0 引 言

　　M42（W2Mo9Cr4VCo8）為高碳高鈷鎢鉬系超硬高韌高速鋼，按照國標GB/T 9943-2008規定化學成分的質量分數如表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性能，包括良好的紅硬性、高溫硬度和易磨削等特點，并具有較好的回火穩定性及耐磨性，且易于加工成形[1,2]。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[3-5]，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構如圖1所示，生產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、機加工以及最終熱處理，熱處理現場采用1 200 ℃箱式爐加熱氣淬，550 ℃三次回火，530 ℃氮化。

表1   M42模具鋼的化學成分 ( 質量分數 )

　　圖1   模具結構

　　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低于模具的設計許用應力，因此能持續工作直至磨損導致配合尺寸超差失效，而該模具在工作約1 000次后發生非正常早期斷裂失效，為正常服役次數的20%，斷面如圖2所示，尺寸約為100 mm×190 mm×120 mm。

圖2   失效模具零件斷面

　　現對失效模具零件的材料成分、斷口形貌、內部組織結構和熱加工工藝進行分析，找出導致失效的原因，為該模具零件材料選用和熱加工方法改進積累數據。結合參考文獻[2]和實際制備工藝，一般認為模具鋼的化學成分、熱加工工藝和顯微組織結構是影響其早期失效的主要原因[4]。

　　1 理化分析及結果

　　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，但在設計時考慮了足夠的強度余量且設備工作狀態穩定，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致），裂紋起源于模具零件上部邊緣位置，該位置承受壓應力。裂紋源區有近似人字形條紋，整體有明顯圓弧狀；裂紋擴展和瞬斷區呈現準解理形貌，屬于典型的脆性斷裂特征。

圖3   失效模具零件斷面形貌

　　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、裂紋擴展區和瞬斷區的順序分別觀察。如圖4（a）所示，在近外壁裂紋源區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，說明該區域在工作過程中較為脆弱，是裂紋源的起點。如圖5所示，在靠近裂紋擴展區的裂紋源區，可見少量裂紋及河流狀準解理斷裂形貌，表面未見脆性顆粒。如圖6所示，瞬斷區（近下表面）均呈現河流狀準解理斷裂形貌，且瞬斷區由于靠近表面，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加工或工作過程中受熱或受力過大導致斷裂的情況。

圖4   裂紋源區SEM形貌

圖5   裂紋擴展區SEM形貌

圖6   瞬斷區SEM形貌

　　綜上所述，斷裂源位于近表面處呈多點分散分布，結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[6-8]，初步認為斷口形貌由解理特征主導，多源脆性解理斷裂為主要斷裂機制。

　　1.3 斷面顯微組織觀察

　　在失效模具零件斷裂位置截取試樣，分別對試樣進行拋光與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，將斷面拋光態和浸蝕后顯微組織形貌進行觀察對比，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。

　　按照國標（GB/T 10561-2005）《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標準評級圖顯微檢驗法》，將拋光未腐蝕的試樣表面利用光學金相顯微鏡（放大100倍）進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。

　　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》標準中鎢鉬系淬火晶粒度評級圖進行評級，其平均晶粒度為8.0級細晶粒，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果[9-12]。

　　圖7   非金屬夾雜物形貌

　　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象，針狀馬氏體不明顯，并有明顯的碳化物沿晶界呈不連續網狀分布。而該鋼種的使用態組織應為針狀回火馬氏體、殘余奧氏體、共晶粒狀合金碳化物及粒狀二次碳化物。

　　圖8   共晶碳化物組織形貌

　　如圖8（b）、（d）所示，存在沿晶界不連續網狀分布碳化物，碳化物顆粒直徑約φ2~φ5 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》中第二標準評級圖（適用于鎢鉬系高速工具鋼），對其共晶碳化物不均勻度進行評定，其級別達到8級（最高級別），判斷共晶碳化物不均勻度級別較高。這些不規則球形和小顆粒應是合金凝固過程中形成的圍繞晶胞的網狀共晶碳化物，由于析出不均勻且在后續鍛造退火過程中未得到有效破碎和分解，由參考文獻[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。

　　從合金化學成分分析并結合參考文獻[10,11]的結果，Mo、W和V會優先形成碳化物，特別是強碳化物形成元素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。

　　1.4 化學成分檢測

　　W2Mo9Cr4VCo8鋼屬于高碳高合金萊氏體鋼，化學成分參照國標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成分進行檢測，并將測量值與國家標準進行比較，如表2所示，可知該模具合金元素含量符合國標的要求。

　　表2   失效模具鋼的化學成分 ( 質量分數 )

　　同時對失效模具零件斷口的基體及碳化物顆粒進行能譜分析，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。

　　1.5 表層-心部硬度檢測

　　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質后的基體硬度，具體數據如圖9所示。

　　圖9   表面層深度測試

　　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[15,16]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計要求。