Cr12MoV鋼制電池圓模失效分析及熱處理工藝研究

朱繁康，張偉文，冼酷元

（廣州華工光機電科技有限公司，廣東 廣州 510640）

0 引言

圓模是電池生產過程中的重要部件，其主要功能是將電池粉末擠壓成型。電池粉末通常有硬質點，因此要求圓模具有高的耐磨性和良好的韌性，通常圓模熱處理硬度要求為60～62 HRC。在電池生產線中，1副模具由56套圓模組成，模具每開合一次可以成型56粒電池。模具工作中開合頻率高，如果有1副圓模發生早期失效，就會導致生產線停產，造成損失。某電池生產企業采用Cr12MoV鋼制造電池圓模，圓模在使用初期發生開裂。開裂電池圓模如圖1所示，外形尺寸為?40 mm×48 mm，內孔為?18 mm，外表面中間有圓弧槽。在圓模端面產生2條裂紋，如圖1箭頭指示處，裂紋深度約為高度的1/2，2條裂紋沿中心孔對稱分布。

圖1 開裂圓模

圓模的加工工藝為：下料→機械加工（車外圓、車圓弧槽、鉆內孔）→真空淬火、回火→磨平面、磨外圓、磨內孔→組裝。圓模原淬火工藝如圖2所示，回火溫度為150℃，回火時間為5 h，回火次數為2次。為了尋找圓模開裂的原因，避免再次出現早期失效，減少經濟損失，現對開裂圓模進行分析，并進行熱處理工藝改進試驗，獲得符合實際生產并延長模具使用壽命的熱處理工藝。

圖2 圓模原淬火工藝

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

失效分析采用早期開裂的圓模，工藝試驗材料選用與正常生產電池圓模同一批次的圓棒，直徑為?42 mm。截取長度為200 mm，用線切割加工?15 mm的小圓棒，用于機加工拉伸試樣，最終拉伸試樣為?10 mm圓棒，兩頭為M15 mm×20 mm的螺紋，與中間拉伸部位有R3 mm過渡圓角。從原材料中截取?42 mm×55 mm圓棒，并線切割11 mm×11 mm×55 mm方條，四面經過磨削加工成10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣。從原材料中截取?42 mm×12 mm圓片，用磨床加工上、下平面，加工厚度至11 mm，再用線切割加工10 mm×10 mm×11 mm的磨損試樣和15 mm×15 mm×11 mm硬度和金相組織試樣。每組工藝加工3個試樣，試驗數據取平均值。

1.2 試驗設備

在VOQ2-150型真空爐進行淬火，在SLX系列Ⅰ型深冷箱進行深冷處理，在RJ2-45-6型井式回火爐進行回火，在WAW-500C型微機控制電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗，在JB230型沖擊試驗機進行無缺口沖擊試驗，在MM-200型磨損試驗機上進行磨損試驗。使用NOVA NANOSEM430型環境掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，使用OLIMPAS金相顯微鏡觀察金相組織，硬度檢測使用HRB-150型洛氏硬度計。

2 圓模開裂原因分析

2.1 化學成分分析

采用直讀光譜儀對開裂圓模上切割的試樣進行化學成分分析，結果如表1所示，符合標準GB/T 1299-2014《合金工具鋼》中的Cr12MoV鋼規定。

表1 圓模材料化學成分 質量分數

2.2 硬度檢測

采用硬度計檢測開裂圓模的端面硬度，測試結果為61、61.8、61.5 HRC，符合模具技術要求。

2.3 斷口檢測

觀察圓模開裂面，斷口呈銀灰色，斷口宏觀上沒有明顯的塑性變形，組織細密、均勻，不存在夾渣和非金屬夾雜物。在開裂面上可以看到由內孔與端面相交位置的放射狀裂紋擴展條紋，呈河流狀和撕裂嶺，為典型的脆性斷裂，如圖3（a）所示。觀察裂紋源處斷口形貌，斷口平坦且有亮灰色金屬光澤，呈細瓷狀。由于存在碳化物顆粒，碳化物集中處產生長度約8 μm的顯微裂紋，如圖3（b）細箭頭所示，在裂紋處可見塊狀共晶碳化物顆粒，如圖3（b）粗箭頭所示。

