摘要 摘要：規(guī)格為 M60 大絲錐，采用 M42 的鈷系高速鋼，使用不久便產(chǎn)生絲錐崩牙甚至斷裂現(xiàn)象。經(jīng)過試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)材料原始組織不佳；同時(shí)，著重展開了熱處理過程的分析，發(fā)現(xiàn)工藝偏差，造成碳化物狀態(tài)不良、硬度超標(biāo)，這是絲錐崩牙的另一個(gè)重要因素。 

關(guān)鍵 關(guān)鍵詞：共晶碳化物 絲錐開裂 金相分析 硬度超標(biāo) 工藝偏差 

M60 大絲錐采用代號為 M42 的鈷系高速鋼制作而成功，絲錐頭部 是 M42 材料，柄部采用 40Cr 焊接，M60 絲錐經(jīng)過熱處理后進(jìn)公司檢驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)個(gè)別絲錐，在錐部有裂紋；大部分絲錐，在螺母攻牙使用后不久， 產(chǎn)生絲錐崩牙斷裂，不但費(fèi)工費(fèi)料，還嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)秩序。 M60 大絲錐斷裂的原因何在？

一、絲錐的初始狀態(tài) 

1. 材料 

絲錐的材料：是 W2Mo9Cr4VCo8W2Mo9Cr4VCo8 鈷系高速鋼，代號M42，是美國 AISI 標(biāo)準(zhǔn)的牌號，含鈷 8% 左右的超硬高速工具鋼。這 批材料的供應(yīng)商是日本日立公司。 

2. 規(guī)格 

絲錐規(guī)格為 Φ60X175 的大絲錐。為了節(jié)省材料，絲錐的頭部采 用 M42 材料，柄部采用 40Cr 焊接。 

3. 狀態(tài) 

絲錐在完成機(jī)加工后，公司委外進(jìn)行熱處理加工。在入庫檢驗(yàn) 時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別絲錐已經(jīng)形成裂紋；剩下大部分 M42 高速鋼絲錐現(xiàn)場攻 牙，一些絲錐螺母攻牙不到二十個(gè)就產(chǎn)生絲錐斷裂現(xiàn)象，另外稍微 好一些的絲錐，攻牙一百多個(gè)后也產(chǎn)生崩牙現(xiàn)象，斷裂狀況如下：（見圖一 、圖二）。 

圖一 斷裂在螺母內(nèi)的絲錐頭 圖二 斷裂的絲錐柄

4、斷裂的部位

斷裂區(qū)域是在焊接的上方、M42 材料處。（見圖三 M60 大絲錐、 絲錐裂紋在焊接縫隙的上方、絲錐收尾處，圖四是裂縫區(qū)域的剖面圖， 見紅色的圈圈內(nèi)中心的線條）。

二、熱處理方的檢測報(bào)告 

M64 大絲錐的質(zhì)量問題嚴(yán)重影響了生產(chǎn)，公司向委托方交涉，請 他們分析，去找出斷裂的原因。經(jīng)過檢測分析，委托方得出了金相 檢驗(yàn)合格、熱處理正常的結(jié)論（見圖五）。

圖五 模具公司的分析報(bào)告

報(bào)告幾點(diǎn)結(jié)論意見： 1、檢測晶粒度為主，晶粒度為 10.0---9.5 級，合格； 2、有過熱現(xiàn)象，過熱組程度為 1 級； 3、回火程度為 1 級； 根據(jù)報(bào)告結(jié)論性意見，熱處理屬于正常范圍。

三、公司的檢測報(bào)告 

從模具公司的分析報(bào)告 , 可以看出報(bào)告存在嚴(yán)重的錯(cuò)誤：首先 是取樣的部位從圖片 1 的取樣來看：按照國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該取橫截面 來檢測材料的狀況，而從模具公司的檢測報(bào)告，是橫截面取樣，不 能真實(shí)地反映原始材料的組織真實(shí)狀態(tài)；二是，高速鋼檢測的要點(diǎn)， 是共晶碳化物的形狀與分布狀況及共晶碳化物的顆粒的大小，這對 高速鋼的性能起到?jīng)Q定性的作用；而模具公司橫截面的金相組織， 反映熱處理后的組織狀態(tài)，況且金相圖片不清晰、組織反映不全面。 我們按照國家標(biāo)準(zhǔn)，重新進(jìn)行取樣，從有螺紋的 M60 的絲錐尾 部橫截面來取樣（見圖六）。

