H13齒輪熱鍛模具失效分析

重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084

某公司生產的一批汽車齒輪熱鍛模具在使用過程中發現模具耐磨性較差，據了解，與正常批次的模具相比，該批次模具加工齒輪件數同比減少了約50%，模具使用壽命大幅度縮短，同時也影響到齒輪坯的外形尺寸。該批模具材質為H13齒輪，其主要生產工藝過程如下：中頻感應熔煉→電渣重熔→鍛造→熱處理→模具加工。模具的熱處理工藝為1090℃真空油淬+3次回火，回火溫度分別為610℃、620℃、600℃。為了查找模具失效原因，防止產品再次出現此類問題，文章對失效模具樣品進行了檢測和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

失效模具樣品為使用過后的模具，該模具已加工齒輪坯約1000件，其工作面有明顯氧化變色，模具工作面的棱角處有較嚴重的倒角崩塌現象，工作面平面處未發現明顯可見的凹坑及變形痕跡，齒輪熱鍛模1/4工作面如圖1所示。為了便于檢測分析，文章采用線切割方式在該部位切取檢測所需樣品，對試樣進行硬度檢測和金相高倍觀察。

圖1 齒輪熱鍛模1/4工作面

1.2 成分分析

采用德國SPECTRO直讀光譜儀和紅外碳硫儀對模具進行了化學成分分析，結果如表1所示。從表1中可以看出，該模具材質中化學成分符合《合金工具鋼》（GB/T 1299—2000）中H13熱作模具鋼的要求。

表1 模具化學成分含量 單位：%

1.3 硬度檢測

使用HR-150A洛氏硬度計對模具樣品的不同部位進行硬度檢測，檢測結果如表2所示。從表2中可以看出，模具硬度不符合標準要求，同時存在硬度不均勻現象。

表2 模具不同部位的硬度

1.4 金相檢測

模具試樣縱面經過預磨拋光后，采用日本OLYMPUS GX71型金相顯微鏡放大100倍觀察整個試面的非金屬夾雜物情況，齒輪模具的顯微組織如圖2所示。依據《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》（GB/T 10561—2005）進行評定，試樣基體的傳統夾雜物級別分別為A0.5、B0.5、C0.5、D1.0，未發現DS類大尺寸超寬夾雜，如圖2（a）所示。從模具基體及工作面附近分別截取橫向試樣，經過預磨拋光并用4% HNO3酒精溶液侵蝕后，進行金相組織的高倍觀察，模具基體及其工作面附近的試樣組織無明顯差別，均為回火馬氏體+碳化物+M-A組織，但發現試樣存在較明顯的微區組織偏析，金相組織差別較大且粗細不均，如圖2（b）所示。試樣正常基體區域的金相組織為深色回火馬氏體，但馬氏體針較為粗大，依據《金屬平均晶粒度測定法》（GB/T 6394—2002）進行評定，其平均晶粒度為6級，如圖2（c）所示。偏析區的金相組織為塊狀一次碳化物+白色M-A組織，碳化物分布于偏析區中部，碳化物周圍的M-A組織晶粒較為細小，其級別為10級，如圖2（d）所示。

圖2 齒輪模具的顯微組織

2 分析討論

熱鍛模是在高溫下通過沖擊壓力迫使金屬成型的熱作模具，在工作時承受很高的應力和沖擊負荷，熱鍛模應具有較均勻的組織和性能，H13是較常用的熱鍛模用鋼[1]。從上文對失效模具的化學成分分析結果得知，該模具材質化學成分與《合金工具鋼》（GB/T 1299—2000）中H13熱作模具鋼成分相符。H13采用中碳含量，既能夠保證鋼的塑韌性和導熱性，又不降低鋼的強度和耐磨性。該鋼種含有一定量的Cr、Mo、V，能提高鋼的高溫強度、回火穩定性以及抗熱疲勞性能。Cr能提高模具的淬透性和抗氧化性，Mo、V能細化晶粒，減小過熱傾向和回火脆性，V能形成彌散碳化物，有效產生二次硬化，從而提高材料耐磨性，使熱鍛模有較好的紅硬性、耐磨性和熱穩定性[2]。

