳化物颗粒富集。基于试验分析，认为裂纹产生的原因是：1Cr13不锈钢铸坯在凝固过程中，中心部位产生成分偏析，热轧时在碳及合金元素贫化带形成铁素体带状组织，多余的碳及合金元素在晶界处生成碳化物颗粒，形成了以铁素体为主、晶界上密布着碳化物颗粒的带状组织，在冲压过程中产生应力集中，从而导致微裂纹的形成和扩展，使冲压件产生裂纹。

1Cr13不锈钢 表面裂纹 带状组织 碳化物颗粒

随着科学技术以及现代化工业的快速发展，对不锈钢的产量需求日益增加，对其使用性能也提出了更高的要求[1]。1Cr13不锈钢因其化学成分中不含有对人体有毒性的Ni元素[2]，同时又具有良好的耐蚀性能和力学性能，在航空、医疗、机械制造等领域有着广泛的应用[3]。1Cr13不锈钢能够用于制作对韧性以及耐蚀性能要求较高、并能经受冲击载荷的零部件。某厂在生产1Cr13不锈钢冲压件时，在其内外两侧表面中心部位均出现了连续分布的裂纹，导致这一批次产品的全部报废。本文就1Cr13不锈钢冲压件表面出现连续裂纹的成因进行了分析，并在此基础上对改善或避免该缺陷产生的生产控制手段进行了简要探讨。

1 裂纹状况

1Cr13不锈钢冲压件表面出现的裂纹状况如图1中的方框所示，内外侧裂纹情况一致，均处于冲压件厚度方向上的中心部位，且沿圆周表面环向连续分布。经调查，该厂之前生产的多个批次的冲压件从未出现过类似情况，现场生产采用的工艺参数均符合技术规范，设备状况无异常，据此初步判断本批冲压件表面裂纹的产生与所采用的冲压工艺无关。

图1 1Cr13不锈钢冲压件表面裂纹情况及取样位置示意图

2 试验材料与方法

产品所用的1Cr13不锈钢板厚度为8 mm，供货状态为热轧板，采用岛津PDA-7000光电发射光谱仪对冲压件进行成分检测。采用线切割法从垂直于裂纹的横截面处(如图1虚线部位所示)切取试样，试样经磨制抛光后再用王水进行腐蚀，用蔡司Axio Imager Z1M金相显微镜对腐蚀后的显微组织进行观察；用蔡司Evo-18扫描电子显微镜(SEM)观察试样显微组织，并用EDS能谱进行成分分析，以及用D/max- 2500/PC型X射线衍射仪(XRD)进行相组成分析；用英斯特朗Tukon 2100B维氏显微硬度计测量试样不同部位的硬度。

3 试验结果及分析

3.1 化学成分

1Cr13不锈钢冲压件的化学成分分析结果见表1，符合GB/T 4237- 2007《不锈钢热轧钢板和钢带》标准规定的化学成分范围。

表1 1Cr13不锈钢冲压件的主要化学成分(质量分数)

3.2 显微组织分析

分别对图1中标注的顶部及中部区域进行金相观察，其显微组织如图2所示。从图中可以看出，试样大部分区域都是细小的等轴晶粒，但在试样的中部区域附近存在一些细长的带状组织(如图2(b)、2(d)所示)，其宽度一般在10～20 μm，长达数百微米，具有明显的方向性。

图3为带状组织的SEM形貌，可以观察到大量尺寸较大的颗粒物沿着带状铁素体的晶界密集排列，而其他等轴晶晶界上分布的颗粒物尺寸相对较小，数量也较少。采用EDS能谱对带状铁素体晶界上分布的颗粒(如图3“+”标记处)进行成分分析，结果如表2所示，可见其主要成分为Cr、Fe及C。资料显示[4-5]，热轧态1Cr13不锈钢的组织为铁素体及(Cr，Fe)23C6型碳化物，结合EDS能谱分析以及图4的XRD分析结果，认为带状铁素体晶界上聚集分布的二次相就是(Cr，Fe)23C6碳化物。

