0 引言

M42（W2Mo9Cr4VCo8）為高碳高鈷鎢鉬系超硬高韌高速鋼，按照國標(biāo)GB/T 9943-2008規(guī)定化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，其中Mo、W、V等以碳化物形式存在，賦予該鋼良好的綜合力學(xué)性能，包括良好的紅硬性、高溫硬度和易磨削等特點(diǎn)，并具有較好的回火穩(wěn)定性及耐磨性，且易于加工成形

。Co使合金碳化物在淬火加熱時能更好溶入基體，增大基體硬度并提高其紅硬性和耐磨性，常用于加工碳鋼、合金鋼等材質(zhì)

，也適于制作高韌性精密刃具和模具。某高速沖壓工況下的高韌性精密耐磨五金沖模結(jié)構(gòu)如圖1所示，生產(chǎn)工藝主要采用母合金配料熔煉、電渣重熔、鍛造砂冷、熱軋爐冷、機(jī)加工以及最終熱處理，熱處理現(xiàn)場采用1 200℃箱式爐加熱氣淬，550℃三次回火，530℃氮化。

該模具用于某型號眼鏡框架的沖壓成形，正常情況工作受力遠(yuǎn)低于模具的設(shè)計許用應(yīng)力，因此能持續(xù)工作直至磨損導(dǎo)致配合尺寸超差失效，而該模具在工作約1 000次后發(fā)生非正常早期斷裂失效，為正常服役次數(shù)的20%，斷面如圖2所示，尺寸約為100 mm×190 mm×120 mm。

現(xiàn)對失效模具零件的材料成分、斷口形貌、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和熱加工工藝進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致失效的原因，為該模具零件材料選用和熱加工方法改進(jìn)積累數(shù)據(jù)。結(jié)合參考文獻(xiàn)[2]和實際制備工藝，一般認(rèn)為模具鋼的化學(xué)成分、熱加工工藝和顯微組織結(jié)構(gòu)是影響其早期失效的主要原因

。

1 理化分析及結(jié)果

1.1 斷口宏觀分析

M42模具鋼適用于冷作沖模，雖然工作時承受一定的壓力，但在設(shè)計時考慮了足夠的強(qiáng)度余量且設(shè)備工作狀態(tài)穩(wěn)定，正常條件下模具零件多為磨損超差報廢。失效模具零件斷面形貌如圖3所示，斷口整體較為平整，呈金屬光澤（氧化色是取樣過程存放導(dǎo)致），裂紋起源于模具零件上部邊緣位置，該位置承受壓應(yīng)力。裂紋源區(qū)有近似人字形條紋，整體有明顯圓弧狀；裂紋擴(kuò)展和瞬斷區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理形貌，屬于典型的脆性斷裂特征。

主成分與各個指標(biāo)的相關(guān)性程度可以由因子載荷的絕對值與1之間的靠近程度來說明。因子載荷的絕對值越接近1，表明該因子載荷所對應(yīng)的指標(biāo)與所提取的主成分之間的相關(guān)性越強(qiáng)。主成分的經(jīng)濟(jì)意義由各線性組合中權(quán)數(shù)較大的幾個綜合指標(biāo)的綜合意義來確定。

1.2 斷口微觀分析

斷口顯微形貌采用ZEISS EVO18電子掃描顯微鏡（SEM&EDX）按照裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的順序分別觀察。如圖4（a）所示，在近外壁裂紋源區(qū)的斷口表面有一定的凹凸起伏，有多個斷裂源，局部放大如圖4（b）所示，存在沿晶界的裂紋和白色脆性顆粒物，說明該區(qū)域在工作過程中較為脆弱，是裂紋源的起點(diǎn)。如圖5所示，在靠近裂紋擴(kuò)展區(qū)的裂紋源區(qū)，可見少量裂紋及河流狀準(zhǔn)解理斷裂形貌，表面未見脆性顆粒。如圖6所示，瞬斷區(qū)（近下表面）均呈現(xiàn)河流狀準(zhǔn)解理斷裂形貌，且瞬斷區(qū)由于靠近表面，也有少量裂紋，但裂紋未見明顯的氧化和過熱組織，可以排除模具零件外表面在機(jī)加工或工作過程中受熱或受力過大導(dǎo)致斷裂的情況。

按照國標(biāo)（GB/T 10561-2005）《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，將拋光未腐蝕的試樣表面利用光學(xué)金相顯微鏡（放大100倍）進(jìn)行非金屬夾雜物拍照、分析和評定，如圖7（a）所示，其非金屬夾雜物級別均不超過0.5級，判斷試樣的非金屬夾雜物屬正常等級。

1.3 斷面顯微組織觀察

同時對失效模具零件斷口的基體及碳化物顆粒進(jìn)行能譜分析，基體成分是以Fe為主（約75%），含有少量的合金元素，碳化物顆粒以Mo、W和V為主（約10%～30%），因此可知碳化物主要是Mo、W和V的合金碳化物。

