Cr12MoV 模板的開(kāi)裂分析與探討

譚兆湛， 歐陽(yáng)志芳

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械實(shí)驗(yàn)中心，廣州510800）

1 引 言

某公司制造了一塊大型冷沖模板，材料為Cr12MoV，外觀樣貌如圖1，尺寸約為600mm×500mm×50mm，加工后送相關(guān)的熱處理廠家進(jìn)行熱處理，從熱處理廠取回后進(jìn)行表面平面磨削加工過(guò)程中出現(xiàn)多條裂紋（局部裂紋放大如圖2），特委托我方進(jìn)行原因分析以理清責(zé)任。

圖1 冷沖模

圖2 局部裂紋

2 宏觀檢察

模板的四周均勻分布了8 個(gè)直徑為φ5 的圓孔，平面中間位置無(wú)凹槽或是圓孔；在磨削過(guò)的平面當(dāng)中我們可以很清晰地看到多條粗細(xì)、長(zhǎng)短不一裂紋，裂紋分布無(wú)規(guī)律，也并非起源于四周的螺紋孔；從磨削平面還可以清晰地看到魚(yú)鱗狀的橫向磨削振紋和磨削燒傷帶；采用便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，硬度為60～62HRC，符合技術(shù)要求。

3 金相分析

在模板的直徑約1/4 處且存有裂紋的地方采用線切割的方法割取縱向和橫向試樣，經(jīng)型號(hào)為XQ-2B 金相試樣鑲嵌機(jī)進(jìn)行試樣鑲嵌，拋光后用4%的硝酸酒精對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，分別對(duì)試樣的縱向和橫向磨面進(jìn)行金相觀察，縱向顯微組織如圖3 所示，橫向顯微組織如圖4 所示。由圖3、4 可見(jiàn)，鋼中共晶碳化物呈封閉的扁平網(wǎng)絡(luò)狀分布，在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)處有明顯的堆積現(xiàn)象，不均勻度非常高，有的碳化物呈不規(guī)則大塊狀和條塊狀，大小形狀差別很大。材料的顯微組織為：回火馬氏體+少量殘余奧氏體+點(diǎn)粒狀的二次碳化物+呈網(wǎng)狀分布的塊狀、條塊狀共晶碳化物?；鼗鸨容^充分。

圖3 縱向呈封閉網(wǎng)絡(luò)狀分布的共晶碳化物100×

圖4 橫向嚴(yán)重堆積的共晶碳化物 100×

4 分析與討論

4.1 熱處理工藝

在該公司委托的熱處理廠，我與相關(guān)的技術(shù)人員一同調(diào)取了當(dāng)時(shí)的熱處理施工工藝單，據(jù)追溯工藝卡可知，該熱處理廠家采用100kW 真空爐進(jìn)行加熱淬火，回火采用45kW 臥式箱式爐，爐膛內(nèi)配備了風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)套，設(shè)備硬件符合生產(chǎn)條件，具體工藝如圖5。

圖5 熱處理工藝圖

該工藝采用隨爐升溫、等溫加熱方式，由于Cr12MoV是屬于高碳、高合金鋼材，導(dǎo)熱能力沒(méi)有碳素工具鋼好，因此正規(guī)的熱處理工藝都是要采用等溫加熱的方式進(jìn)行。根據(jù)相關(guān)手冊(cè)資料介紹，Cr12MoV 的正常一次硬化淬火工藝為1000℃～1050℃，高溫二次硬化淬火工藝為1100℃～1120℃，而加熱保溫時(shí)間系數(shù)為0.8～2.0min/mm，當(dāng)時(shí)廠家考慮到Cr12MoV 有很好的二次硬化效果，采用了高淬高回的二次硬化工藝，主要是為了保證回火時(shí)能消除更多的殘余奧氏體以及組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力，考慮到當(dāng)時(shí)的裝爐量的問(wèn)題，選取了上限的加熱保溫時(shí)間系數(shù)，因此按理論計(jì)算，此淬火工藝是合理的。我們?cè)購(gòu)慕鹣囡@微組織觀察進(jìn)行分析，把照片4 采用500 倍進(jìn)行放大觀察，放大后的樣貌如圖5。

