Cr12MoV钢制电池圆模失效分析及热处理工艺研究

2020-11-03朱繁康张伟文冼酷元

模具工业 2020年10期

朱繁康，张伟文，冼酷元

（广州华工光机电科技有限公司，广东广州 510640）

0 引言

圆模是电池生产过程中的重要部件，其主要功能是将电池粉末挤压成型。电池粉末通常有硬质点，因此要求圆模具有高的耐磨性和良好的韧性，通常圆模热处理硬度要求为60～62 HRC。在电池生产线中，1副模具由56套圆模组成，模具每开合一次可以成型56粒电池。模具工作中开合频率高，如果有1副圆模发生早期失效，就会导致生产线停产，造成损失。某电池生产企业采用Cr12MoV钢制造电池圆模，圆模在使用初期发生开裂。开裂电池圆模如图1所示，外形尺寸为ϕ40 mm×48 mm，内孔为ϕ18 mm，外表面中间有圆弧槽。在圆模端面产生2条裂纹，如图1箭头指示处，裂纹深度约为高度的1/2，2条裂纹沿中心孔对称分布。

图1 开裂圆模

圆模的加工工艺为：下料→机械加工（车外圆、车圆弧槽、钻内孔）→真空淬火、回火→磨平面、磨外圆、磨内孔→组装。圆模原淬火工艺如图2所示，回火温度为150℃，回火时间为5 h，回火次数为2次。为了寻找圆模开裂的原因，避免再次出现早期失效，减少经济损失，现对开裂圆模进行分析，并进行热处理工艺改进试验，获得符合实际生产并延长模具使用寿命的热处理工艺。

图2 圆模原淬火工艺

1 试验材料及设备

1.1 试验材料

失效分析采用早期开裂的圆模，工艺试验材料选用与正常生产电池圆模同一批次的圆棒，直径为ϕ42 mm。截取长度为200 mm，用线切割加工ϕ15 mm的小圆棒，用于机加工拉伸试样，最终拉伸试样为ϕ10 mm圆棒，两头为M15 mm×20 mm的螺纹，与中间拉伸部位有R3 mm过渡圆角。从原材料中截取ϕ42 mm×55 mm圆棒，并线切割11 mm×11 mm×55 mm方条，四面经过磨削加工成10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样。从原材料中截取ϕ42 mm×12 mm圆片，用磨床加工上、下平面，加工厚度至11 mm，再用线切割加工10 mm×10 mm×11 mm的磨损试样和15 mm×15 mm×11 mm硬度和金相组织试样。每组工艺加工3个试样，试验数据取平均值。

1.2 试验设备

在VOQ2-150型真空炉进行淬火，在SLX系列Ⅰ型深冷箱进行深冷处理，在RJ2-45-6型井式回火炉进行回火，在WAW-500C型微机控制电液伺服万能试验机进行拉伸试验，在JB230型冲击试验机进行无缺口冲击试验，在MM-200型磨损试验机上进行磨损试验。使用NOVA NANOSEM430型环境扫描电子显微镜观察断口形貌，使用OLIMPAS金相显微镜观察金相组织，硬度检测使用HRB-150型洛氏硬度计。

2 圆模开裂原因分析

2.1 化学成分分析

采用直读光谱仪对开裂圆模上切割的试样进行化学成分分析，结果如表1所示，符合标准GB/T 1299-2014《合金工具钢》中的Cr12MoV钢规定。

表1 圆模材料化学成分质量分数

2.2 硬度检测

采用硬度计检测开裂圆模的端面硬度，测试结果为61、61.8、61.5 HRC，符合模具技术要求。

2.3 断口检测

观察圆模开裂面，断口呈银灰色，断口宏观上没有明显的塑性变形，组织细密、均匀，不存在夹渣和非金属夹杂物。在开裂面上可以看到由内孔与端面相交位置的放射状裂纹扩展条纹，呈河流状和撕裂岭，为典型的脆性断裂，如图3（a）所示。观察裂纹源处断口形貌，断口平坦且有亮灰色金属光泽，呈细瓷状。由于存在碳化物颗粒，碳化物集中处产生长度约8 μm的显微裂纹，如图3（b）细箭头所示，在裂纹处可见块状共晶碳化物颗粒，如图3（b）粗箭头所示。

图3 断口形貌

2.4 非金属夹杂物检测

从裂纹源处取试样进行金相试样制备，参照标准GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，对圆模材料的非金属夹杂物进行评级。图4（a）所示为试样轴向金相磨面未经浸蚀的微观形貌，图4（b）为图4（a）局部位置放大。由图4（a）可以判定试样非金属夹杂物等级结果，如表2所示，圆模材料中非金属夹杂物等级并未超标。

2.5 金相组织

图4 非金属夹杂物

表2 非金属夹杂物评价结果

试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀10 min后，圆模材料轴向的金相组织如图5所示，径向的金相组织如图6所示。

由图5（a）可知，圆模材料共晶碳化物呈带状分布，根据GB/T 14979-1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》第四评级图评级，评定材料共晶碳化物不均匀度等级为2级。根据标准JB/T 7713-2007《高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验》，当材料直径≤ϕ50 mm时，材料共晶碳化物不均匀度等级按第1组的合格标准为≤3级，按第2组的合格标准为≤4级。因此，圆模材料的共晶碳化物不均匀度等级符合该标准的第1组规定，圆模材料共晶碳化物不均匀度合格。由图6（a）可知，圆模材料共晶碳化物径向呈带状分布不明显，共晶碳化物基本呈点状分布。

