M60 大丝锥开裂分析

摘要 摘要：规格为 M60 大丝锥，采用 M42 的钴系高速钢，使用不久便产生丝锥崩牙甚至断裂现象。经过试验分析，发现材料原始组织不佳；同时，着重展开了热处理过程的分析，发现工艺偏差，造成碳化物状态不良、硬度超标，这是丝锥崩牙的另一个重要因素。 

关键 关键词：共晶碳化物 丝锥开裂 金相分析 硬度超标 工艺偏差 

M60 大丝锥采用代号为 M42 的钴系高速钢制作而成功，丝锥头部 是 M42 材料，柄部采用 40Cr 焊接，M60 丝锥经过热处理后进公司检验， 发现个别丝锥，在锥部有裂纹；大部分丝锥，在螺母攻牙使用后不久， 产生丝锥崩牙断裂，不但费工费料，还严重影响了正常生产秩序。 M60 大丝锥断裂的原因何在？

一、丝锥的初始状态 

1. 材料 

丝锥的材料：是 W2Mo9Cr4VCo8W2Mo9Cr4VCo8 钴系高速钢，代号M42，是美国 AISI 标准的牌号，含钴 8% 左右的超硬高速工具钢。这 批材料的供应商是日本日立公司。 

2. 规格 

丝锥规格为 Φ60X175 的大丝锥。为了节省材料，丝锥的头部采 用 M42 材料，柄部采用 40Cr 焊接。 

3. 状态 

丝锥在完成机加工后，公司委外进行热处理加工。在入库检验 时发现个别丝锥已经形成裂纹；剩下大部分 M42 高速钢丝锥现场攻 牙，一些丝锥螺母攻牙不到二十个就产生丝锥断裂现象，另外稍微 好一些的丝锥，攻牙一百多个后也产生崩牙现象，断裂状况如下：（见图一 、图二）。 

图一 断裂在螺母内的丝锥头 图二 断裂的丝锥柄

4、断裂的部位

断裂区域是在焊接的上方、M42 材料处。（见图三 M60 大丝锥、 丝锥裂纹在焊接缝隙的上方、丝锥收尾处，图四是裂缝区域的剖面图， 见红色的圈圈内中心的线条）。

二、热处理方的检测报告 

M64 大丝锥的质量问题严重影响了生产，公司向委托方交涉，请 他们分析，去找出断裂的原因。经过检测分析，委托方得出了金相 检验合格、热处理正常的结论（见图五）。

图五 模具公司的分析报告

报告几点结论意见： 1、检测晶粒度为主，晶粒度为 10.0---9.5 级，合格； 2、有过热现象，过热组程度为 1 级； 3、回火程度为 1 级； 根据报告结论性意见，热处理属于正常范围。

三、公司的检测报告 

从模具公司的分析报告 , 可以看出报告存在严重的错误：首先 是取样的部位从图片 1 的取样来看：按照国家标准，应该取横截面 来检测材料的状况，而从模具公司的检测报告，是横截面取样，不 能真实地反映原始材料的组织真实状态；二是，高速钢检测的要点， 是共晶碳化物的形状与分布状况及共晶碳化物的颗粒的大小，这对 高速钢的性能起到决定性的作用；而模具公司横截面的金相组织， 反映热处理后的组织状态，况且金相图片不清晰、组织反映不全面。 我们按照国家标准，重新进行取样，从有螺纹的 M60 的丝锥尾 部横截面来取样（见图六）。

我们按照国家标准，重新进行取样，从有螺纹的 M60 的丝锥尾 部横截面来取样（见图六）。 将图六分为三个区域：分别为 A、B、C； 图六 丝锥尾部横截面 A 区是丝锥尾部区域，材料是 M42； B 区是裂缝区域，是在 M42 材料区域范围内部，而不是接柄的部位； C 区是柄部区域，材料是 40Cr。

图七 A 区丝锥尾部共晶碳化物 100X 图八 A 区尾部共晶碳化物成为网状 100X 图九 A 区裂纹上方大碳化物颗粒 100X

图十 B 区的裂纹状态 100X 图十一 B 区裂纹附近的共晶碳化物 500X 图十二 C 区 40Cr 状态 500X 图十三 C 区 40Cr 组织 500X

A 区 M42 材料的金相图片说明：图七丝锥尾部共晶碳化物带状偏析严重，共晶碳化物按照标准评级达到 6 级；图八丝锥尾部共晶碳化物已 经成为网状，材料的性能严重下降； B 区裂纹： 图九，在裂纹上方大碳化物颗粒非常大，碳化物的直径达到了 305.86µm 达到远远超过标准中 76µm 碳化物最大允许值的要求； 图十 裂纹在热处理后已经存在，它的的宽度达到 69.75µm；图十一 B 区的裂纹附近的共晶碳化物严重偏析。 C 区的图十二，材料是 40Cr，从金相图片中可以看出，在基体中存在大量的大块的铁素体：块状铁素体在组织中分布比较广泛，一些铁 素体沿晶界分布，成为网状或者半网状分布，按照评级标准，达到 8 级； C 区的图十三可以看出，调质后的组织内部，组织内的马氏体组织 成为条状和束状分布，说明回火组织不充分。C 区材料是 40Cr，不是主要部位，没有产生问题，不作进一步讨论。

