Cr12MoV模具鋼淬火開裂原因分析

王坤

廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系 廣東佛山 528216

1 序言

Cr12MoV是萊氏體鋼，其碳含量（wC=1.45%～1.70%）比Cr12（wC=2.00%～2.30%）低，并且添加了釩、鉬等元素，使鋼中碳化物的不均勻程度、鍛造性能和沖擊韌度都得到了大幅改善，其中釩、鉬元素可以降低碳化物不均勻的現(xiàn)象，鉬元素能降低碳化物偏聚并且提高淬透性，釩元素能提高沖擊韌度并細(xì)化晶粒。Cr12MoV 鋼具有高淬透性，在各類模具制造中應(yīng)用廣泛[1-3]。但用Cr12MoV模具鋼制造的模具凹模結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜且要求較高，不能用傳統(tǒng)的加工工藝完成，必須采用線切割方式加工。Cr12MoV鋼模具一直存在淬火后型腔內(nèi)線切割開裂的嚴(yán)重問題，產(chǎn)生開裂缺陷的比例超過20%[4]，延長了模具的制造周期，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失。本文對(duì)失去應(yīng)有功能的零件進(jìn)行失效分析，尋找失效原因，提出預(yù)防措施，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量改善，提高生產(chǎn)效率[5，6]。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為Cr12MoV鋼，某工廠沖裁模凹模斷裂試樣模型如圖1所示，尺寸為400mm×400mm×60mm，線切割加工時(shí)出現(xiàn)裂紋。沖裁模凹模工藝路線為：鍛件→球化退火→粗加工六面→鉆孔→真空淬火→線切割內(nèi)孔→精加工成形，工件熱處理工藝如圖2所示，Cr12MoV鋼導(dǎo)熱性差，650℃預(yù)熱90min，850℃預(yù)熱60min，1030℃加熱保溫90min淬火。淬火后的硬度為58～60HRC，符合要求。

圖1 沖裁模凹模試樣模型

圖2 工件熱處理工藝

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在模具設(shè)計(jì)中，適當(dāng)?shù)挠捕仁呛苤匾?。然而要使線切割時(shí)開裂現(xiàn)象得到改善，必須使模具內(nèi)部淬火應(yīng)力盡量減弱甚至消除。而要消除淬火應(yīng)力就應(yīng)該提高回火溫度或是進(jìn)行長時(shí)間回火，在實(shí)際生產(chǎn)中，長時(shí)間回火不符合生產(chǎn)節(jié)拍要求，并且消除應(yīng)力的效果在較長的一段回火時(shí)間內(nèi)也不是很明顯。按照以往成形工藝經(jīng)驗(yàn)，回火溫度提高將使硬度明顯下降，這樣就與模具設(shè)計(jì)要求相矛盾，因此應(yīng)找到二者的最佳結(jié)合點(diǎn)。表1是Cr12MoV鋼常規(guī)的三種淬火、回火工藝。

表1 Cr12MoV鋼淬火、回火工藝

其中，低淬低回之后的工件一般不能進(jìn)行線切割加工，中淬中回特別適用于需要線切割或大量磨削的工件。

Cr12MoV 鋼屬高碳高合金鋼，由于殘留奧氏體的存在，因此如果淬火之后回火不足，就會(huì)有二次硬化效應(yīng)。假如殘留奧氏體量較多，組織不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致回火之后變形較大，當(dāng)模具工作中受到擠壓變形和沖擊時(shí)[7]，達(dá)到一定條件，殘留奧氏體便會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O脆馬氏體，導(dǎo)致材料的組織應(yīng)力急劇增加，使材料脆性斷裂的傾向急劇增大。

因此，該工件采用中淬中回工藝，并且3次回火。3次回火的目的不僅是消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低基體中殘留奧氏體的含量，關(guān)鍵還是在每一次的回火中，馬氏體和殘留奧氏體中碳析出后形成細(xì)粒針狀碳化物，降低了殘留奧氏體中的碳含量，不僅使工件尺寸性能穩(wěn)定，同時(shí)在每次加熱過程中將上一次轉(zhuǎn)變成的馬氏體又進(jìn)行了回火。由于殘留奧氏體的存在，所以一次長時(shí)間的回火是達(dá)不到目的的。