原材料質量、熱加工、熱處理工藝等都是決定熱鍛模耐磨性和壽命的重要因素，在正常適宜的生產工藝條件下，該鋼種的熱鍛模應具有良好的綜合性能以及較好的耐磨性。材料的性能是由其內部組織決定的[3]。

根據試樣非金屬夾雜物的觀察結果可發現，該批模具材料的非金屬夾雜物含量和級別未見明顯異常，模具基體及工作面的淬回火硬度低于標準最低要求，同時存在硬度不均勻現象。根據模具基體及工作面的金相組織高倍觀察結果可發現，失效模具試樣金相組織不均勻，存在較明顯的微區組織偏析，偏析區域的金相組織差別較大，晶粒度粗細不均。正常基體區域的金相組織為回火馬氏體，馬氏體針較為粗大，而偏析區的金相組織為白色M-A組織+一次碳化物，碳化物附近能觀察到明顯的馬氏體針，M-A組織晶粒細小，與正常基體區域的深色回火馬氏體形成明顯反差。該齒輪熱鍛模在正常回火后，偏析區域仍表現出明顯的回火不足，這主要是因為雖然模具的宏觀成分符合標準要求，但由于鋼在冶煉時不可避免地形成不同程度的枝晶偏析，而后續的熱加工和熱處理也未能對此進行有效改善或消除，使得材料微區偏析處的成分與正常區域的成分可能存在較大差異[4]。由于偏析處富集較多的碳和合金元素，降低了該處鋼的組織轉變臨界溫度，使Ms點下降，模具在淬火時產生了較多的殘余奧氏體；當淬火加熱溫度越高時，由于溶入了更多的碳和合金元素，奧氏體變得更加穩定，Ms點下降更多，同時也將在室溫組織中形成更多的殘余奧氏體[5]。在相同的回火工藝條件下，偏析處未能轉變的殘余奧氏體也會相對更多，因此在偏析區域表現出明顯的回火不足，導致模具硬度偏低和硬度不均。

模具材料的耐磨性主要來自材料本身的剛度以及彌散碳化物的析出硬化，模具硬度低于標準要求，其剛度和耐磨性本身就較差，同時由于模具的微區成分及組織偏析，偏析區相對于鋼的正常部位存在更多的殘余奧氏體。一方面，由于奧氏體的硬度較低，它的存在本身就嚴重影響了鋼的耐磨性[6]；另一方面，由于微區的成分偏析，M-A組織在回火時未能充分轉變，使得細小彌散碳化物析出不足，這進一步影響了模具的紅硬性和耐磨性。這種微區成分及組織偏析的存在，不僅會影響模具的硬度及均勻性，同時也明顯降低了模具的紅硬性和耐磨性[7]。由于應力的存在，這種偏析還有可能導致模具變形開裂，嚴重影響模具的質量和使用壽命。

綜上所述，失效齒輪熱鍛模的化學成分符合標準要求，材料的非金屬夾雜物含量和級別未見明顯異常，模具硬度不符合標準要求，同時存在硬度不均現象。齒輪熱鍛模的耐磨性降低及使用壽命縮短的直接原因是模具金相組織的偏析引起的硬度偏低和硬度不均，而偏析區域M-A組織在回火時未能充分轉變是導致回火硬化不足和硬度不均的主要原因。

3 結論

（1）齒輪熱鍛模的化學成分、非金屬夾雜物級別未見明顯異常，符合《合金工具鋼》（GB/T 1299—2000）中H13熱作模具鋼的要求。

（2）齒輪熱鍛模具金相組織存在明顯的微區組織偏析，淬回火硬度不符合標準要求，存在硬度不均現象。

（3）模具材料中較明顯的微區組織偏析導致偏析區回火硬化不足和硬度不均，這是齒輪熱鍛模具失效的主要原因。