Cr12MoV鋼拉深模失效分析及工藝改進(jìn)

關(guān)慧歡，徐繼東，劉燕燕，張懷青，崔鵬飛，吳傳博

濰柴動力（濰柴）裝備技術(shù)服務(wù)有限公司 山東濰坊 261000

1 序言

模具在航空航天、汽車、自動化以及日常生活用品制造中占的比重越來越大。冷作模具鋼用在金屬或非金屬材料的沖載、拉深、彎曲、冷鐓、滾絲及壓彎等工序。為滿足工模具能滿足沖擊、磨損、彎曲、剪切等條件，材料需具備優(yōu)良的強(qiáng)韌性。而Cr12MoV鋼，屬高鉻微變形模具鋼，具有很高的耐磨性、淬透性、熱穩(wěn)定性，經(jīng)常用于制造高耐磨、微變形、高負(fù)荷服役條件下的冷作模具和工具，該鋼雖然強(qiáng)度、硬度高，耐磨性好，但其韌性較差。某拉深模由Cr12MoV鋼制造，其工藝流程是：鍛造→下料→加工→淬火→回火→磨削。

某單位C r12M o V拉深模，經(jīng)過1030℃淬火+200℃回火，在回火后發(fā)現(xiàn)裂紋，失效的拉深模如圖1a所示。從失效拉深模上取試塊，可見斷口條紋沿縱向分布呈放射狀，屬于脆性解理斷裂，如圖1b所示。

圖1 失效拉深模宏觀形態(tài)

2 試驗(yàn)方法

采用OBLF直讀光譜儀對失效拉深模檢測化學(xué)成分；用線切割機(jī)截取試樣，并將試樣研磨、拋光后，用4%硝酸酒精進(jìn)行浸蝕；用DM2000X倒置金相顯微鏡檢驗(yàn)試樣金相；用數(shù)顯洛氏硬度計檢驗(yàn)硬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分檢測

用直讀光譜儀檢測失效拉深模及同批次板材原料化學(xué)成分，結(jié)果見表1。檢測1為失效拉深模化學(xué)成分，檢測2為與拉深模同批次的板材原料化學(xué)成分，成分均符合GB/T 1299—2014中Cr12MoV工模具鋼化學(xué)成分要求，見表1。

表1 Cr12MoV化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 硬度檢測

對同批次原料進(jìn)行布氏硬度檢測，硬度為229HBW、241HBW，滿足GB/T 1299—2014工模具鋼退火狀態(tài)207～255HBW要求。

3.3 金相檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 1299—2014工模具鋼要求，退火狀態(tài)交貨的Cr12MoV鋼應(yīng)檢驗(yàn)共晶碳化物不均勻度，合格級別按照表2中規(guī)定。此板料厚度為60mm，共晶碳化物不均勻度合格級別≤4級。

表2 冷作模具鋼共晶碳化物不均勻度合格級別

（1）失效拉深模金相檢驗(yàn) 在發(fā)生裂紋的拉深模上取試塊進(jìn)行金相檢驗(yàn)，圖2為拉深模100倍金相組織，基體為回火馬氏體、少量殘留奧氏體、顆粒狀的共晶和二次碳化物。從圖2a中可以看出碳化物聚集成堆，塊狀、條狀的碳化物顆粒較粗大，呈帶狀及網(wǎng)狀，共晶碳化物不均勻度對照GB/T 14979—1994 標(biāo)準(zhǔn)第四級別圖評為6級，不滿足GB/T 1299—2014對工模具鋼要求。原材料中網(wǎng)狀碳化物[1]鍛造時未能改善，促使晶界處脆性增加，在淬火應(yīng)力作用下出現(xiàn)開裂，裂紋沿碳化物分布的方向擴(kuò)展，如圖2b所示。

圖3為拉深模500倍金相組織，大塊狀碳化物最大尺寸為0.165mm，對照J(rèn)B/T 7713—2007 標(biāo)準(zhǔn)大塊狀碳化物評級別大于5級，見表3。通常Cr12MoV鋼模具的碳化物級別不得大于3級[2]。這些聚集成堆的大塊狀碳化物，在正常淬火加熱溫度下是不易溶入基體的，致使碳和合金元素貧乏的基體處于過熱狀態(tài)，晶粒長大，淬火后獲得粗大淬火馬氏體組織。粗大碳化物和馬氏體都是脆性很大的顯微組織，當(dāng)淬火或者承受較大載荷時容易開裂，裂紋多沿碳化物分布的方向擴(kuò)展。

圖2 淬火回火組織（100×）

圖3 淬火回火組織（500×）

表3 大塊狀碳化物級別

（2）同批次板材原料金相檢驗(yàn) 在同批次板材原料上取試塊進(jìn)行金相檢驗(yàn)。圖4為原料100倍金相組織，基體為索氏體、白色顆粒及條狀碳化物和共晶碳化物。條狀碳化物顆粒較粗大，成帶狀及網(wǎng)狀分布。共晶碳化物不均勻度對照GB/T 14979—1994中第四級別圖評為6級，不滿足GB/T 1299—2014中對工模具鋼要求。

圖5為原料500倍金相組織，大塊狀碳化物最大尺寸為0.093mm，對照J(rèn)B/T 7713—2007中大塊狀碳化物評級為大于5級，見表3。原料碳化物的邊緣呈尖角狀，尖角的存在極易造成應(yīng)力集中而增加淬火開裂、磨裂的危險。

圖4 原料組織（100×）

圖5 原料組織（500×）

4 工藝分析及改進(jìn)

通過對原材料重新鍛打，碎化、細(xì)化共晶碳化物，把粗大的枝晶狀共晶碳化物打碎，提高碳化物分布的均勻性。并在熱處理淬火前增加球化退火預(yù)處理[3]。退火工藝為550℃+860℃（180min）+750℃（300m i n），隨爐冷至室溫。淬火工藝為550℃（預(yù)熱1）+850℃（預(yù)熱2）+1030℃淬火，降低升溫速率，由15℃/min降至10℃/min。回火溫度調(diào)至230℃，回火兩次。

拉深模采用新工藝進(jìn)行熱處理，金相組織如圖6所示，基體為回火馬氏體、少量殘留奧氏體以及白色塊、粒狀碳化物。碳化物不均勻性為2級，檢驗(yàn)該工藝回火后的拉深模硬度為60.3HRC、61.5HRC，滿足技術(shù)要求58～62HRC，未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋現(xiàn)象。

圖6 工藝改進(jìn)后回火金相圖片（100×）

5 結(jié)束語

1）拉深模失效的主要原因是原材料中碳化物聚集成堆，塊狀、條狀的碳化物顆粒較粗大，呈帶狀及網(wǎng)狀，共晶碳化物不均勻度為6級。大塊狀碳化物尺寸為0.069mm，級別大于5級。粗大碳化物顆粒，且存在嚴(yán)重碳化物偏析，在淬火應(yīng)力作用下引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。

2）通過對原材料重新鍛打，碎化、細(xì)化共晶碳化物，把粗大的枝晶狀共晶碳化物打碎，提高碳化物分布的均勻性。在熱處理淬火前增加球化退火預(yù)處理，淬火時降低升溫速率，減小淬火應(yīng)力，可產(chǎn)出滿足技術(shù)要求的產(chǎn)品。