Cr12MoV 模板的開裂分析與探討

譚兆湛， 歐陽志芳

（華南理工大學廣州學院機械實驗中心，廣州510800）

1 引 言

某公司制造了一塊大型冷沖模板，材料為Cr12MoV，外觀樣貌如圖1，尺寸約為600mm×500mm×50mm，加工后送相關的熱處理廠家進行熱處理，從熱處理廠取回后進行表面平面磨削加工過程中出現多條裂紋（局部裂紋放大如圖2），特委托我方進行原因分析以理清責任。

圖1 冷沖模

圖2 局部裂紋

2 宏觀檢察

模板的四周均勻分布了8 個直徑為φ5 的圓孔，平面中間位置無凹槽或是圓孔；在磨削過的平面當中我們可以很清晰地看到多條粗細、長短不一裂紋，裂紋分布無規律，也并非起源于四周的螺紋孔；從磨削平面還可以清晰地看到魚鱗狀的橫向磨削振紋和磨削燒傷帶；采用便攜式里氏硬度計進行檢測，硬度為60～62HRC，符合技術要求。

3 金相分析

在模板的直徑約1/4 處且存有裂紋的地方采用線切割的方法割取縱向和橫向試樣，經型號為XQ-2B 金相試樣鑲嵌機進行試樣鑲嵌，拋光后用4%的硝酸酒精對試樣進行腐蝕，分別對試樣的縱向和橫向磨面進行金相觀察，縱向顯微組織如圖3 所示，橫向顯微組織如圖4 所示。由圖3、4 可見，鋼中共晶碳化物呈封閉的扁平網絡狀分布，在網絡的節點處有明顯的堆積現象，不均勻度非常高，有的碳化物呈不規則大塊狀和條塊狀，大小形狀差別很大。材料的顯微組織為：回火馬氏體+少量殘余奧氏體+點粒狀的二次碳化物+呈網狀分布的塊狀、條塊狀共晶碳化物。回火比較充分。

圖3 縱向呈封閉網絡狀分布的共晶碳化物100×

圖4 橫向嚴重堆積的共晶碳化物 100×

4 分析與討論

4.1 熱處理工藝

在該公司委托的熱處理廠，我與相關的技術人員一同調取了當時的熱處理施工工藝單，據追溯工藝卡可知，該熱處理廠家采用100kW 真空爐進行加熱淬火，回火采用45kW 臥式箱式爐，爐膛內配備了風扇、導風套，設備硬件符合生產條件，具體工藝如圖5。

圖5 熱處理工藝圖

該工藝采用隨爐升溫、等溫加熱方式，由于Cr12MoV是屬于高碳、高合金鋼材，導熱能力沒有碳素工具鋼好，因此正規的熱處理工藝都是要采用等溫加熱的方式進行。根據相關手冊資料介紹，Cr12MoV 的正常一次硬化淬火工藝為1000℃～1050℃，高溫二次硬化淬火工藝為1100℃～1120℃，而加熱保溫時間系數為0.8～2.0min/mm，當時廠家考慮到Cr12MoV 有很好的二次硬化效果，采用了高淬高回的二次硬化工藝，主要是為了保證回火時能消除更多的殘余奧氏體以及組織轉變應力，考慮到當時的裝爐量的問題，選取了上限的加熱保溫時間系數，因此按理論計算，此淬火工藝是合理的。我們再從金相顯微組織觀察進行分析，把照片4 采用500 倍進行放大觀察，放大后的樣貌如圖5。

從圖片中隱約可以看到晶界線，顯現的晶粒度并不算粗大，約為10.5 級；基體已經變黑，回火馬氏體針清晰可辨，對照JB/T7713-95《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗標準》評定馬氏體針已長到3 級，此標準一共分為5 級，1～3 級屬于合格，4～5 級為過熱組織，因此該馬氏體組織屬于合格，由于采用了520℃回火3 次，從圖片中可看出殘余奧氏體大部分已分解，在黑色基體的背影下顯現也不是很清析，基體組織為隱針馬氏體+殘留奧氏體；采用1060℃±10℃的淬火溫度，從理論上來講并未達到二次硬化的溫度，技術人員考慮到溫度偏差的原因特做了保守工藝，從圖3、4 中可以看出顆粒狀碳化物被有效地保留了下來，再從圖5 可看到大塊狀共晶碳化物的尖角部分已經有鈍化的效果，但有些還并未得到鈍化；馬氏體針長短、晶粒度大小以及殘余奧氏體量的多少說明此工藝的淬火、回火溫度是合理的。