我們按照國家標(biāo)準(zhǔn)，重新進(jìn)行取樣，從有螺紋的 M60 的絲錐尾 部橫截面來取樣（見圖六）。 將圖六分為三個(gè)區(qū)域：分別為 A、B、C； 圖六 絲錐尾部橫截面 A 區(qū)是絲錐尾部區(qū)域，材料是 M42； B 區(qū)是裂縫區(qū)域，是在 M42 材料區(qū)域范圍內(nèi)部，而不是接柄的部位； C 區(qū)是柄部區(qū)域，材料是 40Cr。

圖七 A 區(qū)絲錐尾部共晶碳化物 100X 圖八 A 區(qū)尾部共晶碳化物成為網(wǎng)狀 100X 圖九 A 區(qū)裂紋上方大碳化物顆粒 100X

圖十 B 區(qū)的裂紋狀態(tài) 100X 圖十一 B 區(qū)裂紋附近的共晶碳化物 500X 圖十二 C 區(qū) 40Cr 狀態(tài) 500X 圖十三 C 區(qū) 40Cr 組織 500X

A 區(qū) M42 材料的金相圖片說明：圖七絲錐尾部共晶碳化物帶狀偏析嚴(yán)重，共晶碳化物按照標(biāo)準(zhǔn)評級達(dá)到 6 級；圖八絲錐尾部共晶碳化物已 經(jīng)成為網(wǎng)狀，材料的性能嚴(yán)重下降； B 區(qū)裂紋： 圖九，在裂紋上方大碳化物顆粒非常大，碳化物的直徑達(dá)到了 305.86μm 達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)中 76μm 碳化物最大允許值的要求； 圖十 裂紋在熱處理后已經(jīng)存在，它的的寬度達(dá)到 69.75μm；圖十一 B 區(qū)的裂紋附近的共晶碳化物嚴(yán)重偏析。 C 區(qū)的圖十二，材料是 40Cr，從金相圖片中可以看出，在基體中存在大量的大塊的鐵素體：塊狀鐵素體在組織中分布比較廣泛，一些鐵 素體沿晶界分布，成為網(wǎng)狀或者半網(wǎng)狀分布，按照評級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到 8 級； C 區(qū)的圖十三可以看出，調(diào)質(zhì)后的組織內(nèi)部，組織內(nèi)的馬氏體組織 成為條狀和束狀分布，說明回火組織不充分。C 區(qū)材料是 40Cr，不是主要部位，沒有產(chǎn)生問題，不作進(jìn)一步討論。

再看絲錐各個(gè)區(qū)域的硬度檢測，A 區(qū)是 M42 的材料，C 區(qū)是 40Cr 的材料。

區(qū)域 實(shí)測量硬度（HRC） 平均值 A 區(qū) 70.0 69.8 70.0 69.8 70.0 69.9 C 區(qū) 23.0 21.5 23.0 23.0 25.5 23.2

表一 硬度檢測表格 

從硬度檢測表中，同樣可以看出，硬度偏高，達(dá)到 70HRC，超過 ≥ 68HRC 的技術(shù)要求，從另一個(gè)側(cè)面可以說明回火不充分，增加了 材料的脆性。 

