影響冷沖模變形及開(kāi)裂因素分析

任 揚(yáng)

（天津力神電池股份有限公司，天津 300384）

在近幾年的生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)沖模變形或開(kāi)裂（主要是指工作部分），極大影響了模具使用壽命和工作效率。為此，針對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因作了探索分析。

1 碳化物偏析對(duì)模具變形開(kāi)裂的影響

現(xiàn)在使用的沖孔模，其工作部分材料均為Cr12鋼。其具有高淬透性、高耐磨性和熱處理變形小等優(yōu)點(diǎn)，但由于Cr12鋼的鑄態(tài)組織中有等晶碳化物和共析碳化物偏析，這些碳化物的分布在隨后的模具加工中如得不到充分改善，就會(huì)造成模具在加工或使用中變形與開(kāi)裂。

例如，用Cr12鋼制作的沖裁模使用時(shí)產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。由模具的碎塊分析，發(fā)現(xiàn)碳化物呈明顯的堆集或帶狀分布，斷裂的刃口正是碳化物堆集處。

目前供應(yīng)的Cr12鋼，其碳化物不均勻度的合格標(biāo)準(zhǔn)較低，而一般工廠尤其是那些沒(méi)有檢測(cè)手段的小型企業(yè)在對(duì)坯料鍛造時(shí)，比較注意鍛件的外形尺寸，而不太重視鍛件的內(nèi)在質(zhì)量，不重視控制鐓粗和拔長(zhǎng)的次數(shù)，使得Cr12鋼材的鍛件內(nèi)部仍然保留了材料的帶狀碳化物。這些碳化物性質(zhì)脆硬，就像微裂紋那樣分割著基體，破壞了基體的連續(xù)性，以致在使用過(guò)程中產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。解決的辦法是消除網(wǎng)狀等晶碳化物和共析碳化物偏析。要求坯料變形時(shí)橫截面積縮小至1/12～1/15（相當(dāng)于變形率90%），最好為橫截面縮小至1/30～1/40（相當(dāng)于變形率97%～98%）。因?yàn)樽冃温蕿?0%時(shí)有可能仍保留粗大的碳化物帶，變形率達(dá)98%時(shí)才能達(dá)到碳化物均布。

又如一幅U字型凹模，坯料經(jīng)過(guò)鍛造、球化退火，加工成形后進(jìn)行熱處理。熱處理采用常規(guī)的箱式爐加熱，井式爐回火，硬度為HRC60～63，軟點(diǎn)為HRC58，屬正常規(guī)范。但使用不久，凹模的尖角處出現(xiàn)裂紋。取樣進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)裂紋沿碳化物帶方向延伸且與U形模尺寸的長(zhǎng)度方向平行，與尺寸的寬度方向垂直。這說(shuō)明模具的變形（縱向與橫向的尺寸變化）和模具的裂紋，不僅與碳化物偏析有關(guān)，而且與碳化物偏析的方向有關(guān)。目前市場(chǎng)上出售的模具材料，一般采用壓延、鍛打的塑性加工方法鍛造。此時(shí)的碳化物沿壓延方向呈帶狀分布，材料的壓延方向就是材料的長(zhǎng)度方向。不同的材料取向（即長(zhǎng)度方向和與長(zhǎng)度方向垂直的方向）其機(jī)械性能也不同。當(dāng)沖模材料中有碳化物帶存在時(shí)，這種性能的差別會(huì)更大。

設(shè)計(jì)和制造模具時(shí)，一方面應(yīng)根據(jù)模具尺寸和形狀選擇合理的材料取向以及給出合理的加工余量，以達(dá)到尺寸變化小、磨削量小的目的；另一方面，也應(yīng)考慮材料的取向與模具受力方向的問(wèn)題。當(dāng)材料的長(zhǎng)度方向與加工主應(yīng)力方向垂直時(shí)，模具就具有較好的機(jī)械性能。當(dāng)材料的長(zhǎng)度方向與加工主應(yīng)力方向一致時(shí)，則就有可能沿碳化物帶產(chǎn)生裂紋。為此，模具設(shè)計(jì)與制造應(yīng)選擇正確的材料取向，如圖1所示。沖裁模更應(yīng)注意這一點(diǎn)。

