冷沖模具開裂原因分析

徐琴實(shí) 陳淑平

（1、北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141 2、沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110142）

Cr12鋼在合金鋼的種類中，屬于碳含量與鉻含量百分比較高的、被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的冷作模具鋼材料。由于這種合金鋼中C含量可以達(dá)到2.3%左右，所以鋼材料自身韌性不高，在沖擊力的作用下，非常容易因脆而裂，而且容易形成不均勻的共晶碳化物。該種鋼材料也只能用于制造一些受沖擊載荷較小的，要求高耐磨的冷沖模、冷鐓模、下料模、冷擠壓模的沖頭和凹模、鉆套、壓印模、拉絲模、搓絲板、拉深模以及粉末冶金用冷壓模等。某公司生產(chǎn)的Cr12鋼冷沖凹模板模板，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)中部型腔開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致整個模板不能正常使用，只能做報廢處理。為避免此類事故的再發(fā)生，生產(chǎn)單位委托我們對零件進(jìn)行分析。我們對開裂模具的原材料及鍛造、加工工藝等進(jìn)行了分析，以查明模具開裂的原因。

這種模具的生產(chǎn)加工較為復(fù)雜，基本工藝流程可以分為如下步驟，下料、鍛造、球化退火、電火花線切割加工、淬火回火、精磨或電加工以及鉗工裝配。開裂模具的外形尺寸為200mm×90mm×80mm，退火后交貨硬度要求為217～269HB，設(shè)計(jì)要求在淬火前于模具中心部位用電火花線切割加工出一尺寸為177mm×59mm的型腔。

1 理化實(shí)驗(yàn)檢測分析

1.1 宏觀分析

用肉眼我們就可以看到，靠近模具中心型腔的邊緣部分有較為明顯呈連續(xù)直線性狀的開裂痕跡，裂紋的走向基本上與鍛造方向垂直，通過測量可以知道裂痕大概有10毫米深，45毫米長，見圖1。

圖1 模具開裂的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在開裂模具上取樣用XRF-1800型X射線熒光分析儀和HCS-878A型高頻紅外碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，顯而易見其中該Cr12合金鋼開裂模具中Cr的含量明顯大于規(guī)定范圍的最高值，而C含量卻接近于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大限制?；瘜W(xué)成分分析（%）：實(shí) 測 值 （2.29C、0.19Si、0.26Mn、0.016S、0.017P、13.77Cr）；標(biāo)準(zhǔn)成份（2.00～2.30C、≤0.40Si、≤0.40Mn、≤0.030S、≤0.030P、11.6～13.0Cr）

1.3 金相檢驗(yàn)

在模具開裂部位制取金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后用Zeiss Axio Observer Z1m型倒置光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。由圖2可見，模具開裂部位未見明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，顯微組織為球狀珠光體+共晶碳化物+顆粒狀二次碳化物。其中，球化退火后的共晶碳化物呈明顯網(wǎng)狀偏析分布，共晶碳化物不均勻度為7級，大于GB/T 14979-1994中的6級，共晶碳化物中有較多呈大塊狀或尖角狀分布，最大尺寸達(dá)0.124mm。通常該類模具的共晶碳化物不均勻級別要求不得大于3級，碳化物最大尺寸要求不得大于0.017mm，可見開裂Cr12鋼模具的碳化物不均勻度及最大尺寸都嚴(yán)重超標(biāo)，在這種碳化物聚集區(qū)域，在外加應(yīng)力或參與應(yīng)力作用下，模具易沿碳化物開裂。碳化物大且不均勻說明該模具原材料存在冶金質(zhì)量缺陷，同時也反映出鍛造工藝不當(dāng)，未能將碳化物打碎。

圖2 裂紋處顯微組織

1.4 斷口分析

將開裂模具沿裂紋人工打開，用JCXA-733型電子探針進(jìn)行斷口微觀形貌觀察。由圖3可見，斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征，為解理斷口；同時還可以看到斷口上分布著大量的長條大塊狀共晶碳化物，在碳化物聚集區(qū)域，有沿碳化物沿晶開裂的現(xiàn)象。

