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鄭州晶品超硬工具有限公司
工廠：鄭州市中原西路竹川工業區
運營：鄭州市明理路266號木華廣場
電話：0371-5600 9088
官微：晶品工具
郵箱：zjp@zzjpgj.com
聯系人：鄭先生 朱女士
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近幾年來由于建筑業的發展，帶動了我國建材工業的發展，廣闊的市場容量使得對金剛石鋸片基體用鋼 的需求量大大增加。目前我國金剛石鋸片基體用鋼仍有20%依賴于進口，而國內生產的金剛石鋸片用鋼的使用質量還遠遠滿足不了市場的要求。
國內金剛石鋸片基體用鋼以中高碳彈簧鋼為主，因其具有優越的切削性能和耐磨損性能，被廣泛用于石材加工、公路及機場建設等。但是由于鋸片基體用鋼自身合金元素的特性，給實際生產和使用帶來了諸多問題，如熱處理變形大、硬度不均、裂紋等。金剛石鋸片基體用鋼產生裂紋的因素諸多，主要影響因素有：鋼的化學成分、原材料缺陷、鋼的原始組織、加熱因素、冷卻因素、鋸片特有的結構特點等，導致片體端面分布各種應力聚集，尤其是周邊的拉應力大大增加都是形成裂紋的潛在因素。由于影響鋸片基體用鋼產生裂紋的因素多種多樣，本文主要從以下三個方面來分析金剛石鋸片基體產生裂紋的原因以及金剛石鋸片基體失效機理。
1、金剛石鋸片基體材料缺陷引起的裂紋
目前金剛石鋸片基體用鋼以中高碳彈簧鋼為主， 中高碳彈簧鋼材料中非金屬夾雜、組織不均、微裂紋 和表面缺陷等均可成為疲勞裂紋的可能源區，而促使鋸片基體發生早期失效。中高碳彈簧鋼中的非金屬夾雜物、表面缺陷和帶狀偏析是影響鋸片基體使用壽命的主要因素，由于金剛石鋸片基體表面有麻坑、缺陷或次表層有密集分布的碳化物粒子或帶狀偏析，這些作為疲勞源從而促進了鋸片基體發生疲勞失效。另外由于材料斷裂韌性低，這就促使鋸片基體過早地發生疲勞斷裂。
1.1 非金屬夾雜物
金剛石鋸片基體用鋼中非金屬夾雜物主要是在冶煉過程中產生的Al2O3和TiN等夾雜物。它們對疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數量、尺寸、 形狀和分布；另一方面受鋸片鋼基體組織和性質制約，與基體結合力弱的尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大。而且，中高碳彈簧鋼的強度水平愈高，夾雜物對疲勞極限的有害影響也愈顯著。
1.2 表面缺陷
表面質量問題主要分三類：一是明顯的軋制缺陷、折迭和耳子缺陷以及部分劃傷翹皮，主要由于軋鋼設備陳舊、精整設施落后和孔型設計調整不到位引 起的。另外坯料表面修磨不當，產生尖角棱子及凹坑劃傷，經軋制后也易形成折迭缺陷；二是表面裂紋，它在鋼材表面呈縱向連續或斷續分布，主要是由于坯料殘存的裂紋和皮下缺陷引起的，乳制應力及冷卻不當也會產生表面裂紋；三是表面劃傷及翹皮，這與工裝條件及操作不當有關，在打包、運輸過程中也會產生擦傷。它們的存在必然是材料產生失效的起源點，易直接導致材料斷裂。但對于局部較小的凹坑、劃傷、疤皮、麻點等缺陷，人們一般不太重視，它們的存在有的雖是標準允許的，不會成為失效的主因，但它們存在的區域肯定是材料的薄弱部位，在材料整體塑性不好時它們也會成為開裂的突破口。由于在失效時小缺陷已受到破壞或取樣時未檢驗到具體部位，所以失效分析中往往忽略了這一因素。
