河冶及国外M42高速钢质量对比与分析

侯国栋 米永旺 李 惠，2 尤晓东，2，3

（1.河冶科技股份有限公司，河北 石家庄 052165；2.河北省高速工具钢技术创新中心，河北 石家庄 052165；3.河北省高品质工模具材料重点实验室，河北 石家庄 052165）

M42钢作为一种通用超硬高性能高速钢，因加入了V、Co等合金元素而提高了钢的耐磨性和红硬性[1-2]，被广泛应用于制造对性能要求更高且使用寿命更长的刀具。为掌握国内外高性能高速钢实物质量水平，该文对河冶及国外某厂家M42高速钢各项指标进行检验对比。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

选取河冶生产规格为φ15mm的M42轧圆与国外某厂家生产的规格φ14mm的M42轧圆进行对比。

1.2 试验方法

1.2.1 退火态样品分析

采用LABS直读光谱分析仪对2种材料的成分进行测定。沿棒材直径方向切取金相试验，将试样打磨抛光后，浸入4%硝酸酒精腐蚀，取出后吹干，利用LEICA DMILM型金相显微镜进行组织形貌的观察分析。分别KHT-600M采用布氏硬度计测量2个样品的退火硬度值，测量时压头为直径为1mm的硬质合金球（W），试验时施加试验力30kgf，保持时间20s。

1.2.2 热处理态样品分析

在YGQ-80真空高压气淬炉中分别进行1160℃和1180℃淬火，再进行550℃回火真空回火，每次1h共进行3次。热处理后采用TH550洛氏硬度计测量样品的淬火回火硬度值。

2 结果与分析

2.1 化学成分

根据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》，采用光谱分析仪分别对2个样品横截面的不同位置进行检测，以平均值作为最终的结果，2种M42高速钢的主要元素化学分数见表1。

表1 试验钢的化学分数（质量分数）

2种M42高速钢的化学成分都符合国标GB/T 9943—2008规定的范围。与河冶M42相比，国外厂家M42钢中的Mo、Mn含量略低，Si含量略高，其他主要元素含量与河冶相差不大。该厂家M42钢的碳饱和度A=Cs/Cp稍高，高速钢化学成分的波动直接影响淬回火硬度的高低。Cp相同时，随着A增长，钢的二次硬化能力上升，推测其硬度和红硬性略高。S含量控制水平略低，推测钢中夹杂较多。

2.2 夹杂和硬度分析

与碳化物相比，高速钢中的夹杂虽然数量少且分布相对分散，然而，钢中的夹杂物因与基体膨胀系数不同，容易造成应力集中，最终导致发生开裂，在一定条件下能够对钢的韧性和塑性产生不良影响，因此需要严格控制高速钢中的夹杂物[3]。2个样品的非金属夹杂和硬度检测结果见表2，光学显微镜下2种高速钢中的夹杂形貌如图1所示。由表2可以看出，2种高速钢中的夹杂除0.5级的球状氧化物外，还存在单颗粒球状夹杂，国外厂家M42的单颗粒球状夹杂达到2.5级，该种尺寸较大的夹杂物对钢的韧性和塑性危害更严重，国外M42钢的退火硬度也比河冶M42高。由此可以看出，河冶M42钢无论在非金属夹杂还是退火硬度方面控制水平都更好。

图1 光学电镜下试验钢中夹杂的形貌 500×

图2 扫描电镜下的碳化物形貌 1000×

表2 试验钢的非金属夹杂及硬度

2.3 碳化物

碳化物是高速钢中的重要组成部分，其数量多，情况复杂，对钢的各项性能都起着关键作用，所以研究碳化物对高速钢具有重要意义[4]。M42高速钢的合金元素含量较高，含有大量一次碳化物，对性能和使用寿命产生显著影响。对2种高速钢样品的共晶碳化物不均匀度、颗粒度和含量进行了测定，为了使检测结果更加准确，减少不同位置对最终结果的影响，分别取5个不同位置进行检测。

2.3.1 共晶碳化物不均匀度

共晶碳化物不均匀度是检验高速钢质量的重要指标[5]，显著影响制备出的刀具性能和使用寿命。根据国标GB/T 9943—2008规定，试样截面尺寸≤40mm，共晶碳化物不均匀度合格级别为不大于3级[6]。根据国标评级图对2种高速钢样品的共晶碳化物不均匀度进行评级，结果见表3。

表3 试验钢的共晶碳化物不均匀度（级）

由表3可以看出，国外厂家M42高速钢样品心部位置的共晶碳化物不均匀度超过国标的合格级别，并且D/4位置的不均匀度和河冶产品水平相比也较差。当高速钢共晶碳化物不均匀度较差时，由于碳化物集中处碳和合金元素大量集中，材料的塑性很差，再加上应力集中，因此容易产生开裂。