圖3 斷口形貌

2.4 非金屬夾雜物檢測

從裂紋源處取試樣進行金相試樣制備，參照標準GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，對圓模材料的非金屬夾雜物進行評級。圖4（a）所示為試樣軸向金相磨面未經浸蝕的微觀形貌，圖4（b）為圖4（a）局部位置放大。由圖4（a）可以判定試樣非金屬夾雜物等級結果，如表2所示，圓模材料中非金屬夾雜物等級并未超標。

2.5 金相組織

圖4 非金屬夾雜物

表2 非金屬夾雜物評價結果

試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕10 min后，圓模材料軸向的金相組織如圖5所示，徑向的金相組織如圖6所示。

由圖5（a）可知，圓模材料共晶碳化物呈帶狀分布，根據GB/T 14979-1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》第四評級圖評級，評定材料共晶碳化物不均勻度等級為2級。根據標準JB/T 7713-2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》，當材料直徑≤?50 mm時，材料共晶碳化物不均勻度等級按第1組的合格標準為≤3級，按第2組的合格標準為≤4級。因此，圓模材料的共晶碳化物不均勻度等級符合該標準的第1組規定，圓模材料共晶碳化物不均勻度合格。由圖6（a）可知，圓模材料共晶碳化物徑向呈帶狀分布不明顯，共晶碳化物基本呈點狀分布。

由圖5（b）和圖6（b）可知，圓模材料的金相組織為馬氏體+殘留奧氏體+共晶碳化物+二次碳化物，碳化物沿圓模軸向延伸分布，部分大塊碳化物邊角銳利。由圖5（b）可以看出，圓模材料大塊碳化物最大尺寸為0.05 mm，根據標準JB/T 7713-2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》，圓模材料大塊碳化物等級為5級，大塊共晶碳化物等級不合格。圓模材料組織均勻，晶界清晰，晶粒比較細小，根據標準GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，晶粒度評定為9.5級；針狀馬氏體細小，根據標準JB/T 7713-2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》，圓模材料馬氏體等級為2級；殘留奧氏體量較多。

圖5 軸向金相組織

2.6 失效原因分析

圖6 徑向金相組織

根據化學成分檢測，圓模材料是標準Cr12MoV鋼。對試樣進行非金屬夾雜物檢測，未發現材料存在異常冶金質量缺陷。圓模材料共晶碳化物分布均勻且大部分共晶碳化物細小，不過仍有少部分大塊碳化物的尺寸較大，并且保留明顯的棱角。晶粒和針狀馬氏體針均細小，表明圓模材料淬火加熱過程中沒有過熱和過燒。圓模硬度要求較高，熱處理過程采用低溫回火，回火保溫時間短，淬火馬氏體和殘留奧氏體未完全轉變，組織穩定性差，熱處理應力未能充分消除，材料存在較大脆性。工作時，圓模受徑向擠壓力和軸向摩擦力作用，容易在碳化物棱角與基體的界面萌生疲勞裂紋，同時圓模受摩擦發熱，會發生組織轉變，殘留奧氏體轉變為淬火馬氏體，淬火馬氏體轉變為回火馬氏體，并產生組織應力，當總的應力大于圓模材料抗拉強度時，會在圓模薄弱位置產生裂紋。

3 圓模熱處理工藝試驗

3.1 試驗方法

試驗方法如表3所示。

表3 試驗方法

3.2 試驗結果

3.2.1 硬度測試結果

圖7所示為經過不同工藝處理試樣的硬度測試結果，工藝1處理的試樣平均硬度為60.3 HRC，但有一個試樣硬度低于60 HRC。工藝2處理的試樣平均硬度最低，為60.0 HRC，也有一個試樣硬度低于60 HRC，硬度為59.3 HRC。工藝3處理的試樣平均硬度最高，平均硬度為61.8 HRC，3個試樣的硬度均超過了61 HRC，最高硬度為62.6 HRC。