图2 1Cr13不锈钢冲压件不同部位的组织形貌

图3 1Cr13不锈钢冲压件中带状组织的SEM形貌

表2 带状组织中颗粒物的EDS能谱分析结果(质量分数)

图4 1Cr13不锈钢冲压件的XRD图谱

在钢液凝固过程中，由于各种元素及其化合物的熔点、比重不同，容易引起成分的微观偏析[6- 7]。有研究表明[8- 9]，带状组织的形成是因为在液相向固相转变的过程中发生了枝晶偏析。而且不同元素在钢液凝固过程中的偏析倾向不同，其对带状组织的形成趋势影响也不同。元素偏析倾向的强弱常用其在已凝固金属中的浓度与在液相中的浓度的比值k(见式(1))来表示，k值越小，表明元素偏析倾向越强。

(1)

式中:CB为元素在已凝固金属中的浓度，Cl为元素在液相中的浓度。文献[10]中几种常见元素的k值列于表3中，其中C、Cr、P、S等元素的偏析倾向较强。

表3 几种常见元素在固液相的凝固分配比k

不锈钢钢水的导热性能差，铸坯的凝固过程是由外至内逐渐冷却，中心温度高于边缘温度。铸坯从表层往中心结晶过程中，由于C、S、P及Cr等元素在液相比在固相中更容易溶解，这些元素在凝固过程中会从已结晶的晶粒析出，排到尚未凝固的金属液中，随着结晶的继续进行，这些易偏析元素被富集到铸坯中心或凝固末端区域，容易在铸坯中心部位发生偏析。在热轧过程中，铸锭中的粗大枝晶因变形而发生扭转、破碎和延伸拉长，由于加热及轧制过程中元素偏析没有完全消除，从而形成碳及合金元素的贫化带。在缓冷条件下，先在碳及合金元素贫化带形成铁素体，过饱和的碳及合金元素富集到晶界区，最终形成以铁素体为主的带；而碳及合金元素在晶界则形成了碳化物，聚集在铁素体周围，形成了以铁素体为主、四周晶界上密布着碳化物颗粒的带状组织。成分偏析的区域越多，形成的带状组织数量也越多。

在铁素体带的界面上，碳化物呈现较密集的分布，破坏了材料在厚度方向的连续性，是制约基体塑性变形的主要因素。众所周知，带状组织的存在使钢的组织不均匀，并影响钢材性能，形成各向异性，降低钢的塑性、冲击韧性和断面收缩率，容易造成在变形过程中的应力集中，甚至出现裂纹。由于带状组织晶粒取向的一致性，有利于变形的发展，随着应力的增加，形变量的积累，滑移面上的位错容易越过晶界，从而加速裂纹的扩展。虽然密集弥散分布的碳化物颗粒能够起到强化相的作用，有利于不锈钢强度的提高，但在带状组织晶界密集分布的(Cr，Fe)23C6颗粒物，因塑性变形过程中与基体间的协调应变会在碳化物周围产生大量位错环，并使其界面分离形成微孔。另一方面，新产生的位错环又源源不断地被推向微孔，使微孔作快速不稳定的扩展和聚合，形成了微裂纹[11]，进而形成宏观可见的开裂现象。在塑性流变的中后期，通过加工硬化达到高应力作用的阶段时，这些脆性的碳化物颗粒因与基体(具有良好塑性的铁素体组织)的应变不协调，在不断积累的形变损伤中发生开裂，成为断裂的裂纹源，并沿着脆性碳化物颗粒密集的条带方向上聚合与长大，进而在力的作用下沿条带方向发生开裂。

3.3 裂纹产生原因分析

由于冲压是流动—剪切过程，冲压间隙内的金属在压应力的作用下产生强烈的塑性流动。如图5所示，材料发生了强烈的塑性流动，边缘晶粒被压扁、拉长，有明显的纤维化现象，内部的应力应变梯度较大，晶粒在冲裁方向形成强烈的变形，形成硬化的边缘区。对冲裁面内外表面和中心部位进行显微硬度测试，内外表面各取3处位置，中间部位取2处位置，每处测量3个点取平均值，结果如表4所示(具体取点位置如图1所示)。可见在冲压件内外表面出现了强烈的冷作硬化，内、外侧的硬度最大可达中心部位硬度值的两倍，而其塑性随之降低。

