侯國(guó)棟 米永旺 李 惠，2 尤曉東，2，3

（1.河冶科技股份有限公司，河北 石家莊 052165；2.河北省高速工具鋼技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 052165；3.河北省高品質(zhì)工模具材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 052165）

M42鋼作為一種通用超硬高性能高速鋼，因加入了V、Co等合金元素而提高了鋼的耐磨性和紅硬性[1-2]，被廣泛應(yīng)用于制造對(duì)性能要求更高且使用壽命更長(zhǎng)的刀具。為掌握國(guó)內(nèi)外高性能高速鋼實(shí)物質(zhì)量水平，該文對(duì)河冶及國(guó)外某廠家M42高速鋼各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取河冶生產(chǎn)規(guī)格為φ15mm的M42軋圓與國(guó)外某廠家生產(chǎn)的規(guī)格φ14mm的M42軋圓進(jìn)行對(duì)比。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 退火態(tài)樣品分析

采用LABS直讀光譜分析儀對(duì)2種材料的成分進(jìn)行測(cè)定。沿棒材直徑方向切取金相試驗(yàn)，將試樣打磨拋光后，浸入4%硝酸酒精腐蝕，取出后吹干，利用LEICA DMILM型金相顯微鏡進(jìn)行組織形貌的觀察分析。分別KHT-600M采用布氏硬度計(jì)測(cè)量2個(gè)樣品的退火硬度值，測(cè)量時(shí)壓頭為直徑為1mm的硬質(zhì)合金球（W），試驗(yàn)時(shí)施加試驗(yàn)力30kgf，保持時(shí)間20s。

1.2.2 熱處理態(tài)樣品分析

在YGQ-80真空高壓氣淬爐中分別進(jìn)行1160℃和1180℃淬火，再進(jìn)行550℃回火真空回火，每次1h共進(jìn)行3次。熱處理后采用TH550洛氏硬度計(jì)測(cè)量樣品的淬火回火硬度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》，采用光譜分析儀分別對(duì)2個(gè)樣品橫截面的不同位置進(jìn)行檢測(cè)，以平均值作為最終的結(jié)果，2種M42高速鋼的主要元素化學(xué)分?jǐn)?shù)見表1。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)分?jǐn)?shù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2種M42高速鋼的化學(xué)成分都符合國(guó)標(biāo)GB/T 9943—2008規(guī)定的范圍。與河冶M42相比，國(guó)外廠家M42鋼中的Mo、Mn含量略低，Si含量略高，其他主要元素含量與河冶相差不大。該廠家M42鋼的碳飽和度A=Cs/Cp稍高，高速鋼化學(xué)成分的波動(dòng)直接影響淬回火硬度的高低。Cp相同時(shí)，隨著A增長(zhǎng)，鋼的二次硬化能力上升，推測(cè)其硬度和紅硬性略高。S含量控制水平略低，推測(cè)鋼中夾雜較多。

2.2 夾雜和硬度分析

與碳化物相比，高速鋼中的夾雜雖然數(shù)量少且分布相對(duì)分散，然而，鋼中的夾雜物因與基體膨脹系數(shù)不同，容易造成應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致發(fā)生開裂，在一定條件下能夠?qū)︿摰捻g性和塑性產(chǎn)生不良影響，因此需要嚴(yán)格控制高速鋼中的夾雜物[3]。2個(gè)樣品的非金屬夾雜和硬度檢測(cè)結(jié)果見表2，光學(xué)顯微鏡下2種高速鋼中的夾雜形貌如圖1所示。由表2可以看出，2種高速鋼中的夾雜除0.5級(jí)的球狀氧化物外，還存在單顆粒球狀?yuàn)A雜，國(guó)外廠家M42的單顆粒球狀?yuàn)A雜達(dá)到2.5級(jí)，該種尺寸較大的夾雜物對(duì)鋼的韌性和塑性危害更嚴(yán)重，國(guó)外M42鋼的退火硬度也比河冶M42高。由此可以看出，河冶M42鋼無論在非金屬夾雜還是退火硬度方面控制水平都更好。

