碳化物特性对刀具磨削过程中磨料磨损行为的影响：马氏体不锈钢与弹簧钢的对比研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Carbide Characteristics on Abrasive Wear Behavior During Knife Honing: A Comparative Study of Martensitic Stainless Steel and Spring Steel

研究60Cr16MoMA马氏体不锈钢与60Si2Mn弹簧钢在模拟磨刀过程中的微结构演变及表面完整性差异，发现前者因亚微米级碳化物易脱落导致边缘几何破坏，后者虽表面粗糙度较高但保持均匀磨损，揭示碳化物特性是影响磨刀性的关键因素。

　　刀具钢的重新锐化性能对于延长厨房刀具的使用寿命至关重要，然而目前对其在打磨过程中边缘重构的机制仍缺乏系统性的理解。本研究通过模拟打磨实验，对60Cr16MoMA马氏体不锈钢和60Si2Mn弹簧钢在打磨过程中的微观结构演变及表面完整性进行了深入分析。实验中，使用针状试样在砂石上进行往复摩擦30次，随后利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）以及三维光学轮廓仪对磨损表面进行了表征。结果显示，尽管60Cr16MoMA在打磨后表现出更低的表面粗糙度，但其表面完整性较差；而60Si2Mn虽然表面粗糙度较高，却能保持更均匀的磨损形态，从而维持更好的边缘完整性。这些发现揭示了为何碳钢和弹簧钢在实际使用中被认为更容易打磨，为刀具材料的选择提供了科学依据。

厨房刀具是家庭中不可或缺的烹饪工具，其锋利度和耐用性直接影响用户的使用体验。传统上，刀具性能的研究主要集中在两个关键属性：刃口保持能力和锋利度。然而，在实际应用中，刀具性能的可持续性不仅取决于单次使用中的表现，还取决于其通过打磨恢复锋利度的能力，即重新锐化性能。目前，关于刀具钢重新锐化性能的研究仍较为有限，且其背后的机制尚未完全阐明。大多数研究关注的是切削过程中的磨损，而对打磨过程中材料的选择性去除及边缘重构的机制了解不足。因此，有必要系统地研究刀具钢在打磨过程中的微观结构演变，以揭示其重新锐化性能的决定因素。

重新锐化性能是指通过打磨恢复理想边缘几何形状的难易程度，是刀具在整个使用寿命中保持性能的关键因素。实际上，碳钢和低合金钢刀具通常被认为比马氏体不锈钢刀具更容易打磨。然而，目前对刀具钢重新锐化性能的系统研究仍较少，其机制仍需进一步阐明。大多数研究集中在切削过程中的磨损，而对打磨过程中材料去除机制的理解尚不充分。因此，本研究旨在通过模拟打磨实验，系统分析60Cr16MoMA和60Si2Mn这两种常见刀具钢在打磨过程中的微观结构演变及其对表面完整性的影响，从而为刀具材料的选择提供科学指导。

实验所使用的材料为工业生产的退火60Cr16MoMA和60Si2Mn钢。根据商业刀具的硬度范围，设计了相应的热处理工艺。热处理后的试样被切割成直径为5毫米、长度为45毫米的针状样品，并通过精密研磨和机械抛光以确保表面一致性。随后，试样在丙酮中进行超声波清洗，以去除残留污染物。打磨模拟实验中，针状样品被安装在铣床的主轴单元上，而对面则是工业制造的砂石（Matsunaga Stone Co. Ltd.），其表面粗糙度为#1000粒度（JIS R 6001-2: 2017），平均结合磨料颗粒尺寸为9.5-15微米。实验过程中，试样以60毫米的往复行程长度、0.02毫米/周期的进给深度以及10毫米/秒的滑动速度进行摩擦。每次实验前，砂石均浸入去离子水中5分钟以达到充分饱和。在磨损测试过程中，每5个往复周期补充50毫升去离子水以维持湿润条件。磨损表面的形貌和粗糙度参数通过三维光学轮廓仪进行表征。

研究发现，60Cr16MoMA和60Si2Mn钢在打磨过程中表现出不同的表面演变特征。尽管两种钢材的初始表面粗糙度相近（分别为0.182微米和0.183微米），但在打磨过程中，它们的表面粗糙度发展路径截然不同。60Cr16MoMA在10次打磨后表面粗糙度仅增加5.2%（达到0.191微米），并在30次打磨后趋于稳定，粗糙度值为0.198微米，仅比10次打磨时高出3.7%。相比之下，60Si2Mn在10次打磨后表面粗糙度上升9%（达到0.200微米），并在30次打磨后进一步增加至0.227微米，增加了24%。这种差异表明，60Cr16MoMA在打磨过程中能够较快地进入“磨合阶段”，而60Si2Mn则持续经历表面粗糙度的增加。

