W6Mo5Cr4V2丝锥断裂分析与讨论

佘昌俊

（镇江市产品质量监督检验中心，江苏 镇江 212132）

高速工具钢是含 C、W、Mo、Cr、V、Co、Al等的高合金钢，因具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、强度和韧性等优点被广泛应用于各种切削刀具。其中，W6Mo5Cr4V2是目前产量最大、应用最多的高速钢钢种，是制造复杂形状、高精度、高冲击负荷等苛刻条件下工作刀具的主要材料之一。

高速钢刀具在加工和使用过程中失效的方式有很多，如：使用过程中的磨损变钝等正常失效，材料组织缺陷、产品设计不当、热处理不当等非正常失效。其中正常失效可以通过修磨处理继续使用，而非正常失效不但大大缩短刀具的使用寿命，带来经济损失，还会危及使用者的人身安全。文章针对某厂生产的W6Mo5Cr4V2高速钢丝锥断裂的情况进行了分析讨论，确定了该钻头失效的主要原因以期为企业改进生产工艺提供指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

试验原材料为厂方提供的断裂失效W6Mo5Cr4V2丝锥，化学成分（质量分数/%）为0.89C，0.35Si，0.33Mn，0.022P，0.011S，3.92Cr，1.91V，6.1W，4.92Mo。

1.2 试验方法

在断裂失效丝锥上切取横向试样和纵向试样，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，用HXS-1000A显微硬度计测试硬度，用Zeiss Axio Scope A1金相显微镜进行显微组织观察

2 试验结果与分析

2.1 硬度测试

分别对W6Mo5Cr4V2丝锥的螺纹部分和柄部进行硬度试验，测试结果柄部38HRC，螺纹部分64.5 HRC，均达到GB/T 969-2007《丝锥技术条件》的技术要求。W6Mo5Cr4V2丝锥的淬回火硬度主要取决于W、Mo、Cr、V等坚硬的合金碳化物质点的数量、分布状态及合金的基体组织。

2.2 显微组织分析

图1是失效丝锥断口的宏观形貌，可以看出断口表面光滑平整，呈灰色，具有强烈的金属光泽，有明显的结晶颗粒，具有明显的脆性断裂形式，属于脆性断口。在断口的边缘处有明显的二次断裂痕迹，如图中箭头所示，表明材料极脆，工件极易断裂。这与失效丝锥掉落就发生断裂的事实是相吻合的。

图1 断口宏观形貌

图2为W6Mo5Cr4V2丝锥的横向组织，为回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒。可以看出，基体中的碳化物颗粒发了明显的偏聚长大，颗粒呈角状和岛链状不均匀分布。碳化物的尺寸和分布均匀性是决定高速钢质量的两个重要指标，碳化物颗粒尺寸越小、形态越圆润、分布越均匀，钢的质量越好。粗大角状和岛链状的碳化物易产生微裂纹，成为整个工件断裂的裂纹源。

图2 W6Mo5Cr4V2丝锥横向组织

从图2（b）中可以发现有明显的奥氏体晶界和δ共析体（黑色物质），可以判断组织出现了过热现象，晶间结合力变弱，造成钢的强度、韧性等力学指标的降低，在外力的作用下就容易产生断裂。

图3为W6Mo5Cr4V2丝锥的纵向组织，碳化物偏析严重，呈带状分布，根据GB/T 14979-1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》，碳化物不均匀度为5~6级。严重的碳化物偏析，导致钢中的化学成分和显微组织不均匀分布，在淬回火的过程中，碳化物带状附近区域中的奥氏体内的碳和合金元素会增加，从而钢的Ms点下降，过冷奥氏体稳定性增大，致使热处理后钢中的残余奥氏体增加，在碳化物带状附近呈现浅白色，在切削热的作用下，残余奥氏体向马氏体转变，而Ms点温度越低，奥氏体向马氏体转变时的比容变化越大，致使丝锥内应力增加而引起畸变与断裂。

图3 W6Mo5Cr4V2丝锥纵向组织

基体中的非金属夹杂物也是导致W6Mo5Cr4V2丝锥断裂失效重要因素之一，非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，割裂了基体组织，破坏了基体组织的连续性，加大了基体组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能，导致应力集中，产生夹杂裂纹。

3 结语

（1）碳化物尺寸粗大、形态不理想，在基体中偏析严重，呈带状分布以及过热是造成丝锥内应力增加而引起畸变与断裂主要原因；

（2）基体中的非金属夹杂物割裂了基体组织，破坏了基体组织的连续性，加大了基体组织的不均匀性，也是造成丝锥内应力增加产生夹杂裂纹的原因。在奥氏体温度下，长时间保温会造成碳化物颗粒偏聚、粗化，通过减少装炉量，缩短保温时间证实可以显著改善碳化物的偏聚和粗化现象。

其次，高速钢的基体中固溶有大量的合金元素，使得淬火后产生大量的残余奥氏体，这些残余奥氏体在丝锥工作过程中由于冷热疲劳极易产生裂纹，因此优化热处理工艺，如多次回火［4］，减少残余奥氏体是减小工件断裂的有效途径。

此外，高速钢热处理的温度高，在高温下容易发生氧化和脱碳，因此热处理过程应使用盐浴或真空加热，对工件多次预热，使用等温或分级淬火以减小刀具的变形和开裂。