圖1 光學(xué)電鏡下試驗(yàn)鋼中夾雜的形貌 500×

圖2 掃描電鏡下的碳化物形貌 1000×

表2 試驗(yàn)鋼的非金屬夾雜及硬度

2.3 碳化物

碳化物是高速鋼中的重要組成部分，其數(shù)量多，情況復(fù)雜，對(duì)鋼的各項(xiàng)性能都起著關(guān)鍵作用，所以研究碳化物對(duì)高速鋼具有重要意義[4]。M42高速鋼的合金元素含量較高，含有大量一次碳化物，對(duì)性能和使用壽命產(chǎn)生顯著影響。對(duì)2種高速鋼樣品的共晶碳化物不均勻度、顆粒度和含量進(jìn)行了測(cè)定，為了使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，減少不同位置對(duì)最終結(jié)果的影響，分別取5個(gè)不同位置進(jìn)行檢測(cè)。

2.3.1 共晶碳化物不均勻度

共晶碳化物不均勻度是檢驗(yàn)高速鋼質(zhì)量的重要指標(biāo)[5]，顯著影響制備出的刀具性能和使用壽命。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 9943—2008規(guī)定，試樣截面尺寸≤40mm，共晶碳化物不均勻度合格級(jí)別為不大于3級(jí)[6]。根據(jù)國(guó)標(biāo)評(píng)級(jí)圖對(duì)2種高速鋼樣品的共晶碳化物不均勻度進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)鋼的共晶碳化物不均勻度（級(jí)）

由表3可以看出，國(guó)外廠家M42高速鋼樣品心部位置的共晶碳化物不均勻度超過國(guó)標(biāo)的合格級(jí)別，并且D/4位置的不均勻度和河冶產(chǎn)品水平相比也較差。當(dāng)高速鋼共晶碳化物不均勻度較差時(shí)，由于碳化物集中處碳和合金元素大量集中，材料的塑性很差，再加上應(yīng)力集中，因此容易產(chǎn)生開裂。

2.3.2 碳化物最大顆粒尺寸

碳化物顆粒的大小也是衡量高速鋼質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。對(duì)2種高速鋼樣品的碳化物最大顆粒進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)級(jí)結(jié)果見表4。對(duì)比M42高速鋼心部位置碳化物尺寸可以發(fā)現(xiàn)，河冶M42碳化物尺寸小于國(guó)外廠家M42，經(jīng)過熱加工變形和退火后河冶M42中碳化物分解的更充分，碳化物顆粒尺寸細(xì)小、分布較均勻，有利于鋼的各項(xiàng)性能[7]，制造出來的產(chǎn)品也擁有較高的質(zhì)量。國(guó)外廠家M42心部位置部分碳化物存在開裂，在外力作用下易造成內(nèi)部缺陷，這些內(nèi)部缺陷位置易產(chǎn)生微裂紋，直接影響鋼的韌性和塑性，造成刀具崩刃和掉齒而提前報(bào)廢。

表4 試驗(yàn)鋼的碳化物最大顆粒（級(jí)）

2.3.3 碳化物分布和球形度

結(jié)合掃描電鏡和碳化物圖像信息提取與定量分析方法，對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行了碳化物面積占視場(chǎng)面積百分比的測(cè)量，以此作為檢測(cè)碳化物分布的方法。試驗(yàn)鋼D/2位置碳化物數(shù)量分?jǐn)?shù)、面積分?jǐn)?shù)和球形度對(duì)比如圖3～圖5和表5所示。

圖3 不同尺寸碳化物相對(duì)數(shù)量分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖5 不同尺寸碳化物球形度對(duì)比

