模具高速钢SKH51裂纹成因分析

奇雨承

某模具厂生产的Φ13mm的圆柱形模具的材质为SKH51（日本JIS牌号，等同于我国的W6Mo5Cr4V2），其在机加工后发现存在裂纹。其生产工艺为锻造后，加热到1220℃保温1h后，于560℃分级后空冷，再加热到560℃保温1h后空冷，回火3次。对产生裂纹的模具进行了外观检查，化学成分分析，金相检验和硬度测试，并对其裂纹产生原因进行了分析。

该工件表面光亮，端部存在多条纵向微小裂纹，长短不一，间断或连续，多数呈条状分布，单条或多条平行于磨削方向，最长裂纹约15cm。在裂纹处取样，进行化学成分分析，发现合金元素Mo、V含量偏低。在裂纹近区取横剖面试样，经镶嵌，研磨和抛光后用4%硝酸酒精溶液侵蚀，分别在100倍和500倍光学显微镜下观察。基体组织：回火马氏体+残余奥氏体+大块白色颗粒、粒状碳化物。存在非金属夹杂物：细系D0.5。裂纹附近两侧组织无明显差异，都聚集着大量颗粒状碳化物，裂纹深度约0.15mm，无脱碳现象，裂纹内无氧化物夹杂。纵向试样碳化物呈带状分布，碳化物不均匀度5～6级。在裂纹取样点附近进行硬度测试，结果为63HRC，符合GB/T9943-1988标准。

W-Mo系高速钢中，钼的存在可以降低碳化物偏析，钒可以使钢在加热时形成稳定性较高的V4C3，能阻止奥氏体晶粒的长大，使钢在回火后出现二次硬化。该工件由化学分析可知，Mo、V含量偏低，这是造成碳化物偏析严重的一个重要原因。严重的碳化物偏析，导致钢中化学成分及显微组织的不均匀性，由于局部基体贫碳及贫合金元素，熔点相应降低，致使碳化物堆集处的基体组织在淬火时容易产生过热而得到粗大马氏体和较多残余奥氏体。淬火时，带状碳化物处溶入奥氏体中的碳化物数量较多，奥氏体合金化程度相应提高，Ms点下降，淬火后残余奥氏体数量增多。较多残余奥氏体，在磨削过程中因磨削热作用，转变成马氏体组织，体积发生膨胀，产生新的内应力。回火时，一般基体的淬火马氏体充分得到回火，而带状偏析附近的基体，由于固溶较多合金元素，提高了抗回火性，使组织有些地方回火不足，留有较多残余拉应力。磨削加工时，多种应力综合，超过该材料强度极限，便引起表层磨削裂纹。

该工件严重的碳化物带状偏析是产生磨削裂纹的主要原因。因此建议厂方严格控制W-Mo系高速钢中合金元素含量；对偏析严重的原材应进行较大锻压比改锻，使碳化物偏析得到改善；对偏析不严重的工件，可再增加1～2道560℃回火，使组织回火均匀。