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Cr12MoV钢冷镦凹模断裂分析
高美兰，白树全
(包头职业技术学院材料工程系，内蒙古包头
014030)
摘
要：分析了材料为Cr12MoV的标准件冷镦凹模断裂原因，发现主要是由于淬火温度过高和回火不够充分所致，通过选择适当的淬火温度并进行充分回火，可以延长模具的使用寿命。
关键词：冷镦模；断裂；淬火；回火
1
引言
材料为Cr12MoV的某标准件冷镦凹模化学成分见表1，设计要求可成形冷镦螺钉10000件，结果平均只冷镦4000件左右，3个凹模就均出现了问题，其中2个冷镦凹模在凹形圆槽处崩裂，另一个在凹形槽处出现放射线裂纹，如图1、2所示。为此对该冷镦凹模断裂原因进行了分析，并对其生产工艺提出改进措施。
图1
纵向裂纹断口
图2
横向裂纹断口
2
断口分析
2.1
宏观特征
取原材料和3个出现裂纹的凹模进行热酸检查，除疏松较严重外(有的碳化物颗粒腐蚀掉)，枝晶偏析不明显，未发现夹杂和气泡等缺陷，凹模上的横、纵向裂纹均暴露出来，如图3所示。该断口为粗瓷状，从凹模外圆断裂处能看出裂纹有从外向圆心发展的，也有从圆心向外发展的，说明内外均有造成断裂的应力存在。
图3
热酸蚀后横、纵向裂纹
图4
继续发展的裂纹(400×)
2.2
微观特征
通过显微分析可以看出，该裂纹断裂面上没有氧化色，裂纹四周也没有脱碳现象，因此认为该冷镦凹模有2种裂纹：一种是淬火冷却裂纹，一种是淬火冷却裂纹的继续发展。2种裂纹的表现既有共同点也有不同点，共同点是均沿晶界开裂，裂纹两侧无脱碳现象，也无非金属夹杂物。不同点表现为淬火裂纹较宽，沿碳化物界面裂开。继续发展的裂纹较窄，并把碳化物击断，如图4所示。
2.3
显微组织分析
原材料的夹杂物为：硫化物0级，氧化物1级。锻造后球化退火，其横向组织为在索氏体基体上分布着块状和粒状碳化物，有少许堆积现象，无未击碎的共晶碳化物存在，如图5所示。纵向组织为在索氏体基体上分布着细带状碳化物(评为3级，要求≤4级)，如图6所示。
图5
原材料的横向组织(400×)
图6
原材料的纵向组织(400×)
断裂的冷镦凹模中的夹杂物为：硫化物0.5级，氧化物1级。显微组织中有大量的残留奥氏体，奥氏体晶界上有细针状马氏体和黑色相，块状碳化物有的开始熔化，粒状碳化物减少，碳化物有明显聚集，三者占整个视场的比例为：残留奥氏体A60%+30%M和黑色相+10%K，如图7所示。从纵向观察，碳化物变得更为粗大，呈大块或呈长形按带状方向分布，晶界上黑色相更为明显，如图8所示。
图7
断裂冷镦凹模的横向组织(400×)
图8
断裂冷镦凹模的纵向组织(400×)
2.4
工艺分析
根据以上裂纹特征判断，该裂纹属于淬火裂纹，为此查阅了其热处理工艺文件。该冷镦凹模实际进行了2次淬火回火，第1次采用800～850℃预热25min，再加热到1130℃保温25min后油冷，然后550～560℃回火2次，每次回火60min，硬度为40～48HRC，没有达到58～62HRC的技术要求。因此又进行了第2次返工，具体工艺为800～850℃预热25min，再加热到1070℃保温25min后油冷，然后550～560℃回火3次，每次回火60min，硬度达到58～62HRC技术要求。
3
结果分析
从以上断裂特征、金相组织以及热处理工艺分析发现，这批冷镦凹模没有达到设计要求的使用寿命的主要原因是由于第1次淬火温度过高和回火不够充分，导致组织不完善所致。由于第1次淬火温度过高，使得部分碳化物熔化，但保温时间不长，奥氏体晶粒尚未长大，温度过高导致晶界开始氧化，晶界氧化的产物就是黑色相。从凹模断口上反映出来不是细瓷状断口而是粗瓷状断口。回火不够充分导致有大量残留奥氏体存在，只有30%马氏体，故硬度偏低，只有40～48HRC。大量残留奥氏体能否用补充回火的方法加以消除?做了如下实验：在磨制片过程中，将试片磨制过热到发蓝、发黄，观察此处组织为完全的回火马氏体，残留奥氏体几乎消除，这说明试片在磨制时产生了再回火现象。将试片放在540～550℃炉内保温60min后再深磨，观察发现，残留奥氏体全部转变为回火马氏体，如图9所示。经过第2次返工，硬度虽然达到了58～62HRC技术要求，但硬度合格并不能保证综合力学性能良好，Cr12MoV不但淬透性好，在300～400℃使用可保存良好的硬度和耐磨性，而且冲击韧性比Cr12Mo钢好，故多用来制造形状复杂的冲孔凹模。要保证凹模耐磨性和冲击韧性良好，热加工中要对碳化物的粗细、分布及形状加以控制，碳化物粗大虽然保证硬度没有问题，但是粗大的碳化物会造成最后机加工磨制时产生龟裂，使凹模使用时出现崩裂。由于第1次淬火后所造成的部分碳化物熔化，聚集长大以及黑色相析出的问题在第2次返工时并没有得到解决，造成该冷镦凹模早期失效。
图9
补充回火后的组织
4
结束语
在模具结构、材料和使用条件不变的情况下，保证热处理质量，采用最佳热处理工艺是充分发挥模具材料性能潜力，提高模具使用寿命的关键。如果热处理工艺不合理而引起热处理缺陷，则会严重损害模具使用性能，并导致其早期失效。尤其是淬火与回火工序是保证模具性能的关键环节，淬火与回火工艺合理与否对模具使用寿命有着直接的影响。
鉴于以上分析，重新制定了热处理工艺，采用800～850℃预热25min，再加热到1040℃保温25min后油冷，然后经过500～520℃回火2次，每次回火120min，硬度达到58～62HRC技术要求，凹模使用寿命也达到了冷镦螺钉10000件的设计要求。
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