飞剪是重要的轧材剪切设备，其中剪刃是飞剪设备中的重要部件，因其工作条件特殊，对飞剪剪刃材料的性能要求非常高，既要有很高的强度、硬度以及耐磨性，也要有一定的韧性。目前，一般使用工模具钢制造飞剪剪刃。某高速线材轧机在生产过程中，其1#飞剪剪刃发生断裂，造成产线紧急检修并更换剪刃。来自中天钢铁集团有限公司的徐旋旋、王小忠、赵宜三位研究人员采用一系列理化检验方法对该轧机飞剪剪刃的断裂原因进行分析，以防止该类问题再次发生。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
断裂剪刃局部和完好剪刃整体宏观形貌如图1所示，断裂发生在两个固定孔之间。剪刃沿垂直于刀刃方向断开，断口表面较为平整，断裂源位于剪刃的刀刃处，断裂源附近断口表面有明显的裂纹扩展纹路，断裂源附近存在明显的烧蚀变色区域(见图2)。
1.2 化学成分分析
使用直读光谱仪对飞剪的断裂剪刃试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：剪刃的化学成分符合技术要求。
1.3 金相检验
在飞剪剪刃断裂源附近外表面制取金相试样，将试样横向磨抛并腐蚀后，置于光学显微镜下观察，发现断裂源附近外表面烧蚀变色区域存在“龟裂”现象，裂纹缝隙内存在少量灰色氧化物(见图3)。剪刃正常处显微组织形貌如图4所示，远离断裂源处的正常基体表面未发现裂纹等明显缺陷，基体组织为马氏体。
1.4 扫描电镜(SEM)和能谱分析
对剪刃断裂源附近表面“龟裂”处裂纹缝隙内的灰色氧化物进行扫描电镜和能谱分析，结果如图5和表2所示。由表2可知：其主要含有Fe、O、Cr等元素，说明灰色氧化物为氧化铁和氧化铬的混合物。
1.5 硬度测试
使用洛氏硬度计对飞剪剪刃断裂源附近外表面进行硬度测试，其洛氏硬度约为52HRC；对远离断裂源部位进行硬度测试，洛氏硬度约为61HRC。
2、 综合分析
断裂试样为飞剪剪刃的一部分，断裂发生在两固定孔之间，剪刃沿垂直于刀刃方向断开，断口表面较为平整，断裂源位于剪刃的刀刃处，断裂源附近断口表面存在明显的裂纹扩展纹路，断裂源附近存在明显烧蚀变色区域。结合飞剪的工作环境及受力状态可知：断裂源位于剪刃中部区域，该区域为飞剪剪刃在剪切高温状态轧材时受力最集中，且受高温影响最明显的区域，烧蚀变色的原因为该区域长期受高温影响。
金相检验发现，断裂源附近外表面烧蚀变色区域存在“龟裂”现象，裂纹缝隙内存在少量灰色氧化物，能谱分析结果表明，该灰色氧化物为氧化铁和氧化铬的混合物。远离断裂源处的正常基体表面未发现裂纹等明显缺陷。飞剪剪刃断裂源附近外表面的洛氏硬度约为52HRC，远离断裂源部位的正常基体洛氏硬度约为61HRC，说明剪刃的硬度超出了技术规范的范围，而硬度差异较大可能与断裂源附近长期受高温影响，导致组织产生了变化有关。
飞剪剪刃断裂源附近外表面烧蚀变色区域存在“龟裂”现象，且裂纹缝隙内存在氧化铁和氧化铬等氧化物，该特征为典型的金属热疲劳，热疲劳是由飞剪剪刃工作时受温度梯度影响引起的。剪刃在工作时(剪切轧材时)接触高温轧材，使剪刃口断裂源处很小的区域急剧升温，剪切结束后又急剧降温，剪刃口断裂源处的热量很难向剪刃其他区域传导，使远离剪刃口的其他区域温度较低。在剪刃内部产生热应力(温差应力),随着温度的反复变化，热应力也反复变化，从而使剪刃口断裂源区域出现疲劳损伤，进而产生裂纹缺陷(即“龟裂”现象)，在后续的使用过程中，裂纹不断受力扩展，最终导致剪刃断裂，且飞剪剪刃高硬度、低塑性的特点对热疲劳现象的产生及裂纹的扩展也有一定的促进作用。适当降低飞剪剪刃的硬度及改善剪刃工作时的冷却条件，能避免热疲劳现象的发生。
3、 结语和建议
受高速线材产线设备及工艺要求的限制，改变飞剪剪刃工作时的冷却条件较为困难。建议在剪刃的生产过程中，适当提高淬回火热处理工序中的回火温度，降低成品剪刃的硬度，将硬度控制在技术要求范围内。
作者：徐旋旋，王小忠，赵宜
单位：中天钢铁集团有限公司