4 金相照片

Cr12MoV模具鋼屬于萊氏體鋼，鋼液澆注一次凝固析出的大量共晶組織，轉(zhuǎn)變組織為樹枝狀共晶萊氏體（M7C3型碳化物+奧氏體）和奧氏體[8]。隨著溫度下降，奧氏體中的碳不斷析出，共晶組織聚集、長大并尖銳化，樹枝狀碳化物異常長大。Cr12MoV鋼淬火之后碳化物體積分?jǐn)?shù)仍可達(dá)到13%～20%[9]。 由于碳化物與基體的膨脹系數(shù)不同，所以偏聚的碳化物會(huì)導(dǎo)致模具在淬火、回火之時(shí)及之后產(chǎn)生不均勻變形，也會(huì)引起其他性能出現(xiàn)各向異性。因此，為了延長模具的使用壽命，必須盡可能地使鋼中共晶碳化物彌散化。改善Cr12型模具鋼碳化物偏聚的主要方式是鍛造，通過重復(fù)鐓粗、拔長的鍛造方法，破碎一次和二次碳化物最終使之均勻分布。鋼經(jīng)鍛造后緩慢冷卻，隨后進(jìn)行退火。

圖3顯示共晶碳化物的不均勻程度，參照GB/T 14979—2007《鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》標(biāo)準(zhǔn)，此斷裂樣的共晶碳化物不均勻度參照?qǐng)D譜為8級(jí)，屬于標(biāo)準(zhǔn)圖譜中的最差等級(jí)。

圖3 熱處理后共晶碳化物的形態(tài)與分布

圖4顯示鋼中的大塊碳化物，參照J(rèn)B/T 7713—2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，其大塊碳化物尺寸超出了標(biāo)準(zhǔn)中的最差等級(jí)。

圖4同時(shí)顯示鋼中馬氏體級(jí)別，參照J(rèn)B/T 7713—2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗(yàn)》要求，其馬氏體級(jí)別可評(píng)定為2級(jí)，屬合格級(jí)別，且硬度也滿足要求，說明熱處理工藝合理。

圖4 大塊碳化物的形態(tài)

碳化物偏聚常出現(xiàn)在高碳高合金鋼中，例如Cr12MoV鋼，其特點(diǎn)是在個(gè)別區(qū)域有較多的碳化物偏聚。主要原因是熱加工時(shí)，二次碳化物在晶界呈網(wǎng)狀分布和鋼中大塊不均勻分布的共晶碳化物未被打碎導(dǎo)致的。零件在淬火時(shí)，這些偏聚區(qū)極易引起應(yīng)力集中。碳化物偏聚和網(wǎng)狀分布將大大降低鋼的鍛造變形性能，極易引起鍛件淬火后開裂。

Cr12MoV 模具鋼中碳化物級(jí)別應(yīng)小于2級(jí)[10]，由于大量Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%）的存在，鋼液澆注一次凝固析出的大量共晶組織，主要是硬度很高的鉻鐵復(fù)合碳化物（Fe，Cr）7C3極其穩(wěn)定，一般的熱處理很難細(xì)化，即使經(jīng)鍛造軋制處理后，在較大塊的鋼材中仍保留一些帶狀或網(wǎng)狀碳化物。大塊的碳化物周圍常有空位、位錯(cuò)等缺陷，這些區(qū)域沖擊韌度很差，不能承受很大沖擊，在交變載荷的作用下，這些缺陷很容易萌生疲勞裂紋。

5 結(jié)束語

1）顯微組織中碳化物的不均勻度和大塊碳化物形態(tài)尺寸與標(biāo)準(zhǔn)存在偏差，原材料的材質(zhì)極差。

2）凹模存在尖角部位。通過改善工藝流程，預(yù)開工藝腔，尖角部位改為圓角過渡，避免淬火過程或線切割過程中開裂。淬火之前預(yù)先開設(shè)工藝腔可以縮小淬火時(shí)的內(nèi)外溫差，有利于冷卻，使切割部位有足夠的韌性；改變內(nèi)應(yīng)力分布，可有效預(yù)防線切割時(shí)開裂。根據(jù)模具形狀，盡量將工藝孔增大，也助于內(nèi)應(yīng)力的釋放。

3）改善線切割的電流密度，減少線切割的應(yīng)力集中，合理選用線切割工藝參數(shù)。