生食沒有人為投入的食鹽、糖、香精、色素、防腐劑等物質(zhì)，也沒有油炸、熏烤過程帶來的丙烯酰胺、苯并芘等致癌物，因而沒有熟食加工時可能產(chǎn)生的潛在危害。

利用402MVD顯微維氏硬度計（0.3 kgf），參考GB/T 4340.1-2009《金屬材料空維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》對試樣進(jìn)行硬度檢測。從試樣表面垂直向心部測量硬度，并在3倍左右滲層深度的部位測得3個硬度值，然后求其平均值作為調(diào)質(zhì)后的基體硬度，具體數(shù)據(jù)如圖9所示。

綜上所述，斷裂源位于近表面處呈多點(diǎn)分散分布，結(jié)合在解理面中存在解理臺階形成明顯的河流狀花樣，宏觀上呈扇形分布

，初步認(rèn)為斷口形貌由解理特征主導(dǎo)，多源脆性解理斷裂為主要斷裂機(jī)制。

二是入駐企業(yè)質(zhì)量有待提高。入駐企業(yè)是孵化器的目標(biāo)客戶，孵化器應(yīng)結(jié)合自身服務(wù)企業(yè)的功能配置，選擇自身的特定目標(biāo)客戶，并通過對目標(biāo)客戶的培育，獲得相應(yīng)的收益。但Z公司迫于經(jīng)營壓力，未對入駐企業(yè)進(jìn)行甄別和篩選，造成科技型企業(yè)與房產(chǎn)、貿(mào)易等公司混雜入駐，導(dǎo)致入駐企業(yè)整體質(zhì)量不高。

將失效試樣拋光后利用4%硝酸酒精浸蝕，放大到500倍的金相顯微組織如圖7（b）所示，參照GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》標(biāo)準(zhǔn)中鎢鉬系淬火晶粒度評級圖進(jìn)行評級，其平均晶粒度為8.0級細(xì)晶粒，但個別晶粒尺寸偏大。而模具鋼材料顯微組織粗大，一般是由于淬火加熱溫度偏高或時間過長造成的結(jié)果

。

646 鈣泄漏發(fā)生機(jī)制及其與心房顫動作用關(guān)系的研究進(jìn)展 申 華，奚 望，王 擎，高 陽，李妙齡，王志農(nóng)

W2Mo9Cr4VCo8鋼屬于高碳高合金萊氏體鋼，化學(xué)成分參照國標(biāo)GB/T 9943-2008《高速工具鋼》，采用Foundry-Maste直讀光譜儀和CS-206紅外碳硫儀對其化學(xué)成分進(jìn)行檢測，并將測量值與國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，如表2所示，可知該模具合金元素含量符合國標(biāo)的要求。

從合金化學(xué)成分分析并結(jié)合參考文獻(xiàn)[10,11]的結(jié)果，Mo、W和V會優(yōu)先形成碳化物，特別是強(qiáng)碳化物形成元素V，會富集在晶界處，易形成硬度高、脆性大的VC，在晶界處萌生裂紋，成為失效斷裂的裂紋源，因此VC對凸模的韌性和塑形有較大的影響。

如圖8（b）、（d）所示，存在沿晶界不連續(xù)網(wǎng)狀分布碳化物，碳化物顆粒直徑約

2～

5 μm，存在少量大顆粒碳化物，測量該模具中大顆粒碳化物的最大尺寸為：（10.7+25.8）/2=18.3 μm。按照 GB/T 9943-2008《高速工具鋼》鎢鉬系高速工具鋼大顆粒碳化物的尺寸要求，其大塊碳化物的最大尺寸未超過6級（22.1 μm），符合該工具鋼國標(biāo)要求。再按照GB/T 14979-1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》中第二標(biāo)準(zhǔn)評級圖（適用于鎢鉬系高速工具鋼），對其共晶碳化物不均勻度進(jìn)行評定，其級別達(dá)到8級（最高級別），判斷共晶碳化物不均勻度級別較高。這些不規(guī)則球形和小顆粒應(yīng)是合金凝固過程中形成的圍繞晶胞的網(wǎng)狀共晶碳化物，由于析出不均勻且在后續(xù)鍛造退火過程中未得到有效破碎和分解，由參考文獻(xiàn)[13,14]可知，模具鋼的熱加工工藝會影響碳化物的尺寸和分布，而碳化物尺寸粗大、分布不均勻會降低其韌性和塑性。

1.4 化學(xué)成分檢測

圖8所示為高氯化鐵溶液浸蝕斷面的顯微組織，從表面至心部均存在晶粒粗大的現(xiàn)象，針狀馬氏體不明顯，并有明顯的碳化物沿晶界呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布。而該鋼種的使用態(tài)組織應(yīng)為針狀回火馬氏體、殘余奧氏體、共晶粒狀合金碳化物及粒狀二次碳化物。