2 淬透性對(duì)模具裂紋的影響

T10A鋼淬透性低，熱處理工藝稍有不當(dāng)或外力作用容易在工件內(nèi)部形成弧狀裂紋。例如，用T10A鋼凸模棱角處易形成弧狀裂紋，觀察其金相組織，凸模的表面組織為馬氏體，碳化物顆粒及殘余奧氏體，由表面向芯部逐步過(guò)渡，馬氏體量逐漸減少。屈氏體、索氏體由少增多，到芯部為屈氏體和索氏體。而裂紋產(chǎn)生在半馬氏體處。這類(lèi)裂紋產(chǎn)生的原因是：由于材料淬透性低，在淬火過(guò)程中模體表面與芯部的冷卻速度不一致，芯部冷卻速度慢，不能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。而出現(xiàn)屈氏體和索氏體組織，表面冷卻速度快，能快速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于各組織的比容不同，表層比容大，在薄的淬透層過(guò)渡區(qū)附近產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力很快影響到表層導(dǎo)致了凸模棱角部位產(chǎn)生弧狀裂紋。這類(lèi)模具如選用淬透性較高的材料制作，情況可能好一些。

圖1 正確選擇材料取向

3 回火對(duì)模具裂紋的影響

與其他高合金鋼一樣，施以二次硬化法淬火的Cr12型鋼制作的模具需要在500℃左右的溫度進(jìn)行多次回火，才能使殘余奧氏體分解充分，以充分達(dá)到二次硬化的效果。但如果模具在高溫回火時(shí)急冷，那么由于模具的內(nèi)外溫度造成內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變時(shí)間的差異，使得模具表層和內(nèi)部體積膨脹不同而開(kāi)裂。

4 磨削加工對(duì)模具裂紋的影響

磨削過(guò)程中，金屬的塑性變形及磨粒與工件的摩擦所消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｈ绻ハ骼鋮s不充分，那么這部分熱傳給工件，使工件磨削區(qū)域表面局部溫度升高可達(dá)1000℃以上。經(jīng)過(guò)淬火回火后的模具，將由于磨削熱而引起局部淬火，產(chǎn)生二次淬火組織和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，使模具表層局部區(qū)域產(chǎn)生不均勻的膨脹和收縮，導(dǎo)致磨削裂紋的產(chǎn)生。為此，在進(jìn)行磨削加工時(shí)，應(yīng)注意磨削進(jìn)給量，注意加強(qiáng)磨削冷卻，保持工件磨削時(shí)的超前冷卻。此外在可能條件下，砂輪線速度適當(dāng)降低。有關(guān)資料指出，砂輪線速度的提高，相當(dāng)于進(jìn)給量的增加，容易產(chǎn)生表面磨削高熱，但適當(dāng)提高工件速度對(duì)減少磨削熱也是有好處的。

5 電加工對(duì)模具開(kāi)裂的影響

模具在電加工后產(chǎn)生的裂紋也是由組織變化造成的，其表層由三部分組成：①最外層是熔化再凝固層。它是由工作電極和模具在火花放電時(shí)，被熔化金屬熔滴附于模具表面形成的。在金相顯微鏡下觀察呈白亮色，稱(chēng)白亮層。②火花放電，金屬被高溫加熱，隨后快速冷卻，形成再淬火層，其中含有大量殘余奧氏體，組織極不穩(wěn)定。③不完全重結(jié)晶區(qū)，位于Ac1與Ac3之間，加熱時(shí)部分金屬轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；另一部分組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此形成很不均勻的不完全結(jié)晶區(qū)，在金相顯微鏡下觀察呈黑色。

模具經(jīng)過(guò)電火花加工后，由于以上三個(gè)層次的存在，在模具表面形成了約20μm～30μm的變質(zhì)量。它受到很大的拉應(yīng)力，故易在表面（即重結(jié)晶區(qū)）與基體交界處形成裂紋，變質(zhì)層的組織為脆性組織，承受輕微沖擊就會(huì)產(chǎn)生裂紋。為此，應(yīng)盡量將變質(zhì)層去掉或在電火花加工后，用比該模具的回火溫度稍低一點(diǎn)的溫度進(jìn)行回火處理，這是一種提高模具耐磨性和防止開(kāi)裂的有效的工藝手段。

[1]王健安，主編.金屬學(xué)與熱處理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[2]黃毅宏，主編.模具制造工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.