图5 1Cr13不锈钢冲压件内表面的显微组织

表4 1Cr13不锈钢冲压件不同部位的硬度测试结果

如图6(a)所示，在冲压过程中，材料边缘主要受到一个向下的拉应力， 当这个向下的力遇到具有明显方向性的带状铁素体(如图5中箭头所指裂纹源处拉长的带状组织)晶界处聚集的碳化物时，其向下的动力受阻，会有一部分力沿着阻碍物的排列方向前进。这些碳化物颗粒受到两个不同方向上的力作用，如图6(b)所示，在图5中圆圈处可以明显看出有两条不同方向的流力线。碳化物颗粒不仅各自的成分和力学行为不同，其与基体的结合程度也有很大的差异。在冲裁后期，间隙和变形厚度之比不断增大，变形区的拉应力会不断增加，当材料变形达到一定程度时，边缘区发生强烈的加工硬化，塑性降低，碳化物颗粒与铁素体组织的应变不协调，同时碳化物颗粒受到不同方向上的力，且载荷达到一定程度时，在与基体结合不牢的颗粒处会形成空穴，空穴一旦形核便随变形程度的增加而增加，这种空穴形核与长大的过程就是材料受削弱的过程。材料受削弱不仅使局部承载面积减小，更重要的是造成了强烈的非均匀应力场，使得该区域内微粒间结合更易遭到破坏，从而引发更多空穴形核。随着变形的进一步加大，距离较近的空穴会聚合成微裂纹而导致宏观断裂，如图6(c)所示。

图6 1Cr13不锈钢冲压过程裂纹发展示意图

4 改进措施

如上所述，钢液在凝固过程中产生的元素偏析是形成带状组织的最直接原因，因此控制枝晶偏析及促进元素的均匀分布对于减弱或消除带状组织的形成具有至关重要的作用。综合以上分析得出，要从根源上杜绝1Cr13不锈钢在冲压过程中产生裂纹，必须保证原材料的品质。考虑到冲压件的使用环境及设计要求，厂家决定加强对原材料入厂的验收，每批次中随机取样进行金相组织观察，对发现有带状组织的热轧板立即停用，之后在生产中再未出现过上述质量事故。

5 结论

(1)1Cr13不锈钢铸坯在凝固过程中，中心部位产生成分偏析，热轧时在碳及合金元素贫化带形成铁素体带状组织，多余的碳及合金元素在晶界处生成碳化物颗粒，形成了以铁素体为主、晶界上密布着碳化物颗粒的带状组织。

(2)冲压过程中，带状组织及其晶界上聚集的碳化物颗粒使金属中应力发生再分布，引起应力集中，成为断裂的裂纹源，进而形成宏观可见的开裂现象。

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收修改稿日期：2016- 06- 27

Cause Analysis of Surface Cracks on 1Cr13 Stainless Steel Stamping Parts

Cheng Long Bo Binghui Fan Jinxi Hu Xianjun

(Institute of Research of Iron and Steel, Shasteel, Zhangjiagang Jiangsu 215625, China)

The causes of surface cracks on 1Cr13 stainless steel stamping parts were analyzed by chemical component analysis，microscopic morphology observation，energy spectrum analysis，X- ray diffraction technology and hardness test. The results showed that some obviously- directional ferrite strip structures with lots of carbides densely distributed on grain boundaries are found. The main cause leading to the surface cracks on stamping parts based on experimental analysis could be segregation during the solidification process in the center part. The ferrite banded structures were formed in the depleted areas of carbon and alloying elements，and carbide particles were formed on grain boundaries that enriched of carbon and alloying elements during hot rolling. Such structures caused stress concentration in the process of stamping, thus leading the formation and propagation of micro cracks, and causing cracks in the stamping part.

1Cr13 stainless steel，surface crack，strip structure，carbide particle

承龙，男，助理工程师，硕士，主要从事耐蚀、高温等领域的特种合金研发

胡显军，男，研究员级高级工程师，博士，主要从事金属材料的研发工作，Email：huxj- iris@shasteel.cn