延长冲模Cr12MoV凸模使用寿命的工艺研究
2016-05-30陈清泉陈克飞向思考
陈清泉 陈克飞 向思考
摘 要 生产企业中用Cr12MoV钢制造的凸模在冲压生产中使用寿命差异很大，容易发生型腔崩刃和开裂现象。我们从整个凸模制造工艺流程进行了多次的检验和分析，并进行了一系列的热处理工艺试验，确定了最终的热处理工艺。与常规的热处理相比改进后的热处理工艺使凸模的寿命得到显著延長。
关键词 Cr12Mov 热处理 使用寿命 金相组织
中图分类号：TG385 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.05.027
Study on the Technology of Improving the Service
Life of Die Cr12MoV Punch
CHEN Qingquan， CHEN Kefei， XIANG Sikao
（Hu'nan University of Arts and Science Furong College， Changde， Hu'nan 415000）
Abstract Punch production of Cr12MoV steel in stamping production life very different， prone to chipping and cracking phenomenon of cavity. We from the mould manufacturing process was tested and analyzed repeatedly， and heat treatment of a series of the final heat treatment process. Compared with the conventional heat treatment， the improved heat treatment process can significantly improve the service life of the punch.
Key words Cr12Mov； heat treatment； life time； Metallographic structure
0引言
凸模零件的主要作用是用来分离金属板材的，所以在使用过程中都是直接和金属板材接触的，所以凸模的选择时我们应该要考虑的是具有高的冲击韧性、耐磨性性和一定的红硬性的，对此我们应该选用要求比较高的材料，在日常的生产中常用的有T8A、9SiCr、Cr12MoV、Cr12、CrWMn等，Cr12MoV与Cr12相比，含碳量比Cr12钢低。Cr12MoV具有比较高的淬透性，淬火时的体积变化也要比Cr12钢小。Cr12MoV在Cr12化学成分基础上添加了Mo和V两种元素，这样使其在力学性能更加优越，所以在如今不断出现的一些新型的冷作模具材料，比如DC53的某些性能可能优于Cr12MoV，但是在目前的企业生产中还是大量使用Cr12MoV，就是因为性价比最高的还是Cr12MoV材料，以至于Cr12MoV材料广泛地用作冷作模具工作零件的制造。
某冲压生产企业用Cr12MoV钢制造的凸模在冲压生产中使用寿命差异很大，近一半凸模在冲完5000件产品后出现型腔崩刃和开裂现象。凸模的提前报废给大大增加了企业的生产成本。为延长Cr12MoV凸模的使用寿命，我们从整个凸模制造工艺流程进行了多次的检验和分析，并进行了一系列的热处理工艺试验，确定了最终的热处理工艺。
1 对Cr12MoV钢原材料进行检测
1.1 对Cr12MoV钢原材料进行化学成分检测
我们用DEX1800型X射线荧光光谱仪对公司库存Cr12MoV钢原材料进行化学成分检测。测试结果如表1所示。
表1 样品的主要化学成分
查证可知合格的Cr12MoV化学成份：
碳：1.4～1.7；硅：≤0.4；锰：≤0.4；硫：≤0.03；磷：≤0.03；铬：11.0～12.5；镍：允许残余含量≤0.25；铜：允许残余含量≤0.30；钒：0.15～0.30；钼：0.40～0.60。
所以公司库存Cr12MoV钢原材料为合格的。
1.2 对Cr12MoV钢原材料进行金相组织检验
金相分析：在Cr12MoV工件上采用线切割截取试件，经过粗磨、细磨、抛光，然后采用4%硝酸酒精侵蚀，在显微镜下观察组织，进行金相分析，如图1、2所示，组织为回火马氏体、少量残余奥氏体以及呈带状及网状分布的不均匀碳化物。
图1 横截面图 图 2 纵截面
发现炭化物的形状不规则、周边有尖角锐边、成大块团状且不均匀分布级别很高，基体组织晶粒的粗大。
2 对其组织和性能进行分析
2.1 进过不同热处理的硬度
Cr12MoV钢经过不同温度的淬火和不同温度的回火后的硬度是不同的实验数据见表2所示。
从表2中可以看出：
（1）Cr12Mov钢经过淬火后的硬度与淬火的温度有非常大关系，从表2中可以看出980～1040℃淬火的最高硬度为63～65HRC。
（2）1300℃淬火，520℃回火3次，硬度仅提高到53HRC，在温度为550℃下回火1～2次，硬度回升高到57.5HRC。在温度为1200℃下淬火，温度为520℃下回火3次，此时的硬度没有什么变化，但是经温度为550℃下经过2次回火，硬度可以升高到59HRC。