这种表面演变的差异反映了两种钢材在磨料与微观结构相互作用方面的根本区别。60Cr16MoMA中含有大量亚微米级的碳化物，这些碳化物在打磨过程中会阻碍磨料颗粒的嵌入，从而减少材料去除的均匀性。同时，由于碳化物与基体之间的非共格界面较为脆弱，容易在往复摩擦过程中发生脱落，形成第三体磨损（three-body abrasion），进一步加剧表面损伤。而60Si2Mn钢由于其微观结构中缺乏碳化物，磨料能够均匀地嵌入并去除材料，尽管表面粗糙度较高，但整体表面形态保持较为均匀，有助于维持边缘几何形状的完整性。

通过显微镜观察，两种钢材的磨损表面均表现出犁沟和切割两种磨损机制。然而，60Cr16MoMA由于其亚微米级碳化物的存在，磨损表面出现了明显的凹坑和凸起。这些局部缺陷源于基体材料在碳化物周围优先去除，而高硬度的碳化物则可能在磨料作用下发生断裂或脱落，形成新的磨损源。这种不均匀的磨损模式导致边缘几何形状受损，从而影响刀具的锋利度和使用寿命。相比之下，60Si2Mn钢的磨损表面则相对平坦，虽然整体磨损深度较大，但其均匀的微观结构避免了局部失效现象，从而维持了更好的边缘完整性。

进一步的微观硬度分析显示，两种钢材在打磨过程中均形成了典型的加工硬化层，该层厚度约为1毫米。在10次打磨后，60Si2Mn钢的表面硬度略高于60Cr16MoMA钢，这与其较高的整体硬度（60 HRC vs. 57 HRC）一致。然而，在30次打磨后，60Cr16MoMA钢的加工硬化效应显著增强，使得两种钢材的表面硬度趋于一致。这一结果表明，尽管加工硬化在一定程度上影响了表面硬度，但其对重新锐化性能的影响远不如微观结构的差异显著。

为了深入理解两种钢材在打磨过程中碳化物行为的差异，本研究从理论上分析了碳化物与基体之间的界面稳定性。计算表明，碳化物的稳定性与其尺寸和界面特性密切相关。对于60Cr16MoMA钢中的M23C6和MC碳化物，其尺寸较大（分别在450纳米至800纳米之间），且界面为非共格，导致其在打磨过程中容易发生断裂和脱落。而60Si2Mn钢中的ε碳化物则具有纳米级尺寸（约3-5纳米），并且与基体形成共格界面，使其在打磨过程中表现出极高的稳定性。这种微观结构的差异直接导致了两种钢材在打磨过程中不同的磨损行为。

本研究还提出了一个边缘演变模型，以解释不同微观结构对打磨效果的影响。模型表明，60Cr16MoMA钢中的亚微米级碳化物在打磨过程中会形成两种问题：一是碳化物的高硬度阻碍了磨料颗粒的直接切割作用，导致材料去除集中在较软的基体区域，从而形成碳化物锚定的凸起，破坏边缘的线性；二是由于非共格界面的不稳定性，碳化物容易在往复摩擦中脱落，形成新的磨损源，进一步加剧表面损伤。而60Si2Mn钢由于其碳化物的缺失，磨料能够均匀地嵌入并去除材料，从而保持边缘几何形状的完整性。

研究还发现，碳化物的尺寸和界面特性是决定重新锐化性能的关键因素，而非基体硬度本身。60Cr16MoMA钢中的亚微米级碳化物由于其较低的临界应力，容易在打磨过程中发生不稳定和脱落，导致边缘几何形状的破坏。而60Si2Mn钢中的纳米级ε碳化物由于其较高的界面稳定性，能够在打磨过程中保持完整，不会对边缘几何形状造成显著影响。这一发现表明，对于高强度钢材如马氏体时效钢和沉淀硬化钢，即使整体硬度超过60 HRC，只要碳化物尺寸被细化至低于50纳米，其重新锐化性能仍然可以保持良好。

此外，本研究通过实验和理论分析，揭示了不同碳化物类型和尺寸对打磨过程中材料去除均匀性的影响。对于60Cr16MoMA钢，亚微米级碳化物的存在不仅影响了材料去除的均匀性，还导致了边缘几何形状的破坏，从而降低了其重新锐化性能。而60Si2Mn钢由于其碳化物的缺失，能够实现更均匀的材料去除，尽管表面粗糙度较高，但其边缘几何形状保持良好，从而保证了打磨的有效性。

总的来说，本研究通过系统的实验和理论分析，揭示了60Cr16MoMA和60Si2Mn钢在打磨过程中的微观结构演变及其对表面完整性和重新锐化性能的影响。研究结果表明，碳化物的尺寸和界面特性是决定刀具重新锐化性能的关键因素，而非基体硬度。这一发现为刀具材料的选择提供了重要的科学依据，有助于开发更耐用且易于打磨的刀具钢材料。