圖5 基體組織＋大塊狀共晶碳化物500×

4.2 鍛造

一般的鋼材交易市場供貨都是板料，沒有經過正規鍛造，即使是價格相對較貴的采用先進冶煉技術的電渣重熔鋼仍可能存在較嚴重的碳化物偏析。碳化物的嚴重偏析往往使得模具在以后的熱處理過程中容易傾向不規則的變形，碳化物的嚴重堆集（如圖3、4），以及塊度大而菱角尖利的呈不規則角度的碳化物（如圖5）都會增加材料的脆性，在使用中很容易造成模具發生崩角、脆斷等事故。因此在使用Cr12MoV 鋼時，首先必須對板材進行鍛造加工，這是改善鋼材中碳化物的形態和分布狀況、提高模具質量的重要途徑。現在很多的鍛造廠家往往把鍛造簡單地理解為把毛坯打至客戶所需的尺寸要求即可，即使是有豐富經驗的老師傅，也會因為Cr12MoV 鋼材的塑性差、變形抵抗力大、加熱時容易過燒和導熱性差等特性而不愿意對其采用大的鍛造比進行鍛造，再加上這類鋼材中碳化物數量多，尤其是樹枝狀共晶碳化物異常發達、塊度又很大時很容易鍛裂，鍛造廠家不愿意承擔這種經濟損失風險，從而造成了市場上很難找到鍛造效果很好的廠家。

Cr12MoV 鋼的鍛造工藝：預熱溫度為750℃～850℃，加熱溫度為1080℃～1120℃，始鍛溫度為1050℃～1100℃，終鍛溫度為900℃～850℃，鍛錘噸位應和毛坯大小相適應，噸位過小，打擊力度不夠，變形只在毛坯的周邊進行，中心碳化物不能被擊碎；噸位過大，打擊力度過重，容易鍛裂［2］。在鍛造的中間溫度時要采用大力度的錘擊，這樣才可以把堆集嚴重的碳化物擊碎，但在上限和下限溫度時則應采用小力度的錘擊，因為在上限溫度時如采用重擊則容易造成模板過燒，下限溫度時則因為鋼板的塑性較差，如采用重錘就很容易把模板鍛裂。因此需要經驗豐富的鍛造師傅掌握溫度采用鍛造工藝中的“兩輕一重”進行六面鍛造，每次都采用一定的鍛造比對模板進行三向鐓粗和拔長，最終目的是把共晶碳化物鍛打成無規則的均勻分布。圖3、4 中的共晶碳化物網是呈現單方向的拔長，這也是實際生產中鍛造廠家常采用的方法，說明鍛造時并未得到合理的六面鍛打。對于這類鋼材的鍛造效果可根據《鋼的共晶碳化物評定標準》GB/14979-94 進行評定，一般≤2 級為合格，對于像本例的大塊模板行業標準中允許把標準放寬至4 級為合格，用圖3、4 對照標準圖譜，可認定該模板的級別應評為7～8 級，屬于最差級別；大塊狀共晶碳化物也沒有被打碎，用照片7 對照《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》（JB/T 7713-95），大塊碳化物級別評定為5 級，也是屬于最差級別，顯然該模板的鍛造工藝不合格。

4.3 磨削

經過熱處理后的任何模具和機械零部件都會產生變形，只是變形大小的程度不同而已，為了獲得良好的精確尺寸所以熱處理后的任何模具和機械零部件都要經過磨削這道工藝。磨削工藝不當也會引起裂紋的發生。從圖1中可以看出模板的表面存有很多的魚鱗狀磨削振動紋，還可以看到略顯黑色呈帶狀的磨削燒傷痕；魚鱗狀磨削振動紋和磨削的吃刀量過大以及工件的移動速度有一定的關聯，粗磨時的吃刀量應≤0.03mm，精磨時的吃刀量應≤0.02mm，另外砂輪不能太細、太鈍；略顯黑色呈帶狀的磨削燒傷痕則與上述提到的兩個因素有關外還與冷卻散熱速度有關，這三方面的加工不當使得模具表面累積了相當大的應力，當應力超出了模板本身所能承受的強度時就會產生裂紋。

5 結 論

模板的熱處理工藝相對比較合理，鍛造使得鋼板中的共晶碳化物呈單方向的拉長，碳化物不能被有效地打散、打碎，沒能達到合理的六面鍛造效果，網狀和大塊狀的共晶碳化物大大削弱了模板的強度；磨削時的吃刀量太大、工件移動速度太快、冷卻不及時等三方面的不正確加工使得模板表面累積了極大的應力，最終導致了模板的開裂。鍛造工藝和磨削工藝的不合理是引起模板開裂的重要原因。

［1］ 梁耀能.機械工程材料［M］.廣州：華南理工大學出版社，2009.

［2］ 蔡美良，丁慧麟，孟滬龍.新編工模具鋼金相熱處理［M］.北京：機械工業出版社，