W6Mo5Cr4V2絲錐斷裂分析與討論

佘昌俊

（鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212132）

高速工具鋼是含 C、W、Mo、Cr、V、Co、Al等的高合金鋼，因具有較高的硬度、耐磨性、紅硬性、強度和韌性等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種切削刀具。其中，W6Mo5Cr4V2是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最多的高速鋼鋼種，是制造復(fù)雜形狀、高精度、高沖擊負荷等苛刻條件下工作刀具的主要材料之一。

高速鋼刀具在加工和使用過程中失效的方式有很多，如：使用過程中的磨損變鈍等正常失效，材料組織缺陷、產(chǎn)品設(shè)計不當(dāng)、熱處理不當(dāng)?shù)确钦Ｊ?。其中正常失效可以通過修磨處理繼續(xù)使用，而非正常失效不但大大縮短刀具的使用壽命，帶來經(jīng)濟損失，還會危及使用者的人身安全。文章針對某廠生產(chǎn)的W6Mo5Cr4V2高速鋼絲錐斷裂的情況進行了分析討論，確定了該鉆頭失效的主要原因以期為企業(yè)改進生產(chǎn)工藝提供指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

試驗原材料為廠方提供的斷裂失效W6Mo5Cr4V2絲錐，化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）為0.89C，0.35Si，0.33Mn，0.022P，0.011S，3.92Cr，1.91V，6.1W，4.92Mo。

1.2 試驗方法

在斷裂失效絲錐上切取橫向試樣和縱向試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，用HXS-1000A顯微硬度計測試硬度，用Zeiss Axio Scope A1金相顯微鏡進行顯微組織觀察

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 硬度測試

分別對W6Mo5Cr4V2絲錐的螺紋部分和柄部進行硬度試驗，測試結(jié)果柄部38HRC，螺紋部分64.5 HRC，均達到GB/T 969-2007《絲錐技術(shù)條件》的技術(shù)要求。W6Mo5Cr4V2絲錐的淬回火硬度主要取決于W、Mo、Cr、V等堅硬的合金碳化物質(zhì)點的數(shù)量、分布狀態(tài)及合金的基體組織。

2.2 顯微組織分析

圖1是失效絲錐斷口的宏觀形貌，可以看出斷口表面光滑平整，呈灰色，具有強烈的金屬光澤，有明顯的結(jié)晶顆粒，具有明顯的脆性斷裂形式，屬于脆性斷口。在斷口的邊緣處有明顯的二次斷裂痕跡，如圖中箭頭所示，表明材料極脆，工件極易斷裂。這與失效絲錐掉落就發(fā)生斷裂的事實是相吻合的。

圖1 斷口宏觀形貌

圖2為W6Mo5Cr4V2絲錐的橫向組織，為回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物顆粒?？梢钥闯觯w中的碳化物顆粒發(fā)了明顯的偏聚長大，顆粒呈角狀和島鏈狀不均勻分布。碳化物的尺寸和分布均勻性是決定高速鋼質(zhì)量的兩個重要指標(biāo)，碳化物顆粒尺寸越小、形態(tài)越圓潤、分布越均勻，鋼的質(zhì)量越好。粗大角狀和島鏈狀的碳化物易產(chǎn)生微裂紋，成為整個工件斷裂的裂紋源。

圖2 W6Mo5Cr4V2絲錐橫向組織

從圖2（b）中可以發(fā)現(xiàn)有明顯的奧氏體晶界和δ共析體（黑色物質(zhì)），可以判斷組織出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，晶間結(jié)合力變?nèi)?，造成鋼的強度、韌性等力學(xué)指標(biāo)的降低，在外力的作用下就容易產(chǎn)生斷裂。

圖3為W6Mo5Cr4V2絲錐的縱向組織，碳化物偏析嚴重，呈帶狀分布，根據(jù)GB/T 14979-1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》，碳化物不均勻度為5~6級。嚴重的碳化物偏析，導(dǎo)致鋼中的化學(xué)成分和顯微組織不均勻分布，在淬回火的過程中，碳化物帶狀附近區(qū)域中的奧氏體內(nèi)的碳和合金元素會增加，從而鋼的Ms點下降，過冷奧氏體穩(wěn)定性增大，致使熱處理后鋼中的殘余奧氏體增加，在碳化物帶狀附近呈現(xiàn)淺白色，在切削熱的作用下，殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，而Ms點溫度越低，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時的比容變化越大，致使絲錐內(nèi)應(yīng)力增加而引起畸變與斷裂。

圖3 W6Mo5Cr4V2絲錐縱向組織

基體中的非金屬夾雜物也是導(dǎo)致W6Mo5Cr4V2絲錐斷裂失效重要因素之一，非金屬夾雜物作為獨立相存在于鋼中，割裂了基體組織，破壞了基體組織的連續(xù)性，加大了基體組織的不均勻性，嚴重影響了鋼的各種性能，導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生夾雜裂紋。

3 結(jié)語

（1）碳化物尺寸粗大、形態(tài)不理想，在基體中偏析嚴重，呈帶狀分布以及過熱是造成絲錐內(nèi)應(yīng)力增加而引起畸變與斷裂主要原因；

（2）基體中的非金屬夾雜物割裂了基體組織，破壞了基體組織的連續(xù)性，加大了基體組織的不均勻性，也是造成絲錐內(nèi)應(yīng)力增加產(chǎn)生夾雜裂紋的原因。在奧氏體溫度下，長時間保溫會造成碳化物顆粒偏聚、粗化，通過減少裝爐量，縮短保溫時間證實可以顯著改善碳化物的偏聚和粗化現(xiàn)象。

其次，高速鋼的基體中固溶有大量的合金元素，使得淬火后產(chǎn)生大量的殘余奧氏體，這些殘余奧氏體在絲錐工作過程中由于冷熱疲勞極易產(chǎn)生裂紋，因此優(yōu)化熱處理工藝，如多次回火［4］，減少殘余奧氏體是減小工件斷裂的有效途徑。

此外，高速鋼熱處理的溫度高，在高溫下容易發(fā)生氧化和脫碳，因此熱處理過程應(yīng)使用鹽浴或真空加熱，對工件多次預(yù)熱，使用等溫或分級淬火以減小刀具的變形和開裂。