1.3 帶狀偏析
在利用連鑄生產中高碳彈簧鋼時有時會出現負偏析帶（白亮帶），負偏析主要是由于電磁攪拌不當或冷卻過程不穩定造成的。凝固過程中不可避免存在選分結晶。碳在鐵中的偏析系數K值為0.13，由此可計算出如碳含量為0.55%左右的鋼液開始結晶時的枝晶干上碳含量Cs為0. 0715%；在電磁攪拌的作用下，樹枝晶將被切斷，一部分被切斷的枝晶將被溶化，剩余部分枝晶將被攪拌旋流逐漸旋至中心附近形成晶核，使部分鋼水先凝固形成負偏析；另一方面，在連鑄工藝中，中心疏松和偏析不可能完全消除，因為連鑄坯在凝固過程中總存在周期性的樹枝晶搭橋現象，在搭橋處由于優先結晶，也形成負偏析。
負偏析處由于碳含量較低，在硫印和酸浸低倍試片上呈白亮線條，在熱加工后仍然可能保留下來。由于經過變形，熱加工后在截面上表現為寬度很窄的白亮條帶狀。具有帶狀偏析的彈簧鋼，在淬火加熱時，在奧氏體相區，帶狀鐵 素體的周圍碳原子將向內部擴散，但是由于加熱保溫時間較短，而且Si、S偏析對碳原子的阻礙作用，原負偏析帶狀鐵素體內的碳原子濃度仍低于周圍組織的碳含量。經過淬火后，帶狀偏析組織形成含碳量低于周圍的馬氏體組織，經過回火后形成碳含量低于周圍組 織的白亮帶狀回火索氏體。
在原材料中存在帶狀偏析，會嚴重的影響到金剛石鋸片基體用鋼的疲勞壽命。這是因為在循環載荷下，金剛石鋸片基體用鋼中的游離帶狀組織由于強度 相對較低，很容易產生疲勞裂紋源，當裂紋在外力作用下擴展到一定程度后則鋸片基體就會失效。
另一方面，帶狀偏析導致在加熱過程中合金含量低的帶內晶粒易于粗化，形成粗大的晶粒；合金含量高的帶內存在大量的細小的合金碳化物，阻礙了晶粒的長大而獲得細小的晶粒。淬火加熱時帶狀鐵素體周圍的碳原子向其帶內擴散，但由于加熱溫度不太高，加熱時間較短，加上Si源子的阻礙，原鐵素體偏聚區的奧氏體與周圍的碳原子未能達到均勻，淬火后導致馬氏體轉變的不同，致使在帶間產生大的組織應力。
研究發現，馬氏體相變時的組織應力與晶粒尺寸有密切關系，粗大的晶粒增大了淬火裂紋的傾向；同時，在淬火的過程中，非金屬夾雜物沿晶界偏聚呈帶狀分布，該類夾雜物質軟，與基體結合強度差，破壞了鋸片基體的連續性，導致大晶粒的晶界弱化和變形協調性較差，致使晶界應力集中。所以在應力的作用下，脆性相和帶狀夾雜物成為裂紋的發源地，促進淬火裂紋形成并迅速擴展，擴展到縱向中心線附近時，變形受到約束，從而以裂紋的形式釋放應力，誘發淬火裂紋的產生。
2、熱處理工藝不合理引起的裂紋
在鋸片基體的生產中，熱處理工藝不合理是導致金剛石鋸片基體裂紋產生的主要原因。熱處理工藝不當主要表現為氧化與脫碳嚴重、淬火變形大、過熱和過燒、發生回火脆性等。其造成熱處理裂紋主要是由于中高碳彈簧鋼加熱溫度過高、保溫時間過長，使得組織中的奧氏體晶粒粗化，淬火后馬氏體針粗大，導致彈簧鋼內應力與脆性增大，從而形成熱處理裂紋，熱處理造成金剛石鋸片基體用鋼裂紋缺陷在金相顯微鏡下觀察一般呈沿晶斷裂特征。
