Cr12MoV模具鋼淬火開裂原因分析

王坤

廣東環境保護工程職業學院機電工程系 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化晶粒。Cr12MoV 鋼具有高淬透性，在各類模具制造中應用廣泛[1-3]。但用Cr12MoV模具鋼制造的模具凹模結構相對比較復雜且要求較高，不能用傳統的加工工藝完成，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線切割開裂的嚴重問題，產生開裂缺陷的比例超過20%[4]，延長了模具的制造周期，給企業帶來經濟損失。本文對失去應有功能的零件進行失效分析，尋找失效原因，提出預防措施，對于工業生產具有重要的現實意義，可以促進產品質量改善，提高生產效率[5，6]。

2 試驗材料與方法

試驗材料為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，線切割加工時出現裂紋。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→線切割內孔→精加工成形，工件熱處理工藝如圖2所示，Cr12MoV鋼導熱性差，650℃預熱90min，850℃預熱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 試驗結果及分析

在模具設計中，適當的硬度是很重要的。然而要使線切割時開裂現象得到改善，必須使模具內部淬火應力盡量減弱甚至消除。而要消除淬火應力就應該提高回火溫度或是進行長時間回火，在實際生產中，長時間回火不符合生產節拍要求，并且消除應力的效果在較長的一段回火時間內也不是很明顯。按照以往成形工藝經驗，回火溫度提高將使硬度明顯下降，這樣就與模具設計要求相矛盾，因此應找到二者的最佳結合點。表1是Cr12MoV鋼常規的三種淬火、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，就會有二次硬化效應。假如殘留奧氏體量較多，組織不穩定，會導致回火之后變形較大，當模具工作中受到擠壓變形和沖擊時[7]，達到一定條件，殘留奧氏體便會轉變為極脆馬氏體，導致材料的組織應力急劇增加，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應力，降低基體中殘留奧氏體的含量，關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定，同時在每次加熱過程中將上一次轉變成的馬氏體又進行了回火。由于殘留奧氏體的存在，所以一次長時間的回火是達不到目的的。

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數仍可達到13%～20%[9]。 由于碳化物與基體的膨脹系數不同，所以偏聚的碳化物會導致模具在淬火、回火之時及之后產生不均勻變形，也會引起其他性能出現各向異性。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。鋼經鍛造后緩慢冷卻，隨后進行退火。

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定法》標準，此斷裂樣的共晶碳化物不均勻度參照圖譜為8級，屬于標準圖譜中的最差等級。

圖3 熱處理后共晶碳化物的形態與分布

圖4顯示鋼中的大塊碳化物，參照JB/T 7713—2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》標準，其大塊碳化物尺寸超出了標準中的最差等級。

圖4同時顯示鋼中馬氏體級別，參照JB/T 7713—2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》要求，其馬氏體級別可評定為2級，屬合格級別，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

碳化物偏聚常出現在高碳高合金鋼中，例如Cr12MoV鋼，其特點是在個別區域有較多的碳化物偏聚。主要原因是熱加工時，二次碳化物在晶界呈網狀分布和鋼中大塊不均勻分布的共晶碳化物未被打碎導致的。零件在淬火時，這些偏聚區極易引起應力集中。碳化物偏聚和網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 模具鋼中碳化物級別應小于2級[10]，由于大量Cr（質量分數為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合碳化物（Fe，Cr）7C3極其穩定，一般的熱處理很難細化，即使經鍛造軋制處理后，在較大塊的鋼材中仍保留一些帶狀或網狀碳化物。大塊的碳化物周圍常有空位、位錯等缺陷，這些區域沖擊韌度很差，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 結束語

1）顯微組織中碳化物的不均勻度和大塊碳化物形態尺寸與標準存在偏差，原材料的材質極差。

2）凹模存在尖角部位。通過改善工藝流程，預開工藝腔，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。淬火之前預先開設工藝腔可以縮小淬火時的內外溫差，有利于冷卻，使切割部位有足夠的韌性；改變內應力分布，可有效預防線切割時開裂。根據模具形狀，盡量將工藝孔增大，也助于內應力的釋放。

3）改善線切割的電流密度，減少線切割的應力集中，合理選用線切割工藝參數。