2.2 不同热处理的金相组织
Cr12Mov钢经过不同的热处理金相组织变化很大。
（1）800～880℃淬火，未回火的Cr12Mov金相组织为：马氏体+屈氏体+碳化物。可以看出材料碳化物偏析比较严重，其中奥氏体的成分不均匀，其稳定性程度是不同，硬度也是由低到高的。（2）在温度为950℃，980℃，1010℃时淬火，但是没有经过回火的Cr12Mov钢的金相组织为：马氏体+碳化物+残留奥氏体。
通过对Cr12MoV钢的分析，可以知道Cr12MoV钢中存在大量的炭化物，而且严重偏析，所以不同的热处理对其性能的影响很大，不同的性能是由不同的内部组织结构决定的，不同的金相组织是由不同的热处理工艺决定的。
3熱处理方案的确定
Cr12MoV钢对热处理工艺的要求比较高，处理不好很容易造成模具的过早失效。我们要确定Cr12MoV钢的内部组织和性能之间的关系，严格控制热处理的工艺参数，从而达到提高Cr12MoV钢的使用性能，延长Cr12MoV钢的使用寿命的目的。
决定Cr12MoV凸模各项使用性能、使用寿命是和材料的各项力学性能的关系有关。Cr12MoV凸模在工作时的内部组织状态是回火马氏体+碳化物+残余奥氏体。
要使综合力学性能比较好。
（1）奥氏体的存在会使得磨削过程中，会产生磨削裂纹，还会形成淬火软点，降低淬火硬度，使工具钢疲劳强度下降。就应该尽最大的可能减少其中残余奥氏体存在的数量。
（2）碳化物会使淬透性下降，淬火后可能存在珠光体类组织，使硬度下降。所以要使得碳化物均匀分布、碳化物要趋于圆形、颗粒尽量细小、弥散度越高越好。
（3）要减少基体组织的热应力、组织应力，细化基体组织的晶粒。
通过对其组织和性能的分析，确定了3种热处理方案。
我们制作3组试样，试样分别经过以下三种方案进行热处理
方案1：锻件球化退火+980℃低温淬火210℃低温回火；
图3 Cr12Mov刚球化退火工艺
球化退火后的组织是索氏体型珠光体+粒状碳化物，硬度为207～255HB（如图3所示）。
从金相组织中依旧可以见到有明显的没有溶的细小碳化物（见图4）。
图4 方案1金相组织 图5 方案2金相组织
方案2：980℃连续两次低温淬火+760℃高温回火+980℃低温淬火175℃低温回火；
从金相组织中可以看到有回火马氏体、少量残余奥氏体和白色块状及颗粒状碳化物，晶界依稀可见（见图5）。
方案3：1130℃高温固溶淬火+760℃高温回火+980℃连续两次低温淬火+210℃低温回火（如图6所示）。
图6 Cr12MoV钢固溶双细化处理工艺
固溶双细化处理工艺可以使球化过程速度加快，以及碳化物的大小、分部和形状得到改善。
图7 方案3金相组织
金相组织基体为回火马氏体和少量残余奥氏体。从金相图（图7）中可以看出其中大块碳化物形状比较圆滑尖锐部分也溶解了一部分，已经没有细小的碳化物了。整体轮廓已经变得圆滑，在1130℃高温固溶淬火+760℃高温回火处理会使得碳化物溶解，只残留特别大的碳化物。
通过观察三组试样金相组织并照相获取金相图样，在温度为1130℃下经过高温淬火，然后进行的温度为960℃低温淬火以及最终热处理。其中高温淬火会使碳化物的溶解加多碳化物的数量减少，会促进大颗粒的碳化物的溶解，也会促进比较小碳化物的溶解，还会使得比较尖的角溶成圆滑的，粒度趋于一致，形状更加接近于球粒形状。经过高温回火可以使经过高温淬火后的残留奥氏体分解，溶入基体的碳化物再度均匀弥散析出，使碳化物的形态、大小及分布得到改善。会使碳化物的形状、分布、球化程度以及粒度进一步得到提高，同时也会使晶粒变得非常细小。经过固溶双细化处理后的模具的使用寿命会大大高于传统工艺制造出来的模具（大于2倍），其中的原因就在于模具韧度和塑性都得到了提高。经过分析组织性能我们得出结论：方案3是最好的。
4 结语
我们从整个凸模制造工艺流程进行了多次的检验和分析，并且对Cr12MoV钢原材料进行化学成分检测、进行金相组织检验，找出型腔崩刃和开裂现象的原因。并进行了一系列的热处理工艺试验，确定了最终的热处理工艺。延长冲模Cr12MoV凸模使用寿命，大大降低了企业的生产成本。
基金项目：湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（湘教通[2014]248号），项目序号：402，项目名称：提高冷作模具钢Cr12MoV使用性能的研究
参考文献
[1] 吴晓峰，马坤，徐娜，时军波，臧启山.Cr12Mov模具钢应用的主要问题与热处理研究进展[J].模具工业，2009.34（9）：55-61.
[2] 王丽军，苗彬，孟先新.Cr12Mov钢不同热处理条件下的硬度和金相组织分析[J].模具工业，2005.9：52-56.
[3] 魏代斌，杨华，李涛.变质Cr12MoV模具钢热处理工艺研究[J].材料热处理，2007.36（20）：72-80.
[4] 邹安全.Cr12MoV模具钢热处理工艺试验研究[J].模具工业，2001（11）：55-57.
[5] 蔡美良.新编工模具钢金相热处理[M].北京：机械工程出版社，1998.
[6] 陈克飞，刚祥智，向思考，陈清泉，王嘉诚[J]. 机械工程师，2016：64-66.
