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【案例分析】Cr12MoV拉深模回火后發現裂紋，啥原因？

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,材料需具備優良的強韌性。而Cr12MoV鋼,屬高鉻微變形模具鋼,具有很高的耐磨性、淬透性、熱穩定性,經常用于制造高耐磨、微變形、高負荷服役條件下的冷作模具和工具,該鋼雖然強度、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,經過1030℃淬火+200℃回火,在回火后發現裂紋,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

一、試驗方法

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

二、試驗結果與分析

1、化學成分檢測

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

表1 Cr12MoV化學成分(質量分數) (%)

表1 Cr12MoV化學成分（質量分數）.webp.jpg

2、硬度檢測

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

3、金相檢驗

根據GB/T 1299—2014工模具鋼要求,退火狀態交貨的Cr12MoV鋼應檢驗共晶碳化物不均勻度,合格級別按照表2中規定。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

表2 冷作模具鋼共晶碳化物不均勻度合格級別.webp.jpg

(1)失效拉深模金相檢驗

在發生裂紋的拉深模上取試塊進行金相檢驗,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,呈帶狀及網狀,共晶碳化物不均勻度對照GB/T 14979—1994 標準第四級別圖評為6級,不滿足GB/T 1299—2014對工模具鋼要求。原材料中網狀碳化物鍛造時未能改善,促使晶界處脆性增加,在淬火應力作用下出現開裂,裂紋沿碳化物分布的方向擴展,如圖2b所示。

圖2 淬火回火組織（100×）.webp.jpg

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JB/T 7713—2007 標準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,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展。

圖3 淬火回火組織（500×）.webp.jpg

圖3 淬火回火組織(500×)

表3 大塊狀碳化物級別

表3 大塊狀碳化物級別.webp.jpg

(2)同批次板材原料金相檢驗

在同批次板材原料上取試塊進行金相檢驗。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JB/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

通過對原材料重新鍛打,碎化、細化共晶碳化物,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℃(預熱1)+850℃(預熱2)+1030℃淬火,降低升溫速率,由15℃/min降至10℃/min。回火溫度調至230℃,回火兩次。

拉深模采用新工藝進行熱處理,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,檢驗該工藝回火后的拉深模硬度為60.3HRC、61.5HRC,滿足技術要求58~62HRC,未發現淬火裂紋現象。

圖6 工藝改進后回火金相圖片（100×）.webp.jpg

圖6 工藝改進后回火金相圖片(100×)

四、結束語

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,且存在嚴重碳化物偏析,在淬火應力作用下引起應力集中而產生裂紋。

2)通過對原材料重新鍛打,碎化、細化共晶碳化物,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處理,淬火時降低升溫速率,減小淬火應力,可產出滿足技術要求的產品。

參考文獻:略。

作者:關慧歡,徐繼東等

單位:濰柴動力(濰柴)裝備技術服務有限公司


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