Cr12MoV钢模具失效分析及新工艺

Cr12MoV型钢模具失效分析及模具新工艺唐俊摘要：简述 Cr12MoV型钢的材料特性, 对Cr12MoV型钢制若干常见冷作模具的失效案例进行分析和讨论, 探讨在当前生产环境下 Cr12MoV型钢制冷作模具常见失效形式的一些主要应对方法与提高模具寿命的新技术。

关键词: Cr12型钢; 冷作模具; 失效; 锻造; 热处理；表面处理；新技术1引言在过去的近20年，尤其是近几年，我国模具工业发展非常迅速。

模具需求一直以每年18％左右的速度快速增长，国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了强大的动力。

Cr12MoV 钢钢是目前国内广泛使用的冷作模具钢之一，属于高耐磨微变形冷作模具钢。

该钢具有淬透性好、硬度高且耐磨、热处理变形小、高抗弯强度等优点, 仅次于高速钢，常用于制作那些承受重负荷、生产批量大、形状复杂的冷作模具, 如冷冲压、冷镦、冷挤压模等，其消耗量在冷作模具钢中居首位。

该钢钢虽然强度、硬度高，耐磨性好，但其韧度较差，对加工工艺和热处理工艺要求高，处理工艺不当很容易造成模具过早失效。

例如：某模具加工厂生产制造的冷冲模具，材料为Cr12MoV冷作模具钢，生产工艺为：冶炼→锻造→球化退火→粗加工→热处理→精加工成型。

热处理为（980±10）℃油冷+(510±20)℃空冷。

模具投入生产后，仅生产2000件即发生断裂崩落，出现过早失效，为了找出模具过早失效原因，本文对该模具进行失效分析，并进行锻造、热处理工艺的分析与改进。

2 模具的失效分析2.1 模具的化学成分及冶金质量分析通过提取模具材料样品, 对其化学成分进行分析, 所得结果如表 1 所示( 括号内为 Cr12MoV 钢的化学成分范围)。

化学成分（%）元素 C Si Mn Cr Mo V S P 质量分数 1.62 0.32 0.31 12.1 0.54 0.22 0.015 0.017成分范围（1.5～1.7） (<0.4) (<0.35) (11.5～12.5) (0.4～0.6) (0.15～0.3)(<0.03) (<0.03) 表1 Crl2MoV 钢冷冲裁模具的化学成分( 质量分数)由表1中的数据可以看出, 失效冷冲裁模具的化学成分在Cr12MoV 钢的化学成分范围内, 不会对模具的金相显微组织和力学性能造成较大的影响; 另一方面, 杂质元素硫和磷的质量分数未超标, 不至于导致模具的开裂与失效. 由此判断, 该模具的过早失效不是由材料的化学成分引起的。

据GB/T10561-2005评定非金属夹物级别:经适当处理后, 观察脆断的断口特征,发现其断口呈银灰色, 宏观组织细密、均匀,未见气孔、夹渣非金属夹杂物和晶粒特别粗大等现象.所以级别为：球状氧化物D1级，因Cr12MoV钢经过电渣重熔处理,所以非金属夹杂物含量很少,见图1。

由此判断, 材料的冶金质量无明显不足.据GB/T14974-1994评定钢的共晶碳化物不均匀度级别为5级，见图2。

(YB)7-59规定,共晶碳化物分为1～8 级。

≤5为合格。

从标准中可知：＜5级，共晶碳化物均不呈网状分布，＞6级，共晶碳化物开始明显有网状分布。

模具中共晶碳化物不均匀度级别参照冶标(YB)7-59评为6级。

共晶碳化物不均匀度为1级时，模具使用寿命为2万冲次，共晶碳化物不均匀度为1.5～2级时模具使用寿命为1.1万冲次，共晶碳化物不均匀度为3级时，模具使用寿命只有0.1万冲次，共晶碳化物不均匀度级别降2级，模具使用寿命下降大约90%，在共晶碳化物不均匀度级别高的钢材中，横向抗弯强度要比纵向低30%～40%，塑性要低30%～50% 。