在失效模具零件斷裂位置截取試樣，分別對試樣進(jìn)行拋光與4%硝酸酒精浸蝕、高氯化鐵溶液浸蝕處理，然后使用金相顯微鏡（BX53M）進(jìn)行觀察，獲得試樣的非金屬夾雜物形貌、晶粒度及共晶碳化物分布，將斷面拋光態(tài)和浸蝕后顯微組織形貌進(jìn)行觀察對比，斷裂源的近表面和基體組織無明顯差異，是失效試樣非金屬夾雜物形貌。

1.5 表層-心部硬度檢測

女人從病歷上看到這個女患者是白天送進(jìn)來的，腎結(jié)石嘌呤代謝失常，已出現(xiàn)腎盂粘膜。女人禁不住火氣上竄，問身后的那個實習(xí)護(hù)士病人怎么就無端的離開病房了呢？實習(xí)的女護(hù)士年紀(jì)很小，大概也就是個衛(wèi)校畢業(yè)生，早已臉紅心跳的低下頭不說話。

由圖9可以看出，顯微硬度自表面至心部先增加后逐漸降低，硬度最大位于0.1 mm深的滲氮層處，約935 HV。心部從0.28 mm后硬度約為855～860 HV，因此判定表面氮化層

深度約為0.28 mm。對比該模具鋼的使用性能要求，表面層硬度分布符合工藝設(shè)計要求。

2 分析

對失效模具鋼進(jìn)行了化學(xué)成分及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的測試和分析，模具鋼的材質(zhì)成分、硬度符合國標(biāo)GB/T 9943-2008中鋼的化學(xué)成分要求。模具鋼的表面和心部的組織和顯微硬度符合預(yù)期要求。

綜合材料使用工況，該模具已進(jìn)行了批量生產(chǎn)，機(jī)加工工藝較為成熟，可以排除材料選擇、工藝設(shè)計等異常原因，因此重點(diǎn)分析該失效件的內(nèi)部組織，存在個別較為粗大的共晶碳化物。對試驗結(jié)果進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，造成其斷裂的2個影響因素分別為共晶碳化物不均勻度較高和晶粒組織粗大，這可能是鑄態(tài)組織遺傳，在鍛造退火過程中未能對共晶碳化物進(jìn)行有效破碎和分解。這類碳化物的不均勻分布對鋼的力學(xué)性能有較大的影響，即碳化物顆粒尺寸細(xì)小、分布均勻是該類模具鋼獲得良好使用壽命的重要因素。

其次，M42模具鋼的熱加工技術(shù)要求較高，M42模具鋼的過熱敏感性大，淬火加熱范圍較窄，溫度控制在（1 190±10）℃，保溫時間按照厚度15～18 s/mm計算。通過追溯M42模具鋼熱處理工藝：淬火（730～840℃預(yù)熱，1 170～1 190℃鹽浴或1 180～1 200℃箱式爐加熱，油冷）、回火（530～550℃三次回火，每次2 h）、使硬度不低于66 HRC。現(xiàn)場熱處理工藝：1 200℃箱式爐加熱氣淬，550℃三次回火，530℃氮化。從現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)模具鋼淬火過程中存在一定的溫度波動（10～20℃），易產(chǎn)生局部過熱，導(dǎo)致晶粒長大和不均勻變形。考慮該模具的實際尺寸，存在局部薄壁處溫度偏高或保溫時間過長的情況，合金碳化物溶解程度增加，導(dǎo)致模具鋼的邊緣組織淬火后出現(xiàn)異常粗大，降低了模具鋼的韌性和塑性，造成早期失效。

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3 結(jié)束語

（1）從分析結(jié)果看，共晶碳化物不均勻度級別較高，最直接的原因是鍛造工藝選用不當(dāng)或變形不充分，鍛造過程未能實現(xiàn)碳化物的完全均勻破碎。建議改進(jìn)措施為：質(zhì)量要求較高的模具鋼采用快鍛開坯、大變形多次墩拔的鍛造工藝參數(shù)，確保從源頭和過程控制共晶碳化物形態(tài)與分布。

（2）顯微組織的個別晶粒尺寸偏大，是由于模具零件在淬火時加熱溫度較高、保溫時間偏長，使組織粗化，大尺寸的晶粒存在會降低材料的韌性，造成模具零件早期脆斷失效。建議熱處理企業(yè)通過優(yōu)化淬火工藝，避免淬火加熱溫度過高造成晶粒粗大缺陷，跟蹤該模具后續(xù)生產(chǎn)批次的使用情況，確保未再次發(fā)生此類異常失效。

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