影響冷沖模變形及開裂因素分析

任 揚

（天津力神電池股份有限公司，天津 300384）

在近幾年的生產實踐中，經常發現沖模變形或開裂（主要是指工作部分），極大影響了模具使用壽命和工作效率。為此，針對問題產生的原因作了探索分析。

1 碳化物偏析對模具變形開裂的影響

現在使用的沖孔模，其工作部分材料均為Cr12鋼。其具有高淬透性、高耐磨性和熱處理變形小等優點，但由于Cr12鋼的鑄態組織中有等晶碳化物和共析碳化物偏析，這些碳化物的分布在隨后的模具加工中如得不到充分改善，就會造成模具在加工或使用中變形與開裂。

例如，用Cr12鋼制作的沖裁模使用時產生崩刃現象。由模具的碎塊分析，發現碳化物呈明顯的堆集或帶狀分布，斷裂的刃口正是碳化物堆集處。

目前供應的Cr12鋼，其碳化物不均勻度的合格標準較低，而一般工廠尤其是那些沒有檢測手段的小型企業在對坯料鍛造時，比較注意鍛件的外形尺寸，而不太重視鍛件的內在質量，不重視控制鐓粗和拔長的次數，使得Cr12鋼材的鍛件內部仍然保留了材料的帶狀碳化物。這些碳化物性質脆硬，就像微裂紋那樣分割著基體，破壞了基體的連續性，以致在使用過程中產生崩刃現象。解決的辦法是消除網狀等晶碳化物和共析碳化物偏析。要求坯料變形時橫截面積縮小至1/12～1/15（相當于變形率90%），最好為橫截面縮小至1/30～1/40（相當于變形率97%～98%）。因為變形率為90%時有可能仍保留粗大的碳化物帶，變形率達98%時才能達到碳化物均布。

又如一幅U字型凹模，坯料經過鍛造、球化退火，加工成形后進行熱處理。熱處理采用常規的箱式爐加熱，井式爐回火，硬度為HRC60～63，軟點為HRC58，屬正常規范。但使用不久，凹模的尖角處出現裂紋。取樣進行金相分析，發現裂紋沿碳化物帶方向延伸且與U形模尺寸的長度方向平行，與尺寸的寬度方向垂直。這說明模具的變形（縱向與橫向的尺寸變化）和模具的裂紋，不僅與碳化物偏析有關，而且與碳化物偏析的方向有關。目前市場上出售的模具材料，一般采用壓延、鍛打的塑性加工方法鍛造。此時的碳化物沿壓延方向呈帶狀分布，材料的壓延方向就是材料的長度方向。不同的材料取向（即長度方向和與長度方向垂直的方向）其機械性能也不同。當沖模材料中有碳化物帶存在時，這種性能的差別會更大。

設計和制造模具時，一方面應根據模具尺寸和形狀選擇合理的材料取向以及給出合理的加工余量，以達到尺寸變化小、磨削量小的目的；另一方面，也應考慮材料的取向與模具受力方向的問題。當材料的長度方向與加工主應力方向垂直時，模具就具有較好的機械性能。當材料的長度方向與加工主應力方向一致時，則就有可能沿碳化物帶產生裂紋。為此，模具設計與制造應選擇正確的材料取向，如圖1所示。沖裁模更應注意這一點。

2 淬透性對模具裂紋的影響

T10A鋼淬透性低，熱處理工藝稍有不當或外力作用容易在工件內部形成弧狀裂紋。例如，用T10A鋼凸模棱角處易形成弧狀裂紋，觀察其金相組織，凸模的表面組織為馬氏體，碳化物顆粒及殘余奧氏體，由表面向芯部逐步過渡，馬氏體量逐漸減少。屈氏體、索氏體由少增多，到芯部為屈氏體和索氏體。而裂紋產生在半馬氏體處。這類裂紋產生的原因是：由于材料淬透性低，在淬火過程中模體表面與芯部的冷卻速度不一致，芯部冷卻速度慢，不能轉變為馬氏體。而出現屈氏體和索氏體組織，表面冷卻速度快，能快速轉變為馬氏體。由于各組織的比容不同，表層比容大，在薄的淬透層過渡區附近產生拉應力，拉應力很快影響到表層導致了凸模棱角部位產生弧狀裂紋。這類模具如選用淬透性較高的材料制作，情況可能好一些。

圖1 正確選擇材料取向

3 回火對模具裂紋的影響

與其他高合金鋼一樣，施以二次硬化法淬火的Cr12型鋼制作的模具需要在500℃左右的溫度進行多次回火，才能使殘余奧氏體分解充分，以充分達到二次硬化的效果。但如果模具在高溫回火時急冷，那么由于模具的內外溫度造成內部組織轉變時間的差異，使得模具表層和內部體積膨脹不同而開裂。

4 磨削加工對模具裂紋的影響

磨削過程中，金屬的塑性變形及磨粒與工件的摩擦所消耗的功，絕大部分轉變為熱能。如果磨削冷卻不充分，那么這部分熱傳給工件，使工件磨削區域表面局部溫度升高可達1000℃以上。經過淬火回火后的模具，將由于磨削熱而引起局部淬火，產生二次淬火組織和殘余奧氏體的轉變，使模具表層局部區域產生不均勻的膨脹和收縮，導致磨削裂紋的產生。為此，在進行磨削加工時，應注意磨削進給量，注意加強磨削冷卻，保持工件磨削時的超前冷卻。此外在可能條件下，砂輪線速度適當降低。有關資料指出，砂輪線速度的提高，相當于進給量的增加，容易產生表面磨削高熱，但適當提高工件速度對減少磨削熱也是有好處的。

5 電加工對模具開裂的影響

模具在電加工后產生的裂紋也是由組織變化造成的，其表層由三部分組成：①最外層是熔化再凝固層。它是由工作電極和模具在火花放電時，被熔化金屬熔滴附于模具表面形成的。在金相顯微鏡下觀察呈白亮色，稱白亮層。②火花放電，金屬被高溫加熱，隨后快速冷卻，形成再淬火層，其中含有大量殘余奧氏體，組織極不穩定。③不完全重結晶區，位于Ac1與Ac3之間，加熱時部分金屬轉變為奧氏體，冷卻時轉變為馬氏體；另一部分組織不發生轉變，因此形成很不均勻的不完全結晶區，在金相顯微鏡下觀察呈黑色。

模具經過電火花加工后，由于以上三個層次的存在，在模具表面形成了約20μm～30μm的變質量。它受到很大的拉應力，故易在表面（即重結晶區）與基體交界處形成裂紋，變質層的組織為脆性組織，承受輕微沖擊就會產生裂紋。為此，應盡量將變質層去掉或在電火花加工后，用比該模具的回火溫度稍低一點的溫度進行回火處理，這是一種提高模具耐磨性和防止開裂的有效的工藝手段。

[1]王健安，主編.金屬學與熱處理.北京：機械工業出版社，1980.

[2]黃毅宏，主編.模具制造工藝.北京：機械工業出版社，1995.