共晶碳化物的不均匀性与零件抗弯强度的关系见表2。

共晶碳化物级别 3 4 5抗弯强度/MP 2200 1800 1500表2 共晶碳化物级别与抗弯强度的关系2.2模具的锻造及热处理工艺分析2.2.1 模具的锻造工艺分析通过现场调查和查看模具生产的技术资料知, 锻造工艺为: 始锻温度1000~1100℃ , 终锻温度800~ 850℃ ; 锻造方法为一般轴向镦粗、拔长法.该模具的加工路线在工序安排上是合理的.Crl2MoV属于高碳高铬钢,其特点是升温速度慢,锻造温度范围窄,一般始锻温度为 1050~1100℃, 终锻温度为 840~880℃。

由此可见, 该模具的锻造温度基本上符合Cr12MoV 钢的锻造温度要求。

在模具断裂部位截取金相试块，用常规试验方法制成标准金相试样，用4%硝酸酒精溶液浸蚀，在光学金相显微镜上观察照相。

模具经980℃淬火、510℃回火后，在裂纹附近仍存在明显的带状碳化物分布区, 而且在带状组织中还存在有粗大的碳化物分布。

如图3、图4所示.图3 裂纹区的带状碳化物图4 带状碳化物中的粗大碳化物在进行金相显微组织的对比分析中, 还发现在模具的其他部分也存在有粗大的碳化物, 并且具有明显的带状特征, 如图5、图6所示.图5 模具完好处条状碳化物图6 模具完好处块状碳化物Cr12MoV钢中，含碳量比Cr12钢低，又因加入钼和钒，其碳化物数量、粒度、形态、不均匀程度都比Cr12钢有较大的改善，韧性明显提高，因此Cr12MoV钢是Cr12钢系列中，综合性能最好的一种，Cr12MoV钢虽然综合性能最好，且共晶碳化物数量比Cr12钢少，但如果原材料不进行很好的六面锻造，即使进行锻造，如果锻造不充分，之前的固溶细化处理进行的也不充分，钢中同样会出现网状分布的共晶碳化物及粗大、尖角锋利的块状碳化物。

观察图3、4、5、6块状碳化物的分布可知，共晶碳化物呈明显网状分布，且有堆集现象，共晶碳化物的这种分布形态，大大地降低了模具的使用寿命。

同时，共晶碳化物的不均匀性还使模具的力学性能呈各向异性，极易引起模具在热处理和使用过程中发生畸变开裂，致使模具不均匀磨损和崩刃，最终导致模具早期失效。

良好的共晶碳化物分布形态是：组织中碳化物呈无规则均匀分布，可使模具寿命成倍提高。

因此，该模具在锻造的具体操作上存在明显不足. 一般的轴向镦粗拔长法使坯料心部分变形量不大, 无法完全消除组织中的带状碳化物和粗大、不均匀的碳化物组织, 用这样的坯料制成的模具会产生组织的不均匀和力学性能的各向异性, 增加淬火裂纹和使用脆断的倾向.带状碳化物区是一个脆性区,其强度低,塑性、韧性差,不能承受大的冲击力,裂纹很容易在这里萌生与扩展.由于该区脆性大,并且容易产生应力集中,所以成为裂纹产生的主要原因。

