马氏体不锈钢刀具表面线状缺陷分析★

卫争艳，张剑桥，谭国华

（1.太原钢铁（集团）有限公司先进不锈钢材料国家重点实验室，太原 030003；2.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，太原 030003）

马氏体不锈钢淬火后具有极高的硬度，且耐蚀性能优异，因此被广泛应用于刀刃具、剪具和量具的生产。目前刀具行业用量最大的是20Cr13、30Cr13和40Cr13，高端刀刃具则采用硬度和耐蚀性更好的5Cr15MoV和60Cr13等。

对于刀体面积较大的厨刀、砍骨刀等刀具，偶尔会在成品刀面处发现类似水痕的线状缺陷，此类缺陷严重影响刀具美观，降低产品合格率，为客户造成较大损失。本文对该缺陷及产生原因进行分析。

1 试验材料及方法

本文以刀具厂家提供的有严重线状缺陷的厨房刀作为研究对象（缺陷位置在图1标记框内）。其原材料为马氏体不锈钢热轧卷板，主要生产工艺：分条→下料→淬火→磨削，最终得到成品刀具。

图1 线状缺陷刀具照片

缺陷刀具的化学成分见表1。对照GB/T 4237—2015《不锈钢热轧钢板和钢带》可以看出，该刀具的材质为40Cr13，是典型的刀具用高碳马氏体不锈钢材料。

表1 线状缺陷刀具的化学成分检测结果

刀面线状缺陷的宏观表现采用体视显微镜直接观测；微观组织采用线切割方式制取试样，镶嵌后经粗磨、精磨和抛光处理，使用HCl+FeCl3混合溶液进行腐蚀，在光学显微镜下观测；采用扫描电镜和能谱分析仪对金相组织中的异常析出相进行形貌及成分检测。

2 试验结果及讨论

2.1 缺陷宏观形貌观测

肉眼观察图1刀具的线状缺陷，其形貌类似刀面浸湿、晾干后的水痕，用手触摸该缺陷，光滑平整、无异常触感，该缺陷也不会因反复的擦拭而消失。采用体视显微镜对该缺陷的宏观形貌进行进一步的放大观察，照片见图2。

图2 线状缺陷体视显微镜照片

从图2可以看出，刀面上肉眼可见的线状缺陷，实际是若干条棱状“凸起”（图2方框内所示），该“凸起”较为轻微，仅略高于刀面，方向平行于刀柄，有的较长、有的略短，不十分连续，这些棱也有一定的宽度，宽窄不一。

2.2 微观组织检测

2.2.1 刀面金相组织分析

为对比线状缺陷区域以及正常区域的金相组织有何差异，分别取两处的试样，以刀面为观测面，镶嵌制样后进行观测，正常区域的金相组织见图3。

图3 刀面正常区域的金相组织

从图3可以看出，刀面正常区域的金相组织为淬火马氏基体上均匀地分布着颗粒状碳化物，属于正常的马氏体淬火组织。刀面线状缺陷处的典型金相组织见图4。

图4 刀面线状缺陷区域的金相组织

从图4可以看出，刀面线状缺陷的组织呈现明显异常，马氏体基体上大面积存在大颗粒、团簇状的白色物质。为对该物质进行进一步分析确认，采用扫描电镜进行更微观的形貌和成分分析，结果见图5。

图5 线状缺陷区域大颗粒物质电镜照片及能谱结果

从图5可以看出，该团簇状分布的物质微观形状不规则，尺寸较大，多数尺寸在5~10μm，部分尺寸在20μm以上。从能谱成分上来看，该物质主要含有Cr、Fe、V和C四种元素（由于能谱对于C的含量分析不准确，因此去除了C峰），w(Cr)超过60%，从这点上判断该物质为一种碳化物。另外，由于V是强碳化物形成元素，也可以从侧面说明该物质是一种碳化物。对于马氏体不锈钢钢来说，淬火组织中存在的碳化物为共析碳化物，但共析碳化物的形态是球形且尺寸极小（见图5中箭头所示的小颗粒碳化物），所以这种物质一定不是共析碳化物。结合其尺寸、形状及化学成分综合分析，最终确认其是液析碳化物[1-2]（即一次碳化物）。

2.2.2 横截面金相组织分析

为对该材料横截面的金相组织进行观测，在图6所示区域采用线切割方式制取试样，观测箭头所指的面。

图6 刀背金相组织分析的取样位置示意图

该横截面试样总厚度为3.0 mm，在图7示意图中所标示的4个位置处，均发现了大量的大颗粒液析碳化物和呈粗链状的碳化物条带，条带的宽度在10~20μm，特别是位置2处的聚集尤为严重，碳化物条带的长度甚至达到了4 mm。四个位置的金相照片见图8。

图7 刀具横截面一次碳化物位置示意图

图8 刀具横截面的大颗粒液析碳化物及碳化物条带（500X）

从刀背的金相组织来看，该缺陷刀具的原材料钢板在生产过程中形成了严重的液析碳化物偏聚，位置遍布整个横截面，这正是刀具在后续磨削过程中，刀面上出现图4所示团簇状液析碳化物的来源。

2.2 结果分析

从刀面和刀背微观组织的分析中可以看出，造成刀具线状缺陷的原因主要是液析碳化物。由于此碳化物与淬火马氏体（硬度500～600 HV）相比，硬度高达1 500～2 000 HV[3]，因此在刀面磨削的过程中，两者的磨削量差别较大，最终形成了棱状的“凸起”，宏观上表现为线状缺陷。

但是从40Cr13的热力学计算结果来看，整个转变过程中并不存在液析碳化物（见图9）。分析其原因，因为热力学计算是一种平衡态的计算，但钢液的凝固过程是非平衡态。随着凝固的进行，从微观的角度来说，碳和铬等溶质原子被推到了枝晶间，形成微观偏析；从宏观的角度来说，铸坯中心的溶质原子也逐渐富集，形成宏观偏析。正是由于微观和宏观偏析的存在，使铸坯局部（枝晶间和铸坯中心）的碳和铬等溶质原子浓度达到了共晶浓度，最终在凝固过程中以共晶的方式形成共晶碳化物（FeCr）3C和（Fe－Cr）7C3，即液析碳化物[4-5]。热变形时，液析碳化物沿着轧制方向被拉伸为条状，因此，成品板材中无论表现为块状还是条带状的碳化物，其本质都是液析碳化物。当枝晶间偏析较轻时，只出现碳化物条带，当偏析较重时，碳化物条带和块状液析碳化物同时出现。

3 结论

1）从线状缺陷刀具刀面的金相组织来看，正常区域的组织为淬火马氏基体上均匀地分布着颗粒状共析碳化物，而线状缺陷处则存在典型的团簇状、大颗粒液析碳化物，由于此类碳化物硬度远高于基体，因此在后续磨削的过程中表现出具有浮凸感的线状缺陷。

图9 高碳马氏体40Cr13的热力学计算结果

2）从横截面的金相组织来看，此刀具所使用的原材料钢板在生产过程中形成了严重的大颗粒和宽链状液析碳化物偏聚，位置遍布整个横截面范围，这正是产生线状缺陷的根本原因所在。

3）液析碳化物的来源是钢液在凝固过程中由于碳和铬原子的微观偏析和宏观偏析，导致局部溶质浓度达到了共晶浓度，最终以共晶的方式形成。