再看丝锥各个区域的硬度检测，A 区是 M42 的材料，C 区是 40Cr 的材料。

区域 实测量硬度（HRC） 平均值 A 区 70.0 69.8 70.0 69.8 70.0 69.9 C 区 23.0 21.5 23.0 23.0 25.5 23.2

表一 硬度检测表格 

从硬度检测表中，同样可以看出，硬度偏高，达到 70HRC，超过 ≥ 68HRC 的技术要求，从另一个侧面可以说明回火不充分，增加了 材料的脆性。 

四、检测报告分析 

1. 材料存在问题分析 M42 是钴系莱氏体钢；钢材中的共晶是在钢铁冶练过程中，在冷 却中碳化物直接从钢液中共同结晶析出的碳化物，称为共晶碳化物； 共晶中碳化物称为初生碳化物，也称为一次渗碳体；在冶练工艺中， 稍有偏差，就容易产生会网状、鱼骨状的粗大共晶碳化物，这些粗 大的、不均匀的共晶碳化物容易呈晶界分布；粗大的共晶碳化物脆 性大，难以采用普通的热处理工艺进行消除，即使进行高温扩散退 火，效果也不是十分理想；因此，首先必须严格的控制原材料的质量。 粗大的共晶碳化物、网状分布的碳化物，是材料冶炼过程中工艺控 制不当引起的。　　 共晶碳化物状态的不良，会直接影响到攻牙丝锥的质量。如果 共晶碳化物不均匀度、碳化物颗粒，级别比较高，采用这样材料制 成的丝锥，会造成质量比较差，使用寿命短的状况，公司当前的大 丝锥就存在严重的材质不佳状况。 根据 GB/T 14979-94《钢的共晶碳化物不均匀度》的国家标准， 钢的共晶碳化物不均匀度可以分为六套评级图片系列，每一套评级 图片可以分为 8 个级别。根据不同的材料、不同的加工方法、不同 的线材直径，采用金相制样的方法，对照图谱进行分析判定。 高速工具钢可以根据 GB/T 9943-2008《高速工具钢》的标准要 求进行评定 , 公司生产的丝锥规格在 M60mm，因此原材料根据国家标 准，中等规格的材料，共晶碳化物不均匀度要求控制在 4 级左右， 大于 5 级不符合技术要求，会产生使用寿命短、容易崩刃、甚至断 裂失效现象。上面带状碳化物已经达到 6 级，不符合技术要求，是 造成开裂的原因之一。

截面尺寸（直径、边长、厚度或 对边距离）/mm 共晶碳化物不均匀度合格级别 / 级，不大于≦ 40 3 ＞ 40-60 4 ＞ 60-80 5 ＞ 80-100 6 ＞ 100-120 7

截面尺寸（直径、边长、厚度或 对边距离）/mm 共晶碳化物不均匀度合格级别 / 级，不大于 ＞ 120-160 6A、5B ＞ 160-200 7A、6B ＞ 200-250 8A、7B

表二 线材直径与碳化物不均匀度级别 

同时碳化物的大小对材料也有一定的关联，同样会影响到产品 的质量，碳化物颗粒与原材料一般直径大小有直接的关系，线材直 径越小，要求碳化物颗粒越小。

具体要求见表三。 钢棒尺寸 /mm 合格级别，不大于 ≦ 15 1 ＞ 15-40 2 ＞ 40-80 3 ＞ 80-120 4 ＞ 120 双方协议 

表三 直径与碳化物颗粒 

显然，这批 M42 钢在冶炼过程中，出现了冶炼偏差；共晶碳化 物的颗粒太大，超过了 Φ40---Φ80 线径，控制在 3 级以内的标准， 而目前共晶碳化物已经达到 7 级，不符合技术要求，不适宜制作丝锥。 

