提高Cr12MoV沖頭使用壽命的熱處理工藝

歐陽志芳，譚兆湛，徐海濤，柯旭翀

（華南理工大學廣州學院 機械工程實驗中心，廣州 510800）

0 引言

目前國內用于制作沖頭的材料普遍使用Cr12MoV、Cr12 類冷作模具鋼，此類鋼材具有較好的淬透性，硬度高且耐磨性好，熱處理變形小，常用于制造承受重載荷及形狀復雜的大型冷作模具［1］；某沖壓件廠長期使用Cr12MoV 冷作模具鋼制作沖頭，沖頭經熱處理后使用壽命差異性很大，有的僅使用十幾小時沖頭就發生折斷，有的則在邊角處發生崩裂，大概只有1/3 的沖頭使用壽命能達到50～70 h。沖頭提前報廢的情況給廠家造成了很大的經濟浪費，并且在貨期緊張時期延誤沖壓件的交付。為了改善沖頭的使用壽命，我們做了一系列的檢驗、熱處理試驗對比，從而確定沖頭最終熱處理工藝。

1 原材料分析

1）化學成分檢測。據廠家述，倉庫成批存放的原材料是從正規廠家購進并經過鍛造后的Cr12MoV，由于現在材料市場魚目混雜的情況比較嚴重，很多小商家經常將含鉻元素不合格的Cr12MoV 材料或是用Cr12 材料當成Cr12MoV 供應；為了確認材料的化學成分，我們進行了化學成分元素檢測，檢測結果見表1。

經對比分析，廠家成批購進的原材料為Cr12MoV，化學成分質量分數在國家標準范圍內，屬合格產品。

2）鑄造質量檢查。Cr12MoV 鋼屬于萊氏體鋼，鋼中碳化物數量多，硬而脆，共晶碳化物枝晶非常發達、碳化物塊度粗大。為了減輕或消除Cr12MoV 鋼因共晶碳化物分布不均勻對模具機械性能和變形等方面的不良影響，需要對原材料進行鍛造，鍛造是提高萊氏體鋼內在質量、延長模具使用壽命的關鍵一步。隨機在倉庫抽取了10 件原材料進行鍛造質量檢查，根據GB/T 1299－1985《合金工具鋼技術條件》規定，并按GB/T 14979－94《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》標準第三級別圖評定碳化物不均勻度的級別，其中有5 件合格產品，5 件不合格，鍛造質量未能達到要求。

表1 Cr12MoV 鋼的化學成分質量分數 %

2 熱處理工藝分析

Cr12MoV 鋼的含鉻、碳成分較高，材料易形成共晶碳化物，若碳化物能呈均勻顆粒狀分布，則對材料的耐磨性能起到很好的作用，當共晶碳化物成網狀或枝狀、大塊狀分布時則容易造成材料脆性大，對需要強韌性好的沖頭往往造成致命沖擊。在合金成分及鍛造情況已定的情況下，如何提高沖頭的強韌性，防止沖頭發生早期失效，是目前要解決的問題。表2 為3 種試驗熱處理工藝的方法。

圖1 為經3 種熱處理工藝后獲得的共晶碳化物樣貌，圖1（a）為R1 低淬低回；圖1（b）為R2 高淬高回；圖1（c）為R3 固溶淬火。

表2 Cr12MoV 鋼的3 種熱處理試驗工藝

圖1 共晶碳化物樣貌

工藝R1、R2 是平常應用較廣泛的工藝，該廠也一直使用這兩個工藝交替生產，R1 低淬低回工藝對材料的強韌性較好，由于980℃低溫淬火，碳化物只能溶解很少一部分，材料中還有較多的共晶碳化物，回火溫度為220℃，材料回火后往往有較多的殘余奧氏體未能發生轉變，對材料的應力消除效果不好；R2 高淬高回工藝，采用的是520℃高溫回火，殘余奧氏體轉變比較完全，應力消除效果好，但由于采用了1 060℃高溫淬火，雖然共晶碳化物溶解效果較好，但奧氏體晶粒粗大，導致材料的強韌性下降。根據文獻顯示，合金成分一定范圍內鋼的強韌性主要取決于基體馬氏體組織的結構與形態、奧氏體的晶粒度、殘余奧氏體的數量和分布以及碳化物的形態與分布狀態［2］。為了讓碳化物充分溶解并具有較好的強韌性，我們將采用R3 高溫固溶淬火工藝，加熱溫度為1 100～1 150℃，此淬火溫度已接近熔點，碳化物顆粒溶解變小，小顆粒全部溶解，所有鋒利尖角全部溶解成圓角，未溶的碳化物數量變小，粒度趨于一致，形態趨于球粒化，但奧氏體晶粒變粗，隨后立即在750℃左右高溫回火；為了改善固溶處理后的基體奧氏體晶粒度粗大的問題，在最終常規處理前增加一次960℃低溫淬火，220℃低溫回火兩次。經R3工藝處理后改善了沖頭的碳化物形態和粒度，使碳化物分布均勻，粒度細小，圓整，同時可以使鋼中晶粒超細化，使得沖頭的使用壽命提高了3 倍以上。

3 結語

用Cr12MoV 材料制造的冷沖沖頭經R3 固溶雙細化熱處理工藝處理后，比常規低淬低回R1 或高淬高回R2工藝熱處理的壽命提高了3 倍以上。該廠自2011 年一直采用R3 固溶雙細化熱處理工藝處理了近萬件沖頭，使用壽命都能保持在150～180 h 之間，使用壽命比較平穩，避免了早期失效的不良后果，為廠家創造了可觀的經濟效益。

［1］那順桑.金屬熱處理300 問［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［2］易丹青，劉華山.金屬材料及熱處理［M］.長沙：中南大學出版社，2010.

［3］史美堂.金屬材料及熱處理［M］.上海：上海科技出版社，1980.

［4］支道光.機械零件材料與熱處理工藝選擇［M］.北京：機械工業出版社，2008.