圖7 硬度測試結果

3.2.2 金相組織結果

圖8所示為經過不同工藝處理試樣的金相組織。由圖8（a）可知，大塊碳化物仍然保持尖銳的邊角，針狀馬氏體細小，基體中存在較多的殘留奧氏體；由圖8（b）可知，大塊碳化物尖銳的邊角得到一定的鈍化，針狀馬氏體相對較粗大，殘留奧氏體量含量較少；由圖8（c）可知，大塊碳化物尖銳邊角已鈍化，基體分布少量的小塊碳化物，針狀馬氏體細小，殘留奧氏體含量較少。由于工藝3預處理工藝淬火保溫溫度高，將大部分的碳化物溶入基體中，快速冷卻時溶入基體的碳化物來不及析出，而最后的淬火工藝加熱溫度相對較低，之前溶于基體內的碳化物仍然保持在基體中，針狀馬氏體細小，殘留奧氏體量較少，晶粒細小[1]。淬火后經過深冷處理，使殘留奧氏體進一步轉變馬氏體，同時使碳化物細小顆粒彌散析出[2]。

3.2.3 力學性能測試結果

圖8 顯微組織

圖9所示為經過不同工藝處理試樣的力學性能測試結果，工藝1處理的試樣平均抗拉強度為1 712 MPa，最低抗拉強度為1 660 MPa，最高抗拉強度為1 749 MPa；工藝2處理的試樣平均抗拉強度為1 700 MPa，最低抗拉強度為1 678 MPa，最高的抗拉強度為1 725 MPa；工藝3處理的試樣平均抗拉強度為1 772 MPa，最低抗拉強度為1 743 MPa，最高的抗拉強度為1 787 MPa。由圖9可知，工藝3處理的試樣抗拉強度最高。

3.2.4 沖擊韌性測試結果

圖10所示為經過不同工藝處理試樣的沖擊測試結果，沖擊吸收功最小的是工藝2處理的試樣，平均沖擊吸收功為1.9 J；其次為工藝1處理的試樣，平均沖擊吸收功為2.6 J；沖擊吸收功最大的是工藝3處理的試樣，平均沖擊吸收功為3.6 J。由圖10可知，工藝3處理的試樣韌性最好。

圖9 力學性能測試結果

圖10 試樣的沖擊測試結果

3.2.5 磨損試驗測試結果

對磨副材料為Cr12MoV鋼，硬度為60 HRC，施加載荷為196 N，轉速為200 r/min，磨損時間120 min，在室溫下干摩擦，用萬分之一精度電子天平稱試樣試驗前后的質量，計算磨損質量。圖11所示為為不同工藝處理的試樣磨損試驗測試結果，工藝1處理的試樣磨損量最多，平均磨損量為22.7 mg；工藝3處理的試樣磨損量最少，平均磨損量為9.8 mg；工藝2處理的試樣磨損量居中，平均磨損量為16.1 mg。因此，工藝3處理的試樣耐磨性最好，其耐磨性是工藝1處理的試樣的2.3倍，淬火后深冷處理可以有效提高耐磨性[2,3]。

4 結束語

圖11 試樣的磨損試驗測試結果

（1）電池圓模失效的主要原因是熱處理回火不充分，材料中殘留奧氏體量多，組織不穩定，應力消除不完全；次要原因是材料中大塊碳化物棱角明顯且尺寸較大。

（2）對3種工藝進行試驗，工藝3處理的試樣硬度、抗拉強度、沖擊韌性和耐磨性最好。

（3）運用工藝3對圓模進行熱處理生產，硬度均大于61 HRC，圓模連續使用3個月均未發生早期開裂或磨損等現象，取得了滿意的效果。