從圖片中隱約可以看到晶界線，顯現(xiàn)的晶粒度并不算粗大，約為10.5 級(jí)；基體已經(jīng)變黑，回火馬氏體針清晰可辨，對(duì)照J(rèn)B/T7713-95《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)定馬氏體針已長(zhǎng)到3 級(jí)，此標(biāo)準(zhǔn)一共分為5 級(jí)，1～3 級(jí)屬于合格，4～5 級(jí)為過(guò)熱組織，因此該馬氏體組織屬于合格，由于采用了520℃回火3 次，從圖片中可看出殘余奧氏體大部分已分解，在黑色基體的背影下顯現(xiàn)也不是很清析，基體組織為隱針馬氏體+殘留奧氏體；采用1060℃±10℃的淬火溫度，從理論上來(lái)講并未達(dá)到二次硬化的溫度，技術(shù)人員考慮到溫度偏差的原因特做了保守工藝，從圖3、4 中可以看出顆粒狀碳化物被有效地保留了下來(lái)，再?gòu)膱D5 可看到大塊狀共晶碳化物的尖角部分已經(jīng)有鈍化的效果，但有些還并未得到鈍化；馬氏體針長(zhǎng)短、晶粒度大小以及殘余奧氏體量的多少說(shuō)明此工藝的淬火、回火溫度是合理的。

圖5 基體組織＋大塊狀共晶碳化物500×

4.2 鍛造

一般的鋼材交易市場(chǎng)供貨都是板料，沒(méi)有經(jīng)過(guò)正規(guī)鍛造，即使是價(jià)格相對(duì)較貴的采用先進(jìn)冶煉技術(shù)的電渣重熔鋼仍可能存在較嚴(yán)重的碳化物偏析。碳化物的嚴(yán)重偏析往往使得模具在以后的熱處理過(guò)程中容易傾向不規(guī)則的變形，碳化物的嚴(yán)重堆集（如圖3、4），以及塊度大而菱角尖利的呈不規(guī)則角度的碳化物（如圖5）都會(huì)增加材料的脆性，在使用中很容易造成模具發(fā)生崩角、脆斷等事故。因此在使用Cr12MoV 鋼時(shí)，首先必須對(duì)板材進(jìn)行鍛造加工，這是改善鋼材中碳化物的形態(tài)和分布狀況、提高模具質(zhì)量的重要途徑?，F(xiàn)在很多的鍛造廠家往往把鍛造簡(jiǎn)單地理解為把毛坯打至客戶所需的尺寸要求即可，即使是有豐富經(jīng)驗(yàn)的老師傅，也會(huì)因?yàn)镃r12MoV 鋼材的塑性差、變形抵抗力大、加熱時(shí)容易過(guò)燒和導(dǎo)熱性差等特性而不愿意對(duì)其采用大的鍛造比進(jìn)行鍛造，再加上這類鋼材中碳化物數(shù)量多，尤其是樹(shù)枝狀共晶碳化物異常發(fā)達(dá)、塊度又很大時(shí)很容易鍛裂，鍛造廠家不愿意承擔(dān)這種經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)，從而造成了市場(chǎng)上很難找到鍛造效果很好的廠家。