由图5（b）和图6（b）可知，圆模材料的金相组织为马氏体+残留奥氏体+共晶碳化物+二次碳化物，碳化物沿圆模轴向延伸分布，部分大块碳化物边角锐利。由图5（b）可以看出，圆模材料大块碳化物最大尺寸为0.05 mm，根据标准JB/T 7713-2007《高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验》，圆模材料大块碳化物等级为5级，大块共晶碳化物等级不合格。圆模材料组织均匀，晶界清晰，晶粒比较细小，根据标准GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》，晶粒度评定为9.5级；针状马氏体细小，根据标准JB/T 7713-2007《高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验》，圆模材料马氏体等级为2级；残留奥氏体量较多。

图5 轴向金相组织

2.6 失效原因分析

图6 径向金相组织

根据化学成分检测，圆模材料是标准Cr12MoV钢。对试样进行非金属夹杂物检测，未发现材料存在异常冶金质量缺陷。圆模材料共晶碳化物分布均匀且大部分共晶碳化物细小，不过仍有少部分大块碳化物的尺寸较大，并且保留明显的棱角。晶粒和针状马氏体针均细小，表明圆模材料淬火加热过程中没有过热和过烧。圆模硬度要求较高，热处理过程采用低温回火，回火保温时间短，淬火马氏体和残留奥氏体未完全转变，组织稳定性差，热处理应力未能充分消除，材料存在较大脆性。工作时，圆模受径向挤压力和轴向摩擦力作用，容易在碳化物棱角与基体的界面萌生疲劳裂纹，同时圆模受摩擦发热，会发生组织转变，残留奥氏体转变为淬火马氏体，淬火马氏体转变为回火马氏体，并产生组织应力，当总的应力大于圆模材料抗拉强度时，会在圆模薄弱位置产生裂纹。

3 圆模热处理工艺试验

3.1 试验方法

试验方法如表3所示。

表3 试验方法

3.2 试验结果

3.2.1 硬度测试结果

图7所示为经过不同工艺处理试样的硬度测试结果，工艺1处理的试样平均硬度为60.3 HRC，但有一个试样硬度低于60 HRC。工艺2处理的试样平均硬度最低，为60.0 HRC，也有一个试样硬度低于60 HRC，硬度为59.3 HRC。工艺3处理的试样平均硬度最高，平均硬度为61.8 HRC，3个试样的硬度均超过了61 HRC，最高硬度为62.6 HRC。

图7 硬度测试结果

3.2.2 金相组织结果

图8所示为经过不同工艺处理试样的金相组织。由图8（a）可知，大块碳化物仍然保持尖锐的边角，针状马氏体细小，基体中存在较多的残留奥氏体；由图8（b）可知，大块碳化物尖锐的边角得到一定的钝化，针状马氏体相对较粗大，残留奥氏体量含量较少；由图8（c）可知，大块碳化物尖锐边角已钝化，基体分布少量的小块碳化物，针状马氏体细小，残留奥氏体含量较少。由于工艺3预处理工艺淬火保温温度高，将大部分的碳化物溶入基体中，快速冷却时溶入基体的碳化物来不及析出，而最后的淬火工艺加热温度相对较低，之前溶于基体内的碳化物仍然保持在基体中，针状马氏体细小，残留奥氏体量较少，晶粒细小[1]。淬火后经过深冷处理，使残留奥氏体进一步转变马氏体，同时使碳化物细小颗粒弥散析出[2]。

3.2.3 力学性能测试结果

图8 显微组织

图9所示为经过不同工艺处理试样的力学性能测试结果，工艺1处理的试样平均抗拉强度为1 712 MPa，最低抗拉强度为1 660 MPa，最高抗拉强度为1 749 MPa；工艺2处理的试样平均抗拉强度为1 700 MPa，最低抗拉强度为1 678 MPa，最高的抗拉强度为1 725 MPa；工艺3处理的试样平均抗拉强度为1 772 MPa，最低抗拉强度为1 743 MPa，最高的抗拉强度为1 787 MPa。由图9可知，工艺3处理的试样抗拉强度最高。

3.2.4 冲击韧性测试结果

图10所示为经过不同工艺处理试样的冲击测试结果，冲击吸收功最小的是工艺2处理的试样，平均冲击吸收功为1.9 J；其次为工艺1处理的试样，平均冲击吸收功为2.6 J；冲击吸收功最大的是工艺3处理的试样，平均冲击吸收功为3.6 J。由图10可知，工艺3处理的试样韧性最好。

图9 力学性能测试结果

图10 试样的冲击测试结果

3.2.5 磨损试验测试结果

对磨副材料为Cr12MoV钢，硬度为60 HRC，施加载荷为196 N，转速为200 r/min，磨损时间120 min，在室温下干摩擦，用万分之一精度电子天平称试样试验前后的质量，计算磨损质量。图11所示为为不同工艺处理的试样磨损试验测试结果，工艺1处理的试样磨损量最多，平均磨损量为22.7 mg；工艺3处理的试样磨损量最少，平均磨损量为9.8 mg；工艺2处理的试样磨损量居中，平均磨损量为16.1 mg。因此，工艺3处理的试样耐磨性最好，其耐磨性是工艺1处理的试样的2.3倍，淬火后深冷处理可以有效提高耐磨性[2,3]。