2.1 氧化與脫碳
金剛石鋸片基體在空氣等氧化性氣氛中加熱時表面容易發生氧化。氧化使鋸片基體表面粗糙度增加，精度下降，而且基體表面氧化皮往往是造成淬火軟點和淬火開裂的根源，使基體強度降低。因此中高碳彈簧鋼在加熱時，在保證組織轉變的前提下，加熱溫度應盡可能低，保溫時間應盡可能短。
中高碳彈簧鋼表面氧化的同時一般都伴隨表面脫碳，脫碳是金剛石鋸片基體常見的表面缺陷，對基體的使用性能有顯著影響。彈簧鋼材表面脫碳0.1mm就會使其疲勞極限顯著下降。而且，隨著基體表面脫碳層深度增加，疲勞壽命顯著下降。特別是鋸片基體表面脫碳層出現鐵素體可降低疲勞極限50%。由于脫碳，基體的表面硬度下降，在交變應力作用下容易產生裂紋，使金剛石鋸片基體過早疲勞失效。
含碳量越高，加熱溫度越高、保溫時間越長，基體的脫碳傾向越大，而且不同含碳量的鋸片基體用鋼脫碳后，其微觀組織亦不同。當金剛石鋸片基體用鋼表面氧化脫碳以后，表層的硬度和強度降低，容易產生裂紋，甚至產生斷裂。另外，表面層不同部位淬火時膨脹系數不同，引起應力集中，致使鋸片基體全脫碳層與部分脫碳層之間的過渡區產生微裂紋，這些可見的或不可見的微裂紋成為應力集中區，并作為裂紋繼續發展的起源，引起基體的失效或斷裂。因此，應當限制金剛石鋸片基體的脫碳層深度。
2.2 淬火變形
對于用中高碳彈簧鋼作基體材料的金剛石鋸片，要達到基體的彈性極限和硬度指標，其熱處理方式應采用淬火+中溫回火。但金剛石鋸片基體淬火有個非常突出的特點，那就是淬火變形量和開裂傾向性大。
產生變形的原因有：加熱無論是空氣還是鹽浴，熱量的對流或多或少都會對片基產生沖擊而造成加熱變形。由于其截面各部分冷卻速度不同而造成溫度差異，引起鋼的體積收縮不均勻，從而導致熱應力的形成；另外在淬火時，鋼的過冷奧氏體向馬氏體轉變過程中伴隨有比容的變化而造成組織應力形成的相變變形等。由于基體是薄片件，面積大而厚度薄，其直徑從Φ300-2200mm，而厚度一般只有2-10mm，如此大的薄片件淬火時的熱處理變形和開裂正是基體熱處理的難點。如何減少淬火變形和開裂的控制以滿足基體平面度和硬度的要求是金剛石鋸片基體熱處理的關鍵。
2.3 過熱和過燒
金剛石鋸片基體在萍火加熱時，由于加熱溫度過高或保溫時間過長造成奧氏體晶粒粗大的缺陷稱為過熱。過熱的鋸片基體在淬火后得到粗大的粗針狀馬氏體組織，為淬火過熱組織，易于引起淬火裂紋。因此淬火過熱的鋸片基體強度降低，尤其是沖擊韌性、塑性顯著下降，易于產生脆性斷裂。輕微的過熱可用延長回火時間來補救。嚴重的過熱可采用完全退火或正火使晶粒細化。
若淬火加熱溫度太高，使奧氏體晶界局部熔化或發生晶界氧化的現象稱為過燒。過燒使金剛石鋸片基體性能嚴重惡化，極易產生熱處理裂紋，所以過燒是不允許的熱處理缺陷，一旦出現過燒則無法補救，只好報廢。
2.4 回火脆性
