3Cr2W8V齿轮坯热锻模具早期开裂失效分析

张翔 欧亚明

摘要：某3Cr2W8V齿轮坯热锻模服役寿命偏低，为找出其早期开裂失效原因，进行了宏观断口检查、断口微观形貌分析、化学成分分析、金相显微组织分析、硬度检测和冲击试验。测试结果表明：该模具材料的带状组织偏析严重，碳化物分布不均匀，存在较多大块岛链状碳化物，未溶碳化物直径较大，导致模具基体组织不均匀，产生局部应力集中，造成模具早期脆性断裂失效。

关键词：3Cr2W8V;热锻模具;开裂;碳化物;失效分析

中图分类号：TG721                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0125-02

0  引言

某3Cr2W8V热锻模生产20CrMnTiH齿轮坯锻件，在400吨模锻机上的服役平均寿命仅为600件/模，低于2000-3000件/模的正常寿命。该模具主要制造工艺流程为：锻造—退火—开粗—成型加工—真空热处理—精加工。技术要求为热处理后硬度48-52HRC，其热处理工艺为：分级加热650±10℃（150min）—分级加热850±10℃（120min）—1100-1120℃（100min）—预冷油淬—590±10℃（4h）回火3次—油冷。经过该真空油淬工艺热处理后，模具在实际使用约60次后发生开裂，从模具外侧向内部有一条贯通长裂纹，造成模具早期失效，如图1-图2所示。

1  检验内容与结果

1.1 断口宏观检查

对开裂模具沿着断口方向切割取样，经丙酮清洗油污+超声波清洗吹干后，其断口整体形貌如图3所示：断口较为整齐，断面比较粗糙，颜色一致并呈灰黑色，裂纹呈现人字形，有明显的放射棱线指向模具心部，表明裂纹源形成于模具心部;图4为断口局部的放大形貌，可观察到断口上有凹坑和撕裂棱，局部有呈现金属光泽的小平面。断口上无疲劳辉纹，呈快速断裂特征，这表明该模具是短时间内发生的脆性断裂。

1.2 断口微观检查

用扫描电镜对断口表层、断口心部进行观察，结果见图5-图6所示。图5的撕裂棱明显，为河流状或大理石状花纹，有解理台阶，具备解理断裂失效的典型特征;图6中出现的较深孔洞直径约50um，均伴随较多的球状碳化物（直径约3-10um）。

1.3 化学成分分析

在失效的模具上取样，用直读式光谱仪测定模具的化学成分，结果见表1，失效模具的元素含量在技术要求范围内。

1.4 金相显微组织分析

对模具断口处取样，经过金相制备后采用4%硝酸酒精腐蚀，使用金相显微镜进行观察，如图7所示，模具基体的带状偏析较为严重，为3.5级;图8所示的为大块岛链状碳化物+细小颗粒状未溶碳化物。其金相组织为：回火索氏体+回火屈氏体+共晶碳化物+未溶碳化物，未见明显非金属夹杂物。

1.5 硬度检测

对失效模具的型腔取样进行洛氏硬度检测，测试结果为：48.5 HRC、49HRC、49HRC，符合技术要求。

1.6 冲击试验

对失效模具的断口处取3个标准冲击试样，采用V型缺口，在常温下进行夏比摆锤冲击试验。检测结果表明，失效试样冲击功AKV平均值为4J，远低于正常件的冲击功AKV平均值20J。冲击试验的断口整齐，颜色一致，呈细瓷状脆性断口特征。

2  开裂原因分析

3Cr2W8V钢属于高耐热性热作模具钢，该钢的相变温度较高，抵抗冷热交变的耐热疲劳性良好，含有形成碳化物的钨、铬等元素，因此在高温下有较高的强度和硬度，但其韧性和塑性较差，淬透性优良。一般说来，热锻模钢有两个重要的服役特性：一是工作时反复受到较大冲击负荷，因此对其力学性能要求较高，尤其是对塑性变形抗力及高温韧性要求较高;二是热锻模的截面尺寸一般较大（通常<400mm），为了保证全部模具组织和性能的均匀一致性，因此对模具钢的淬透性要求很高。

断口的宏观检查和微观检查均表明，该模具断口较平坦，无明显的裂纹扩展停顿线，宏观无塑性变形和剪切唇，是短时间内发生的脆性断裂，夏比摆锤冲击试验结果也进一步证实了这一点。金相显微组织观察表明：该失效模具的带状偏析较为严重（图7），共晶碳化物聚集成大块岛链状分布（图8），未溶碳化物颗粒的最大直径为10um（图6），远远超出正常碳化物的直径<1um。

3Cr2W8V钢的含铬量相对不高，原始组织中碳化物以M6C型为主，较难固溶到奥氏体中。该类型碳化物会造成钢锭元素偏析严重，形成碳和合金元素富集区，造成贫碳和富碳的不均匀组织，甚至在晶界附近达到共晶成分，出现共晶碳化物。如果在轧制、锻造、退火等后续加工过程不能有效消除之，会在基体中形成较多带状分布的碳化物，甚至在局部形成碳化物聚集。这种碳化物硬而脆，其热膨胀系数与模具钢的基体不同，加之热锻模在服役过程中，经常受到较大载荷冲击，比较容易造成脆性断裂，这是造成该模具发生早期开裂失效的主要原因。

3  结果和讨论

①综上所述，该3Cr2W8V热锻模具材料带状组织偏析严重，碳化物分布不均匀，存在较多大块岛链状碳化物，未溶碳化物直径较大，导致模具基体组织不均匀，产生局部应力集中，造成模具早期脆性开裂失效。②为了改善模具材料性能，建议在热处理前对材料进行充分锻打，尽可能打碎共晶碳化物，改变其不均匀分布状态，并控制好锻后冷却速度，避免产生沿晶脆性的网状碳化物。③可以在热处理时采用固溶细化—高温回火工艺，使钢中碳化物细化和分布均匀，提高模具基体组织的强韧性，从而进一步延长该模具的使用寿命。

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