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Cr12MoV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)
一、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。
二、試驗(yàn)結(jié)果與分析
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)) (%)
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。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
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2 淬火回火組織(100×)
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。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3 淬火回火組織(500×)
表3 大塊狀碳化物級別
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4 原料組織(100×)
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5 原料組織(500×)
三、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。退火工藝為550℃+860℃(180min)+750℃(300min),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×)
四、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。作者:關(guān)慧歡,徐繼東等
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