四、檢測報(bào)告分析 

1. 材料存在問題分析 M42 是鈷系萊氏體鋼；鋼材中的共晶是在鋼鐵冶練過程中，在冷 卻中碳化物直接從鋼液中共同結(jié)晶析出的碳化物，稱為共晶碳化物； 共晶中碳化物稱為初生碳化物，也稱為一次滲碳體；在冶練工藝中， 稍有偏差，就容易產(chǎn)生會網(wǎng)狀、魚骨狀的粗大共晶碳化物，這些粗 大的、不均勻的共晶碳化物容易呈晶界分布；粗大的共晶碳化物脆 性大，難以采用普通的熱處理工藝進(jìn)行消除，即使進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退 火，效果也不是十分理想；因此，首先必須嚴(yán)格的控制原材料的質(zhì)量。 粗大的共晶碳化物、網(wǎng)狀分布的碳化物，是材料冶煉過程中工藝控 制不當(dāng)引起的。　　 共晶碳化物狀態(tài)的不良，會直接影響到攻牙絲錐的質(zhì)量。如果 共晶碳化物不均勻度、碳化物顆粒，級別比較高，采用這樣材料制 成的絲錐，會造成質(zhì)量比較差，使用壽命短的狀況，公司當(dāng)前的大 絲錐就存在嚴(yán)重的材質(zhì)不佳狀況。 根據(jù) GB/T 14979-94《鋼的共晶碳化物不均勻度》的國家標(biāo)準(zhǔn)， 鋼的共晶碳化物不均勻度可以分為六套評級圖片系列，每一套評級 圖片可以分為 8 個(gè)級別。根據(jù)不同的材料、不同的加工方法、不同 的線材直徑，采用金相制樣的方法，對照圖譜進(jìn)行分析判定。 高速工具鋼可以根據(jù) GB/T 9943-2008《高速工具鋼》的標(biāo)準(zhǔn)要 求進(jìn)行評定 , 公司生產(chǎn)的絲錐規(guī)格在 M60mm，因此原材料根據(jù)國家標(biāo) 準(zhǔn)，中等規(guī)格的材料，共晶碳化物不均勻度要求控制在 4 級左右， 大于 5 級不符合技術(shù)要求，會產(chǎn)生使用壽命短、容易崩刃、甚至斷 裂失效現(xiàn)象。上面帶狀碳化物已經(jīng)達(dá)到 6 級，不符合技術(shù)要求，是 造成開裂的原因之一。

截面尺寸（直徑、邊長、厚度或 對邊距離）/mm 共晶碳化物不均勻度合格級別 / 級，不大于≦ 40 3 ＞ 40-60 4 ＞ 60-80 5 ＞ 80-100 6 ＞ 100-120 7

截面尺寸（直徑、邊長、厚度或 對邊距離）/mm 共晶碳化物不均勻度合格級別 / 級，不大于 ＞ 120-160 6A、5B ＞ 160-200 7A、6B ＞ 200-250 8A、7B

表二 線材直徑與碳化物不均勻度級別 

同時(shí)碳化物的大小對材料也有一定的關(guān)聯(lián)，同樣會影響到產(chǎn)品 的質(zhì)量，碳化物顆粒與原材料一般直徑大小有直接的關(guān)系，線材直 徑越小，要求碳化物顆粒越小。

具體要求見表三。 鋼棒尺寸 /mm 合格級別，不大于 ≦ 15 1 ＞ 15-40 2 ＞ 40-80 3 ＞ 80-120 4 ＞ 120 雙方協(xié)議 

表三 直徑與碳化物顆粒 

顯然，這批 M42 鋼在冶煉過程中，出現(xiàn)了冶煉偏差；共晶碳化 物的顆粒太大，超過了 Φ40---Φ80 線徑，控制在 3 級以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)， 而目前共晶碳化物已經(jīng)達(dá)到 7 級，不符合技術(shù)要求，不適宜制作絲錐。 

2. 熱處理工藝偏差 

絲錐質(zhì)量與熱處理工藝不當(dāng)，存在因果關(guān)系，從上面檢測報(bào)告 中可以看出 M60 大絲錐熱處理工藝存在幾處問題： （1）有過熱現(xiàn)象，過熱組程度為 1 級（見模具公司報(bào)告），能 夠造成組織晶粒粗大，增加脆性； （2）C 區(qū)圖十二的組織鐵素體分布不均勻，存在大塊狀和網(wǎng)狀， 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行評定，共晶碳化物評為 7 級； （3）C 區(qū)圖十三調(diào)質(zhì)后存在殘余馬氏體痕跡，組織轉(zhuǎn)變不充分， 說明回火嚴(yán)重不足； （4）調(diào)質(zhì)后，A 區(qū) M42 材料的硬度達(dá)到 70HRC，超過公司要求 HRC66——HRC68，硬度偏高，不但說明回火不充分；并且增加了材 料的脆性。 （5）熱處理工藝不到位，碳化物的尖角狀（圖十五大塊碳化物 左下角），小凸起，（圖十四大塊碳化物右下角小凸起和左邊尖角）； 如果經(jīng)過熱處理加熱到位，這些細(xì)小碳化物應(yīng)該融入奧氏體組織中， 在熱處理后，從而達(dá)到改善組織、改變碳化物形狀及分布的作用。 但是從圖十四、圖十五中可以看出從碳化物的形狀中并沒有改 變可以看出：一些邊緣凸出的圖十四紅色圈圈、及尖角狀圖十五藍(lán) 色的圈圈，這些細(xì)小的碳化物仍然存在，如果熱處理工藝到位，通 過熱處理加熱過程，這些細(xì)微的碳化物應(yīng)該溶解消除，但是目前仍 然存在。

