河冶及國外M42高速鋼質量對比與分析

侯國棟 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創新中心，河北 石家莊 052165；3.河北省高品質工模具材料重點實驗室，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]，被廣泛應用于制造對性能要求更高且使用壽命更長的刀具。為掌握國內外高性能高速鋼實物質量水平，該文對河冶及國外某廠家M42高速鋼各項指標進行檢驗對比。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

選取河冶生產規格為φ15mm的M42軋圓與國外某廠家生產的規格φ14mm的M42軋圓進行對比。

1.2 試驗方法

1.2.1 退火態樣品分析

采用LABS直讀光譜分析儀對2種材料的成分進行測定。沿棒材直徑方向切取金相試驗，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型金相顯微鏡進行組織形貌的觀察分析。分別KHT-600M采用布氏硬度計測量2個樣品的退火硬度值，測量時壓頭為直徑為1mm的硬質合金球（W），試驗時施加試驗力30kgf，保持時間20s。

1.2.2 熱處理態樣品分析

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

2 結果與分析

2.1 化學成分

根據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法》，采用光譜分析儀分別對2個樣品橫截面的不同位置進行檢測，以平均值作為最終的結果，2種M42高速鋼的主要元素化學分數見表1。

表1 試驗鋼的化學分數（質量分數）

2種M42高速鋼的化學成分都符合國標GB/T 9943—2008規定的范圍。與河冶M42相比，國外廠家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，高速鋼化學成分的波動直接影響淬回火硬度的高低。Cp相同時，隨著A增長，鋼的二次硬化能力上升，推測其硬度和紅硬性略高。S含量控制水平略低，推測鋼中夾雜較多。

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量少且分布相對分散，然而，鋼中的夾雜物因與基體膨脹系數不同，容易造成應力集中，最終導致發生開裂，在一定條件下能夠對鋼的韌性和塑性產生不良影響，因此需要嚴格控制高速鋼中的夾雜物[3]。2個樣品的非金屬夾雜和硬度檢測結果見表2，光學顯微鏡下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級的球狀氧化物外，還存在單顆粒球狀夾雜，國外廠家M42的單顆粒球狀夾雜達到2.5級，該種尺寸較大的夾雜物對鋼的韌性和塑性危害更嚴重，國外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 光學電鏡下試驗鋼中夾雜的形貌 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，其數量多，情況復雜，對鋼的各項性能都起著關鍵作用，所以研究碳化物對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，對性能和使用壽命產生顯著影響。對2種高速鋼樣品的共晶碳化物不均勻度、顆粒度和含量進行了測定，為了使檢測結果更加準確，減少不同位置對最終結果的影響，分別取5個不同位置進行檢測。

2.3.1 共晶碳化物不均勻度

共晶碳化物不均勻度是檢驗高速鋼質量的重要指標[5]，顯著影響制備出的刀具性能和使用壽命。根據國標GB/T 9943—2008規定，試樣截面尺寸≤40mm，共晶碳化物不均勻度合格級別為不大于3級[6]。根據國標評級圖對2種高速鋼樣品的共晶碳化物不均勻度進行評級，結果見表3。

表3 試驗鋼的共晶碳化物不均勻度（級）

由表3可以看出，國外廠家M42高速鋼樣品心部位置的共晶碳化物不均勻度超過國標的合格級別，并且D/4位置的不均勻度和河冶產品水平相比也較差。當高速鋼共晶碳化物不均勻度較差時，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，再加上應力集中，因此容易產生開裂。

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量的標準之一。對2種高速鋼樣品的碳化物最大顆粒進行檢測，評級結果見表4。對比M42高速鋼心部位置碳化物尺寸可以發現，河冶M42碳化物尺寸小于國外廠家M42，經過熱加工變形和退火后河冶M42中碳化物分解的更充分，碳化物顆粒尺寸細小、分布較均勻，有利于鋼的各項性能[7]，制造出來的產品也擁有較高的質量。國外廠家M42心部位置部分碳化物存在開裂，在外力作用下易造成內部缺陷，這些內部缺陷位置易產生微裂紋，直接影響鋼的韌性和塑性，造成刀具崩刃和掉齒而提前報廢。

表4 試驗鋼的碳化物最大顆粒（級）

2.3.3 碳化物分布和球形度

結合掃描電鏡和碳化物圖像信息提取與定量分析方法，對試驗鋼進行了碳化物面積占視場面積百分比的測量，以此作為檢測碳化物分布的方法。試驗鋼D/2位置碳化物數量分數、面積分數和球形度對比如圖3～圖5和表5所示。

圖3 不同尺寸碳化物相對數量分數對比

圖5 不同尺寸碳化物球形度對比

表5 碳化物分布和球形度對比

結合圖3～圖5的對比結果可以看出：1）國外M42鋼中尺寸≤0.2μm小顆粒碳化物較河冶M42中數量多，但因面積占比有限，對材料的性能影響較小。2）與河冶M42鋼相比，國外M42鋼中尺寸0.4μm～1.2μm小顆粒碳化物數量少、面積占比小。3）國外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高、硬度高、穩定性好和性脆等特點，尤其是尺寸較大的一次共晶碳化物，對高速鋼的質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為鋼的耐磨性能、塑性和韌性做出貢獻[9]，使鋼具備較好的冷熱塑性，變形容易，內部缺陷少，性能均勻。高速鋼原材料質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性能起了關鍵作用，因此需要重點觀測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）和硬度（HRC）

研究表明，M42高速鋼加熱到1000℃時就有明顯的硬化現象，隨著溫度的升高，淬火后的硬度增加并不明顯，當溫度超過1200℃時硬度反而下降，這與鋼中殘余奧氏體增多有關，此時碳化物全部溶解，晶粒發生長大。用于高速切削刀具的M42高速鋼一般在1150℃～1180℃范圍內進行淬火。在500℃～560℃回火，可以避免產生過熱、過燒和回火不足等現象，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量的重要標志。經對比發現，在相同淬火溫度淬火后，2個廠家的M42晶粒度級別相當。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，從而導致淬火硬度較低。

此外，在相同熱處理制度下，國外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，這與之前成分檢測結果國外M42的碳飽和度較高有關。

3 結論

國外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。國外M42中存在尺寸較大的單顆粒球狀夾雜，夾雜控制水平差。碳化物尺寸、分布和球形度方面，河冶M42明顯好于國外M42。國外M42退火硬度高，河冶M42基本控制在≤240HB。

綜上所述，與國外某廠家M42相比，河冶M42的成分設計合理，碳化物控制水平和夾雜控制水平好于國外某廠家，退火硬度更低，材料的塑性更好，在對刀具塑性和韌性要求較高的應用領域更具優勢。