在锻造方法上来说,对于高碳高铬钢一般应采用变向锻造法,即多向反复镦粗、拔长、镦粗,使钢组织中粗大的碳化物充分破碎,消除带状组织,以获得均匀的显微组织和力学性能。

2.2.2模具的热处理工艺分析在对模具进行化学成分及冶金质量分析的同时, 还针对模具各部位的硬度进行了检测,分别在失效模具的裂纹处(试样1)、完好处(试样2)和中间过渡处(试样3)取样进行硬度测量,选取了洛氏硬度的HRC标尺在 HRS - 150型数显洛氏硬度计进行测定,所测得的硬度值如表3所示.序号试样 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均值161.0 62.1 62.9 62.7 63.0 62.7 62.6 62.4 63.1 62.6 62.51 261.8 63.3 63.9 63.4 63.4 63.5 63.7 63.5 63.7 63.3 63.35 356.8 59.8 63.3 59.8 59.1 61.0 60.1 60.3 59.0 61.6 60.16表3 Cr12MoV 钢冷冲裁模的硬度测试值( HRC)由表3所列硬度数据可以看出, 实际测得的硬度为60~ 63HRC, 与模具设计要求的硬度58 ~62H RC相比稍高, 但基本上符合设计要求。

从热处理工艺上来看, 该模具所采用的热处理工艺由球化退火和淬火+高温回火两部分构成, 其中球化退火工艺曲线如图7 所示.图7 Cr12MoV钢球化退火工艺曲线球化退火的目的是为了改善毛坯的组织, 降低材料的硬度, 便于切削加工, 同时为后续的热处理工艺做好组织准备. 从实际的操作记录来看, 球化退火工艺正常, 各热处理参数进行了正确的设置, 球化退火过程实施合理, 所得组织基本均匀.淬火和回火工艺为(980±10)℃加热油淬、(510 ±20)℃空冷回火2~ 4 h.从实际操作记录上看, 是采用从室温直接加热到淬火温度进行油冷淬火,这将导致模具内部有微裂纹产生, 造成模具的脆性增加.由于Cr12MoV 钢是高碳高铬钢, 其热导性较差, 需要进行预热处理, 否则会在升温过程中, 因模具内外温差较大而产生应力, 导致模具内部微裂纹的产生.从图3、4、5、6中可以看出。

模具经980℃淬火、510℃回火后，显微组织为隐针马氏体+ 较大量的残留奥氏体+ 呈带状( 纵向) 及连续和半连续的扁平网状偏析的条块状共晶碳化物以及沿晶析出的点粒状二次碳化物。

同时从上述组织中也观察到, 模板存在回火不足现象。

为了确认材料回火不足的程度, 特做补充回火试验。

根据模板热处理方提供的热处理工艺(模具经980℃加热淬火, 510℃回火3次, 每次3 h) , 确定在510℃做补充回火试验。

在模板断口附近制取两个试样，一个试样于510℃补充回火3h，另一个试样不做补充回火；然后将这两个试样进行同等条件下的金相制样，比较其显微组织。

发现经补充回火后，材料中的残余奥氏体量减少，回火马氏体得到进一步转变。

经检测，未补充回火者硬度为60.1～62.0HRC，经补充回火者硬度为63.5HRC。

再在断口附近取第三个试样，将此试样进行两次补充回火（均为510℃3h），发现其显微组织仍有进一步的转变，残余奥氏体进一步减少，回火马氏体继续得到转变。

测得其硬度为62.5HRC。

试样未经补充回火、经一次补充回火和二次补充回火的显微组织如图8所示。

补充回火实验表明，模具材料确实存在比较严重的回火不足现象。

图8 C r12MoV钢模板残件试样未经补充回火(a)、经一次补充回火(b)和经二次补充回火(c)的显微组织3 提高模具寿命的措施与方法根据以上的失效分析可知, 导致Crl2MoV钢冷冲裁模失效的主要原因有两个: 一是锻造时未能按正确的锻造方法进行, 致使在材料内部留有呈带状分布的粗大的条状和块状碳化物, 导致模具工作时裂纹的产生和扩展; 二是在淬火操作时未按材料要求进行预热处理, 致使粗大的碳化物组织未能溶入奥氏体中, 影响了热处理后碳化物的重新分布, 并导致模具中分布有残余应力, 促进了裂纹的产生与扩展；三是在热处理过程存在比较严重的回火不足现象, 材料中的残留奥氏体量较多, 以致磨削时易于诱发马氏体转变, 组织应力增加, 材料脆性断裂的倾向明显增大。