圖十四 大塊碳化物右下角 圖十五 大塊碳化物左下角

五、與模具公司商討及檢測整理及善后處理 

1. 碳化物狀態(tài)：材料中尖角狀及凸出的碳化物，合理的熱處理 工藝應(yīng)該予以消除，但是圖十四中，這種狀態(tài)的碳化物依然存在， 說明熱處理工藝沒有到位，存在偏差，沒有改善碳化物的狀態(tài)。 2. 上面硬度檢測表格中，硬度達(dá)到 HRC70, 經(jīng)過 2018 年 9 月 22 日現(xiàn)場探討，并且雙方共同到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場檢測，檢測試驗(yàn)后硬度分 別為：HRC70、HRC70.5、HRC70，平均硬度大于 HRC70；超過了技術(shù) 要求≤ HRC68 的要求。這樣硬度增加的同時(shí)，韌性有所下降，增加 了脆性斷裂的幾率。 3. 同時(shí)高硬度也反映了回火不充分，回火溫度偏低、回火時(shí)間 不足，組織應(yīng)力仍然存在。 4. 過熱組程度的存在（見模具公司報(bào)告），能夠造成組織晶粒 粗大，增加脆性。 以上幾點(diǎn)都說明熱處理工藝不到位，存在嚴(yán)重的偏差，是造成 絲錐使用壽命低、個(gè)別形成開裂甚至斷裂的主要原因之一。 5、熱處理工藝優(yōu)化能夠改變共晶碳化物組織的狀態(tài)、提高產(chǎn)品 的使用壽命，例如：Cr12MoV 材料幅條絲板，同樣是共晶碳化物組織 結(jié)構(gòu)；采用同一種材料、同一批次生產(chǎn)的產(chǎn)品，在不同的熱處理參 數(shù)進(jìn)行加工；由于工藝不同，碳化物形狀會有很大的改變。新熱處 理工藝，工藝參數(shù)到位，處理后碳化物分布比較細(xì)小、尖角狀及凸出的碳化物基本消除（見圖十六 b 新工藝）。反之，熱處理工藝參 數(shù)不到位的，碳化物明顯粗大（見圖十六 a 老工藝）。工藝改變后， 幅條絲板的使用壽命成倍增加，見 **1。

          a 老工藝                                          b 新工藝

圖十六 不同工藝狀態(tài)的碳化物狀態(tài) **1

6. 在事實(shí)面前，模具公司不得不承認(rèn)熱處理工藝存在偏差；同 時(shí)，公司重新拿出 12 支絲錐，請模具公司再一次進(jìn)行熱處理，并且 強(qiáng)調(diào) M42 鈷系高速鋼熱處理工藝的特殊性。 在 12 支絲錐熱處理后，使用壽命雖然沒有達(dá)到以前正常水平， 但是比前一批熱處理的絲錐有所提高，絲錐使用壽命普遍提高了 2— 3 倍，每一支絲錐能夠正常使用，沒有出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，公司可以接 受（因?yàn)槌藷崽幚砉に囃猓z錐使用壽命還與材料因素有關(guān)）。 

六、結(jié)論 

經(jīng)過前面分析，共晶碳化物顆粒粗大，超過了標(biāo)準(zhǔn)要求，碳化 物成網(wǎng)狀分布，是原材料造成的先天不足（GB/T 14979）。而尖角狀 及凸出的碳化物，經(jīng)過熱處理依然存在，沒有消除，說明熱處理加 熱過程中工藝不到位、存在偏差；而硬度超過技術(shù)要求，反映了回 火不充分、應(yīng)力沒有充分消除，增加了脆性而引起的開裂的可能性！ M60X175 大絲錐斷裂原因是：M42 鈷系高速鋼的材料不符合標(biāo)準(zhǔn)， 再加上熱處理工藝存在嚴(yán)重偏差，二者疊加造成絲錐裂縫，最終形 成絲錐斷裂。

參考文獻(xiàn)

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5、GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》 

6、GB/T 13220-2007《鋼質(zhì)模鍛金相組織評級及評定方法》 

7、《工具鋼及熱處理》遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 2009 年 3 月版姚艷書 唐殿福主編8、《金屬材料金相熱處理檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)匯編》冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院標(biāo)化研究所編 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 2006 年 11 月出版

參考文獻(xiàn)