2.3.2 碳化物最大颗粒尺寸

碳化物颗粒的大小也是衡量高速钢质量的标准之一。对2种高速钢样品的碳化物最大颗粒进行检测，评级结果见表4。对比M42高速钢心部位置碳化物尺寸可以发现，河冶M42碳化物尺寸小于国外厂家M42，经过热加工变形和退火后河冶M42中碳化物分解的更充分，碳化物颗粒尺寸细小、分布较均匀，有利于钢的各项性能[7]，制造出来的产品也拥有较高的质量。国外厂家M42心部位置部分碳化物存在开裂，在外力作用下易造成内部缺陷，这些内部缺陷位置易产生微裂纹，直接影响钢的韧性和塑性，造成刀具崩刃和掉齿而提前报废。

表4 试验钢的碳化物最大颗粒（级）

2.3.3 碳化物分布和球形度

结合扫描电镜和碳化物图像信息提取与定量分析方法，对试验钢进行了碳化物面积占视场面积百分比的测量，以此作为检测碳化物分布的方法。试验钢D/2位置碳化物数量分数、面积分数和球形度对比如图3～图5和表5所示。

图3 不同尺寸碳化物相对数量分数对比

图5 不同尺寸碳化物球形度对比

表5 碳化物分布和球形度对比

结合图3～图5的对比结果可以看出：1）国外M42钢中尺寸≤0.2μm小颗粒碳化物较河冶M42中数量多，但因面积占比有限，对材料的性能影响较小。2）与河冶M42钢相比，国外M42钢中尺寸0.4μm～1.2μm小颗粒碳化物数量少、面积占比小。3）国外M42中7μm～8μm的大颗粒碳化物面积占比高于河冶M42。4）纵观不同尺寸范围，河冶M42碳化物球形度更好。

高速钢碳化物具有熔点高、硬度高、稳定性好和性脆等特点，尤其是尺寸较大的一次共晶碳化物，对高速钢的质量和性能有较大的影响[8]。综合碳化物尺寸、分布和球形度方面，河冶M42明显好于国外M42。这些分散在基体中、外形呈球状或近球状的小颗粒碳化物能够为钢的耐磨性能、塑性和韧性做出贡献[9]，使钢具备较好的冷热塑性，变形容易，内部缺陷少，性能均匀。高速钢原材料质量也是影响刀具使用寿命的重要因素之一，作为高速钢组织中的重要组成部分，碳化物的颗粒大小、形状和分布均匀性对性能起了关键作用，因此需要重点观测原材料的碳化物情况。

2.4 热处理组织和硬度

热处理后晶粒度和硬度见表6。

表6 热处理后晶粒度（级）和硬度（HRC）

研究表明，M42高速钢加热到1000℃时就有明显的硬化现象，随着温度的升高，淬火后的硬度增加并不明显，当温度超过1200℃时硬度反而下降，这与钢中残余奥氏体增多有关，此时碳化物全部溶解，晶粒发生长大。用于高速切削刀具的M42高速钢一般在1150℃～1180℃范围内进行淬火。在500℃～560℃回火，可以避免产生过热、过烧和回火不足等现象，以获得良好的二次硬化效果。

淬火晶粒大小是衡量高速钢刀具热处理质量的重要标志。经对比发现，在相同淬火温度淬火后，2个厂家的M42晶粒度级别相当。淬火温度高低决定晶粒度大小，淬火温度高晶粒度大，淬火温度低晶粒度小。在正常的淬火状况下，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钢中晶粒小，碳化物回溶较差，从而导致淬火硬度较低。

此外，在相同热处理制度下，国外M42淬火硬度比河冶M42高0.2HRC～0.3HRC，而回火硬度较河冶M42高0.4HRC～0.5HRC，这与之前成分检测结果国外M42的碳饱和度较高有关。

3 结论

国外M42中的Mo、Mn含量较低，Si含量较高，其他主要元素含量与河冶相差不大。碳饱和度较高，相同制度热处理后硬度稍高于河冶。国外M42中存在尺寸较大的单颗粒球状夹杂，夹杂控制水平差。碳化物尺寸、分布和球形度方面，河冶M42明显好于国外M42。国外M42退火硬度高，河冶M42基本控制在≤240HB。

综上所述，与国外某厂家M42相比，河冶M42的成分设计合理，碳化物控制水平和夹杂控制水平好于国外某厂家，退火硬度更低，材料的塑性更好，在对刀具塑性和韧性要求较高的应用领域更具优势。