表5 碳化物分布和球形度對(duì)比

結(jié)合圖3～圖5的對(duì)比結(jié)果可以看出：1）國(guó)外M42鋼中尺寸≤0.2μm小顆粒碳化物較河冶M42中數(shù)量多，但因面積占比有限，對(duì)材料的性能影響較小。2）與河冶M42鋼相比，國(guó)外M42鋼中尺寸0.4μm～1.2μm小顆粒碳化物數(shù)量少、面積占比小。3）國(guó)外M42中7μm～8μm的大顆粒碳化物面積占比高于河冶M42。4）縱觀不同尺寸范圍，河冶M42碳化物球形度更好。

高速鋼碳化物具有熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性好和性脆等特點(diǎn)，尤其是尺寸較大的一次共晶碳化物，對(duì)高速鋼的質(zhì)量和性能有較大的影響[8]。綜合碳化物尺寸、分布和球形度方面，河冶M42明顯好于國(guó)外M42。這些分散在基體中、外形呈球狀或近球狀的小顆粒碳化物能夠?yàn)殇摰哪湍バ阅?、塑性和韌性做出貢獻(xiàn)[9]，使鋼具備較好的冷熱塑性，變形容易，內(nèi)部缺陷少，性能均勻。高速鋼原材料質(zhì)量也是影響刀具使用壽命的重要因素之一，作為高速鋼組織中的重要組成部分，碳化物的顆粒大小、形狀和分布均勻性對(duì)性能起了關(guān)鍵作用，因此需要重點(diǎn)觀測(cè)原材料的碳化物情況。

2.4 熱處理組織和硬度

熱處理后晶粒度和硬度見表6。

表6 熱處理后晶粒度（級(jí)）和硬度（HRC）

研究表明，M42高速鋼加熱到1000℃時(shí)就有明顯的硬化現(xiàn)象，隨著溫度的升高，淬火后的硬度增加并不明顯，當(dāng)溫度超過1200℃時(shí)硬度反而下降，這與鋼中殘余奧氏體增多有關(guān)，此時(shí)碳化物全部溶解，晶粒發(fā)生長(zhǎng)大。用于高速切削刀具的M42高速鋼一般在1150℃～1180℃范圍內(nèi)進(jìn)行淬火。在500℃～560℃回火，可以避免產(chǎn)生過熱、過燒和回火不足等現(xiàn)象，以獲得良好的二次硬化效果。

淬火晶粒大小是衡量高速鋼刀具熱處理質(zhì)量的重要標(biāo)志。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同淬火溫度淬火后，2個(gè)廠家的M42晶粒度級(jí)別相當(dāng)。淬火溫度高低決定晶粒度大小，淬火溫度高晶粒度大，淬火溫度低晶粒度小。在正常的淬火狀況下，晶粒大碳化物溶解好些，晶粒小碳化物溶解差些。因此1160℃淬火后，M42鋼中晶粒小，碳化物回溶較差，從而導(dǎo)致淬火硬度較低。

此外，在相同熱處理制度下，國(guó)外M42淬火硬度比河冶M42高0.2HRC～0.3HRC，而回火硬度較河冶M42高0.4HRC～0.5HRC，這與之前成分檢測(cè)結(jié)果國(guó)外M42的碳飽和度較高有關(guān)。

3 結(jié)論

國(guó)外M42中的Mo、Mn含量較低，Si含量較高，其他主要元素含量與河冶相差不大。碳飽和度較高，相同制度熱處理后硬度稍高于河冶。國(guó)外M42中存在尺寸較大的單顆粒球狀?yuàn)A雜，夾雜控制水平差。碳化物尺寸、分布和球形度方面，河冶M42明顯好于國(guó)外M42。國(guó)外M42退火硬度高，河冶M42基本控制在≤240HB。

綜上所述，與國(guó)外某廠家M42相比，河冶M42的成分設(shè)計(jì)合理，碳化物控制水平和夾雜控制水平好于國(guó)外某廠家，退火硬度更低，材料的塑性更好，在對(duì)刀具塑性和韌性要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。