Cr12MoV鋼模板磨削開裂原因分析
本站之前發表過：Cr12MoV鋼顯微組織 Cr12MoV鋼陶瓷模具異常開裂分析 Cr12MoV鋼模具開裂了與熱處理沒關系? 等文章; 今天們再來一起研究一下：Cr12MoV鋼模板磨削開裂原因分析 。
Cr12MoV鋼模板在磨削加工過程中磨面出現了裂紋，磨削表面有明顯的褐色振紋焦斑，見圖1，經著色探傷顯示，沿孔周圍有放射狀裂紋及細小網絡狀裂紋，見圖2。模板的設計要求如下：規格為580mm*210mm*50mm，材料為Cr12MoV鋼，馬氏體級別<3級，硬度60-64HRC；加工工藝路線為：原材料→下料→機械加工→真空淬火+回火→磨削加工→線切割加工→鉗工修整；真空熱處理工藝為650℃預熱90min， 820℃預熱90min，升至1020℃開始保溫，保溫時間60min。預冷淬靜油（60-80℃），油中冷卻15分鐘出油；180℃×3h二次回火。筆者就模板的開裂原因進行了分析，并提出了相應的改進措施。
圖1 模板開裂實物圖
圖2 模板著色探傷后裂紋形貌
1、理化檢驗
1.1化學成份分析
沿裂紋區域取樣， 退火后鉆取樣屑，采用滴定法及碳硫分析儀進行化學成分分析，結果見表1，元素含量均符合GB/T1299-2008《合金工具鋼》對Cr12MoV鋼成分的技術要求。
表1 Cr12MoV鋼模板化學成分（質量分數） %
化 學 成 份 | ||||||||
元素 | C | Cr | Mo | V | Si | Mn | S | P |
實測值 | 1.65 | 12.05 | 0.41 | 0.22 | 0.18 | 0.31 | 0.008 | 0.015 |
標準值 | 1.45-1.70 | 11.00-12.50 | 0.40-0.60 | 0.15-0.30 | ≤0.40 | ≤0.40 | ≤0.030 | ≤0.030 |
1.2金相檢驗
沿裂紋區域取樣磨拋成金相試樣，用化學侵蝕法顯示其組織。按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》評定非金屬夾雜物，結果見表2。
表2、模板非金屬夾雜物級別
類型 | A類夾雜物 | B類夾雜物 | C類夾雜物 | D類夾雜物 |
級別（級） | 1.5 | 0.5 | 0.5 | 0 |
共晶碳化物呈網狀分布，按照GB/T14979-94《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》標準第四級別圖評定共晶碳化物不均勻度級別5級，見圖3。
圖3 共晶碳化物分布形貌100X
將磨削面輕拋后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，磨削面呈現出黑白相間的條帶，白色條帶為二次淬硬區域，黑色為高溫燒傷回火區域，見圖4。
圖4 模板磨削面二次淬硬層及高溫燒傷層形貌40X
與磨面垂直的試樣表面有清晰的白亮層，為二次淬火馬氏體，淬硬層深度0. 05 mm; 次表層顏色較深，為高溫回火組織，即回火托氏體，燒傷層總深度0．21 mm，見圖5。這是磨削加工所產生的熱量使表層溫度升高到相變點AC1以上奧氏體化，隨后由于磨削液及工件自身的冷卻，產生了二次淬火馬氏體，難以腐蝕呈白亮色。由表及里溫度逐漸降低，次表層溫度接近AC1時，被高溫回火，因析出了大量碳化物而易腐蝕。裂紋與表面垂直，且深淺不一，較深處為0.35mm，裂紋內無氧化物，兩側無氧化脫碳現象，見圖5，說明該裂紋為磨削裂紋。裂紋穿透磨削燒傷層，說明工件內應力較大，組織回火不足。
圖5 二次淬火層、回火燒傷層及表面裂紋形貌 100X
基體顯微組織為馬氏體+殘留奧氏體+共晶碳化物+顆粒狀碳化物，按JB/T 7713-2007 《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》標準評定，馬氏體為2級，見圖6。
圖6 基體顯微組織形貌 400X
1.3硬度測試
用HR-150A洛氏硬度計檢測，硬度為61.5HRC；61.0HRC；61.5HRC，符合設計要求。
二次淬火層及高溫燒傷層的硬度用HXD-1000TMC顯微硬度計檢測HV0.1，按照GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》標準換算成HRC，測試結果見表3。二次淬火層、高溫燒傷層硬度均不符合設計要求。
表3 二次淬火層及高溫燒傷層的硬度
二次火硬層硬度值 | 高溫燒傷層硬度值 | |
HV0.1 | 745，756，760 | 653，647，667 |
相當于HRC | 62．0，62.5，62.5 | 58.0，57.5，58.5 |
2．分析與討論
磨削是利用砂輪的切刃和模板接觸進行磨擦切削，磨削所消耗的功幾乎80%變成了熱量，使模板表面的溫度驟然間升高，可達800℃以上產生馬氏體相變，且磨削熱向工件內傳播，沿截面急劇改變零件的溫度,它可產生兩方面的變化：⑴模板表面被繼續回火，導致硬度下降，比容驟減；當磨削激烈時會產生二次淬火現象，并將其次層回火，見圖6。淺表層金屬因比容減小而導致體積收縮，因受到內層金屬的阻礙，而引起（兩向）拉應力，它是磨削拉應力主要組成部分之一；⑵被磨削熱加熱而使體積膨脹了的淺表層金屬,在隨后的冷卻（冷卻液作用下）期間，由于體積迅速收縮受到內層金屬的阻礙，也在淺表面內產生了拉應力，它是磨削拉應力的另一個構成部分[7]。
模板基體組織回火不充分，組織穩定性差，熱處理應力未能充分消除，且殘留奧氏體亦不能完全轉變，磨削時受磨削集熱的影響，將生成新生馬氏體，使材質的脆性增加；模板共晶碳化物呈封閉網絡狀、堆積狀、銳利尖角狀分布，增加了切口效應；當磨削過烈時，工件表層被二次淬火，表層金屬比容增大導致體積膨脹，共晶碳化物尖角及聚集處成為應力集中源； 模板在磨削過程中，磨削力、摩擦力大或者砂輪過鈍等因素，形成了復雜的應力狀態，包括原有的殘余應力（如回火不充分、組織均勻性差而產生附加內應力），磨削熱引起的熱應力、高速磨削時的機械（滾壓）應力及磨削過程中發生的相變（表層溫度過高引起馬氏體相變）所引起的組織應力等，當總應力超過工件本身的強度極限時，二次淬火層的共晶碳化物尖角處將率先啟裂，產生磨削裂紋。
3．結論與措施
（1）由于模板回火不充分，碳化物均勻性較差，磨削時進給量大，冷卻不充分或砂輪過鈍等因素，使得模板磨削加工時產生了磨削裂紋。
（2）原材料應充分改鍛，加大鍛造比，可降低共晶碳化物不均度級別；適當延長回火時間，充分消除淬火應力；磨削加工時嚴格控制進磨量，充分冷卻，及時修整砂輪，可有效防止磨削開裂。
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