圖3 斷口表面沿碳化物開裂形貌

1.5 硬度檢驗(yàn)

在模具開裂裂紋附近取樣用PH300型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)進(jìn)行洛氏硬度檢驗(yàn)，測得的硬度分別為 28.8，27.9，24.1，26.3HRC，可見開裂模具的硬度分布不是很均勻，這與顯微組織中共晶碳化物呈嚴(yán)重網(wǎng)狀聚集分布有關(guān)，在碳化物聚集區(qū)域硬度較高，其余區(qū)域硬度則較低，可見硬度試驗(yàn)結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果相吻合。開裂模具的平均洛氏硬度為26.8HRC，根據(jù)GB/T 1172-1999換算為布氏硬度約264HB，符合Cr12鋼球化退火后的交貨硬度要求（217～269 HB），但比較接近上限硬度，這與材料中碳、鉻含量較高，碳化物較多有關(guān)。

2 綜合分析

通過上述檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該種模具的化學(xué)成分與GB/T 1299-2000的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)有一定的出入，其中該Cr12合金鋼中鉻的含量明顯大于規(guī)定范圍的最高值，而碳含量接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高限制值，所以材料中的共晶碳化物較多，硬度較高，使材料的可塑性較差，變形抗力較大，造成的結(jié)果就是在鍛造和切削加工中的開裂敏感度上升。

對開裂裂紋的宏觀形貌及斷口微觀形貌特征的分析表明該Cr12鋼模具開裂為脆性解理開裂，且在碳化物聚集區(qū)域有沿碳化物沿晶開裂的現(xiàn)象，這些都說明模具開裂與材料中的共晶碳化物多而粗大且呈嚴(yán)重網(wǎng)狀聚集分布有關(guān)。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明開裂模具的共晶碳化物不均勻度級別及碳化物最大尺寸均嚴(yán)重超標(biāo)，這一方面與該模具原材料的冶金質(zhì)量有關(guān)，化學(xué)成分中的鉻、碳含量偏高；同時也說明該模具材料的鍛造工藝不充分，未能將碳化物打碎。碳化物相硬而脆，是脆性相，當(dāng)大塊帶有棱角的碳化物呈網(wǎng)狀聚集在模具中時，就會切割基體金屬的連續(xù)性，成為應(yīng)力集中源，萌生微裂紋并導(dǎo)致模具在線切割加工過程中于加工應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的共同作用下發(fā)生脆性開裂。

另外，在球化退火階段，如果退火不夠充分，就會導(dǎo)致模具鋼鍛造內(nèi)應(yīng)力過大，模具硬度偏高，在切削加工的時候也可能造成模具的開裂。

結(jié)語

該模具開裂主要為脆性解理+沿晶開裂。主要原因是原材料冶金質(zhì)量差，鉻含量超標(biāo)，碳含量接標(biāo)準(zhǔn)要求上限；同時鍛造不充分，使得材料中的共晶碳化物多而粗大且呈嚴(yán)重網(wǎng)狀聚集分布，成為應(yīng)力集中源，在切削加工力的作用下就自然而然的產(chǎn)生了裂紋甚至開裂現(xiàn)象。

針對導(dǎo)致模具開裂的原因提出以下建議:嚴(yán)格材料入庫檢查，確保原材料成分及顯微組織合格；鍛造時，要嚴(yán)格控制始鍛和終鍛溫度，合理地選擇鍛造比，改進(jìn)鍛造工藝，鍛造時采用綜合鐓拔鍛造法，是指軸向反復(fù)鐓拔加十字鐓拔，從而提高鍛件質(zhì)量，改善碳化物的均勻度級別小于三級；鍛造后應(yīng)及時進(jìn)行球化退火，以消除鍛造應(yīng)力，降低硬度，使碳化物球化，從而便于切削加工，并為淬火作組織準(zhǔn)備。

[1]田耕，康建，吳永東，劉暉.冷沖模具凹?？盏恫奂庸C(jī)[D].北京市電加工研究所.1996.

[2]劉仁培，趙昆，董祖玨，李翠云.冷沖模具堆焊材料及堆焊工藝[D].焊接.1999.