Cr12MoV 鋼的鍛造工藝：預(yù)熱溫度為750℃～850℃，加熱溫度為1080℃～1120℃，始鍛溫度為1050℃～1100℃，終鍛溫度為900℃～850℃，鍛錘噸位應(yīng)和毛坯大小相適應(yīng)，噸位過(guò)小，打擊力度不夠，變形只在毛坯的周邊進(jìn)行，中心碳化物不能被擊碎；噸位過(guò)大，打擊力度過(guò)重，容易鍛裂［2］。在鍛造的中間溫度時(shí)要采用大力度的錘擊，這樣才可以把堆集嚴(yán)重的碳化物擊碎，但在上限和下限溫度時(shí)則應(yīng)采用小力度的錘擊，因?yàn)樵谏舷逌囟葧r(shí)如采用重?fù)魟t容易造成模板過(guò)燒，下限溫度時(shí)則因?yàn)殇摪宓乃苄暂^差，如采用重錘就很容易把模板鍛裂。因此需要經(jīng)驗(yàn)豐富的鍛造師傅掌握溫度采用鍛造工藝中的“兩輕一重”進(jìn)行六面鍛造，每次都采用一定的鍛造比對(duì)模板進(jìn)行三向鐓粗和拔長(zhǎng)，最終目的是把共晶碳化物鍛打成無(wú)規(guī)則的均勻分布。圖3、4 中的共晶碳化物網(wǎng)是呈現(xiàn)單方向的拔長(zhǎng)，這也是實(shí)際生產(chǎn)中鍛造廠家常采用的方法，說(shuō)明鍛造時(shí)并未得到合理的六面鍛打。對(duì)于這類鋼材的鍛造效果可根據(jù)《鋼的共晶碳化物評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》GB/14979-94 進(jìn)行評(píng)定，一般≤2 級(jí)為合格，對(duì)于像本例的大塊模板行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中允許把標(biāo)準(zhǔn)放寬至4 級(jí)為合格，用圖3、4 對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)圖譜，可認(rèn)定該模板的級(jí)別應(yīng)評(píng)為7～8 級(jí)，屬于最差級(jí)別；大塊狀共晶碳化物也沒(méi)有被打碎，用照片7 對(duì)照《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗(yàn)》（JB/T 7713-95），大塊碳化物級(jí)別評(píng)定為5 級(jí)，也是屬于最差級(jí)別，顯然該模板的鍛造工藝不合格。

4.3 磨削

經(jīng)過(guò)熱處理后的任何模具和機(jī)械零部件都會(huì)產(chǎn)生變形，只是變形大小的程度不同而已，為了獲得良好的精確尺寸所以熱處理后的任何模具和機(jī)械零部件都要經(jīng)過(guò)磨削這道工藝。磨削工藝不當(dāng)也會(huì)引起裂紋的發(fā)生。從圖1中可以看出模板的表面存有很多的魚(yú)鱗狀磨削振動(dòng)紋，還可以看到略顯黑色呈帶狀的磨削燒傷痕；魚(yú)鱗狀磨削振動(dòng)紋和磨削的吃刀量過(guò)大以及工件的移動(dòng)速度有一定的關(guān)聯(lián)，粗磨時(shí)的吃刀量應(yīng)≤0.03mm，精磨時(shí)的吃刀量應(yīng)≤0.02mm，另外砂輪不能太細(xì)、太鈍；略顯黑色呈帶狀的磨削燒傷痕則與上述提到的兩個(gè)因素有關(guān)外還與冷卻散熱速度有關(guān)，這三方面的加工不當(dāng)使得模具表面累積了相當(dāng)大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超出了模板本身所能承受的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

5 結(jié) 論

模板的熱處理工藝相對(duì)比較合理，鍛造使得鋼板中的共晶碳化物呈單方向的拉長(zhǎng)，碳化物不能被有效地打散、打碎，沒(méi)能達(dá)到合理的六面鍛造效果，網(wǎng)狀和大塊狀的共晶碳化物大大削弱了模板的強(qiáng)度；磨削時(shí)的吃刀量太大、工件移動(dòng)速度太快、冷卻不及時(shí)等三方面的不正確加工使得模板表面累積了極大的應(yīng)力，最終導(dǎo)致了模板的開(kāi)裂。鍛造工藝和磨削工藝的不合理是引起模板開(kāi)裂的重要原因。

［1］ 梁耀能.機(jī)械工程材料［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009.

［2］ 蔡美良，丁慧麟，孟滬龍.新編工模具鋼金相熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，