熱處理（主要是回火）脆性是中高碳彈簧鋼發生裂紋的另一個主要原因。中高碳彈簧鋼的回火脆性通常是指在350~550°C臨界溫度范圍內加熱或緩慢冷卻時所顯示出來的脆性，此時沖擊轉變溫度趨于較高范圍，脆性特征為中高碳彈簧鋼經350~550°C溫度范圍回火以后，組織沿著原始奧氏體晶界斷裂和雜質在晶界的偏聚，降低了在室溫下的沖擊值和KIC值。中髙碳彈簧鋼對回火脆性的敏感性受在臨界溫度范圍內停留時間、合金成分和雜質含量水平的影響。
中高碳彈簧鋼在350-550℃溫度范圍內長時間加熱，或在這一溫度范圍內緩慢冷卻時，對產生脆性是敏感的。由于中高碳彈簧鋼中加人了1%～2%左右的Mn，因而具有過熱敏感性和回火脆性傾向，其回火溫度范圍正好處于第一類回火脆性和第二類回火脆性結合處，如果不能及時回火、保溫和冷卻，就會使彈簧鋼產生脆性。
3、淬火介質選擇不當引起的裂紋
當彈簧鋼含碳量<0.20%，一般形成板條狀馬氏體，它具有良好的塑性和強度。當含碳量達0.60%時，形成針狀馬氏體，硬而脆。含碳量在0.20%～0.60%之間，則形成兩種馬氏體的混合組織。中高碳彈簧鋼隨含碳量的增加，針狀馬氏體越來越多，板條狀馬氏體越來越少。顯然當中髙碳彈簧鋼含碳量增加后，由于針狀馬氏體塑性差，在馬氏體轉變過程中，產生的組織應力會導致淬火裂紋，因而在馬氏體開始轉變溫度以下要求慢冷。
由各種彈簧鋼的過冷奧氏體轉變曲線和端淬曲線可知，中高碳彈簧鋼的馬氏體形成溫度一般在300℃左右。因此合適的冷卻介質應在鼻尖處達到最大冷卻速度而在300℃以下有適當的的冷卻速度，以使過冷奧氏體不致形成珠光體類型或貝氏體類型的組織。
如果淬火介質在馬氏體開始轉變溫度以下冷速過快則開始有細小針狀馬氏體出現，淬火變形量急劇上升。由于表面和心部組織轉變的不同時性，當表面已形成堅硬的馬氏體后，內部也發生了馬氏體轉變，由于馬氏體比容大，體積膨脹，因而使表面層受到很大拉應力，當拉應力超過鋼的屈服極限時，則產生由表向里的縱向裂紋。而弧形裂紋則出現在工件的凹槽，孔眼處。此時的裂紋主要是由組織應力引起的，同時伴有熱應力和形變（剪切）應力。
由于在冷床上滯留時間過長、冷卻速度太快，鋼中許多殘留奧氏體在Ms點以下轉變為馬氏體，由于溫度低熱力學條件差，轉變速度極為緩慢，而馬氏體相變屬于非擴散型相變，此時奧氏體中的碳原子已無法進行擴散，形成過飽和 固溶狀態，造成晶格畸變，當組織應力大于彈簧鋼的屈服強度時，則發生開裂。
中高碳彈簧鋼的質量好壞在很大程度上決定于冶煉工藝，包括鋼的化學成分，鋼水潔凈度（氣體、有害元素、夾雜物）和鑄坯質量（成分偏析、脫碳及其表面狀況)，這幾個方面正是冶煉操作的關鍵控制點。另外，彈簧鋼還要求有足夠的淬透性以保證整個彈簧截面獲得均勻的微觀組織和力學性能。
4、結論
（1）中高碳彈簧鋼中的非金屬夾雜物、表面缺陷和帶狀偏析是影響鋸片基體使用壽命的主要因素，也是金剛石鋸片基體使用過程中的主要裂紋源。
�。�2）氧化與脫碳嚴重、淬火變形大、過熱和過燒、發生回火脆性等是導致金剛石鋸片基體裂紋產生的主要原因。
�。�3）根據金剛石鋸片基體的材質和原始組織、技術要求，結合設備狀況等多方面因素正確地選擇淬火介質和淬火方法，并定期監測、調整其冷卻特性對金剛石鋸片基體的內在質量和后續加工難度至關重要。 |
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