2. 热处理工艺偏差 

丝锥质量与热处理工艺不当，存在因果关系，从上面检测报告 中可以看出 M60 大丝锥热处理工艺存在几处问题： （1）有过热现象，过热组程度为 1 级（见模具公司报告），能 够造成组织晶粒粗大，增加脆性； （2）C 区图十二的组织铁素体分布不均匀，存在大块状和网状， 根据标准要求进行评定，共晶碳化物评为 7 级； （3）C 区图十三调质后存在残余马氏体痕迹，组织转变不充分， 说明回火严重不足； （4）调质后，A 区 M42 材料的硬度达到 70HRC，超过公司要求 HRC66——HRC68，硬度偏高，不但说明回火不充分；并且增加了材 料的脆性。 （5）热处理工艺不到位，碳化物的尖角状（图十五大块碳化物 左下角），小凸起，（图十四大块碳化物右下角小凸起和左边尖角）； 如果经过热处理加热到位，这些细小碳化物应该融入奥氏体组织中， 在热处理后，从而达到改善组织、改变碳化物形状及分布的作用。 但是从图十四、图十五中可以看出从碳化物的形状中并没有改 变可以看出：一些边缘凸出的图十四红色圈圈、及尖角状图十五蓝 色的圈圈，这些细小的碳化物仍然存在，如果热处理工艺到位，通 过热处理加热过程，这些细微的碳化物应该溶解消除，但是目前仍 然存在。

图十四 大块碳化物右下角 图十五 大块碳化物左下角

五、与模具公司商讨及检测整理及善后处理 

1. 碳化物状态：材料中尖角状及凸出的碳化物，合理的热处理 工艺应该予以消除，但是图十四中，这种状态的碳化物依然存在， 说明热处理工艺没有到位，存在偏差，没有改善碳化物的状态。 2. 上面硬度检测表格中，硬度达到 HRC70, 经过 2018 年 9 月 22 日现场探讨，并且双方共同到实验室现场检测，检测试验后硬度分 别为：HRC70、HRC70.5、HRC70，平均硬度大于 HRC70；超过了技术 要求≤ HRC68 的要求。这样硬度增加的同时，韧性有所下降，增加 了脆性断裂的几率。 3. 同时高硬度也反映了回火不充分，回火温度偏低、回火时间 不足，组织应力仍然存在。 4. 过热组程度的存在（见模具公司报告），能够造成组织晶粒 粗大，增加脆性。 以上几点都说明热处理工艺不到位，存在严重的偏差，是造成 丝锥使用寿命低、个别形成开裂甚至断裂的主要原因之一。 5、热处理工艺优化能够改变共晶碳化物组织的状态、提高产品 的使用寿命，例如：Cr12MoV 材料幅条丝板，同样是共晶碳化物组织 结构；采用同一种材料、同一批次生产的产品，在不同的热处理参 数进行加工；由于工艺不同，碳化物形状会有很大的改变。新热处 理工艺，工艺参数到位，处理后碳化物分布比较细小、尖角状及凸出的碳化物基本消除（见图十六 b 新工艺）。反之，热处理工艺参 数不到位的，碳化物明显粗大（见图十六 a 老工艺）。工艺改变后， 幅条丝板的使用寿命成倍增加，见 **1。

          a 老工艺                                          b 新工艺

图十六 不同工艺状态的碳化物状态 **1

6. 在事实面前，模具公司不得不承认热处理工艺存在偏差；同 时，公司重新拿出 12 支丝锥，请模具公司再一次进行热处理，并且 强调 M42 钴系高速钢热处理工艺的特殊性。 在 12 支丝锥热处理后，使用寿命虽然没有达到以前正常水平， 但是比前一批热处理的丝锥有所提高，丝锥使用寿命普遍提高了 2— 3 倍，每一支丝锥能够正常使用，没有出现开裂的现象，公司可以接 受（因为除了热处理工艺外，丝锥使用寿命还与材料因素有关）。 

六、结论 

经过前面分析，共晶碳化物颗粒粗大，超过了标准要求，碳化 物成网状分布，是原材料造成的先天不足（GB/T 14979）。而尖角状 及凸出的碳化物，经过热处理依然存在，没有消除，说明热处理加 热过程中工艺不到位、存在偏差；而硬度超过技术要求，反映了回 火不充分、应力没有充分消除，增加了脆性而引起的开裂的可能性！ M60X175 大丝锥断裂原因是：M42 钴系高速钢的材料不符合标准， 再加上热处理工艺存在严重偏差，二者叠加造成丝锥裂缝，最终形 成丝锥断裂。

参考文献

1、**1《金属热处理学报 第七次全国热处理大会专辑》P291< 幅条丝板工艺探索 > 中图 3 不同工艺光镜照片 阎振中 章志英 

2、GB/T 9943-2008《高速工具钢》 

3、GB/T 14979-94《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》 

4、GB/T 9986-2013《工具钢热处理金相检验机械行业标准》 

5、GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》 

6、GB/T 13220-2007《钢质模锻金相组织评级及评定方法》 

7、《工具钢及热处理》辽宁科学技术出版社 2009 年 3 月版姚艳书 唐殿福主编8、《金属材料金相热处理检验方法标准汇编》冶金工业信息标准研究院标化研究所编 中国标准出版社 2006 年 11 月出版

参考文献