重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084

某公司生產(chǎn)的一批汽車齒輪熱鍛模具在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)模具耐磨性較差，據(jù)了解，與正常批次的模具相比，該批次模具加工齒輪件數(shù)同比減少了約50%，模具使用壽命大幅度縮短，同時(shí)也影響到齒輪坯的外形尺寸。該批模具材質(zhì)為H13齒輪，其主要生產(chǎn)工藝過(guò)程如下：中頻感應(yīng)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(chǎn)品再次出現(xiàn)此類問(wèn)題，文章對(duì)失效模具樣品進(jìn)行了檢測(cè)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

失效模具樣品為使用過(guò)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(yán)重的倒角崩塌現(xiàn)象，工作面平面處未發(fā)現(xiàn)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(cè)分析，文章采用線切割方式在該部位切取檢測(cè)所需樣品，對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)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(guó)SPECTRO直讀光譜儀和紅外碳硫儀對(duì)模具進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，該模具材質(zhì)中化學(xué)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(xué)成分含量 單位：%

1.3 硬度檢測(cè)

使用HR-150A洛氏硬度計(jì)對(duì)模具樣品的不同部位進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，模具硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)存在硬度不均勻現(xiàn)象。

表2 模具不同部位的硬度

1.4 金相檢測(cè)

模具試樣縱面經(jīng)過(guò)預(yù)磨拋光后，采用日本OLYMPUS GX71型金相顯微鏡放大100倍觀察整個(gè)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(jù)《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》（GB/T 10561—2005）進(jìn)行評(píng)定，試樣基體的傳統(tǒng)夾雜物級(jí)別分別為A0.5、B0.5、C0.5、D1.0，未發(fā)現(xiàn)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(jīng)過(guò)預(yù)磨拋光并用4% HNO3酒精溶液侵蝕后，進(jìn)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(wú)明顯差別，均為回火馬氏體+碳化物+M-A組織，但發(fā)現(xiàn)試樣存在較明顯的微區(qū)組織偏析，金相組織差別較大且粗細(xì)不均，如圖2（b）所示。試樣正?；w區(qū)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(jù)《金屬平均晶粒度測(cè)定法》（GB/T 6394—2002）進(jìn)行評(píng)定，其平均晶粒度為6級(jí)，如圖2（c）所示。偏析區(qū)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(qū)中部，碳化物周圍的M-A組織晶粒較為細(xì)小，其級(jí)別為10級(jí)，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(guò)沖擊壓力迫使金屬成型的熱作模具，在工作時(shí)承受很高的應(yīng)力和沖擊負(fù)荷，熱鍛模應(yīng)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(duì)失效模具的化學(xué)成分分析結(jié)果得知，該模具材質(zhì)化學(xué)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(dǎo)熱性，又不降低鋼的強(qiáng)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(qiáng)度、回火穩(wěn)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(xì)化晶粒，減小過(guò)熱傾向和回火脆性，V能形成彌散碳化物，有效產(chǎn)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(wěn)定性[2]。

原材料質(zhì)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(chǎn)工藝條件下，該鋼種的熱鍛模應(yīng)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(nèi)部組織決定的[3]。

根據(jù)試樣非金屬夾雜物的觀察結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，該批模具材料的非金屬夾雜物含量和級(jí)別未見明顯異常，模具基體及工作面的淬回火硬度低于標(biāo)準(zhǔn)最低要求，同時(shí)存在硬度不均勻現(xiàn)象。根據(jù)模具基體及工作面的金相組織高倍觀察結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，失效模具試樣金相組織不均勻，存在較明顯的微區(qū)組織偏析，偏析區(qū)域的金相組織差別較大，晶粒度粗細(xì)不均。正?；w區(qū)域的金相組織為回火馬氏體，馬氏體針較為粗大，而偏析區(qū)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(xì)小，與正?；w區(qū)域的深色回火馬氏體形成明顯反差。該齒輪熱鍛模在正?；鼗鸷?，偏析區(qū)域仍表現(xiàn)出明顯的回火不足，這主要是因?yàn)殡m然模具的宏觀成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但由于鋼在冶煉時(shí)不可避免地形成不同程度的枝晶偏析，而后續(xù)的熱加工和熱處理也未能對(duì)此進(jìn)行有效改善或消除，使得材料微區(qū)偏析處的成分與正常區(qū)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(zhuǎn)變臨界溫度，使Ms點(diǎn)下降，模具在淬火時(shí)產(chǎn)生了較多的殘余奧氏體；當(dāng)淬火加熱溫度越高時(shí)，由于溶入了更多的碳和合金元素，奧氏體變得更加穩(wěn)定，Ms點(diǎn)下降更多，同時(shí)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(zhuǎn)變的殘余奧氏體也會(huì)相對(duì)更多，因此在偏析區(qū)域表現(xiàn)出明顯的回火不足，導(dǎo)致模具硬度偏低和硬度不均。

模具材料的耐磨性主要來(lái)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(biāo)準(zhǔn)要求，其剛度和耐磨性本身就較差，同時(shí)由于模具的微區(qū)成分及組織偏析，偏析區(qū)相對(duì)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(yán)重影響了鋼的耐磨性[6]；另一方面，由于微區(qū)的成分偏析，M-A組織在回火時(shí)未能充分轉(zhuǎn)變，使得細(xì)小彌散碳化物析出不足，這進(jìn)一步影響了模具的紅硬性和耐磨性。這種微區(qū)成分及組織偏析的存在，不僅會(huì)影響模具的硬度及均勻性，同時(shí)也明顯降低了模具的紅硬性和耐磨性[7]。由于應(yīng)力的存在，這種偏析還有可能導(dǎo)致模具變形開裂，嚴(yán)重影響模具的質(zhì)量和使用壽命。

綜上所述，失效齒輪熱鍛模的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，材料的非金屬夾雜物含量和級(jí)別未見明顯異常，模具硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)存在硬度不均現(xiàn)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(qū)域M-A組織在回火時(shí)未能充分轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致回火硬化不足和硬度不均的主要原因。

3 結(jié)論

（1）齒輪熱鍛模的化學(xué)成分、非金屬夾雜物級(jí)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(qū)組織偏析，淬回火硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，存在硬度不均現(xiàn)象。

（3）模具材料中較明顯的微區(qū)組織偏析導(dǎo)致偏析區(qū)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。