Cr12MoV钢拉深模失效分析及工艺改进

关慧欢，徐继东，刘燕燕，张怀青，崔鹏飞，吴传博

潍柴动力（潍柴）装备技术服务有限公司 山东潍坊 261000

1 序言

模具在航空航天、汽车、自动化以及日常生活用品制造中占的比重越来越大。冷作模具钢用在金属或非金属材料的冲载、拉深、弯曲、冷镦、滚丝及压弯等工序。为满足工模具能满足冲击、磨损、弯曲、剪切等条件，材料需具备优良的强韧性。而Cr12MoV钢，属高铬微变形模具钢，具有很高的耐磨性、淬透性、热稳定性，经常用于制造高耐磨、微变形、高负荷服役条件下的冷作模具和工具，该钢虽然强度、硬度高，耐磨性好，但其韧性较差。某拉深模由Cr12MoV钢制造，其工艺流程是：锻造→下料→加工→淬火→回火→磨削。

某单位C r12M o V拉深模，经过1030℃淬火+200℃回火，在回火后发现裂纹，失效的拉深模如图1a所示。从失效拉深模上取试块，可见断口条纹沿纵向分布呈放射状，属于脆性解理断裂，如图1b所示。

图1 失效拉深模宏观形态

2 试验方法

采用OBLF直读光谱仪对失效拉深模检测化学成分；用线切割机截取试样，并将试样研磨、抛光后，用4%硝酸酒精进行浸蚀；用DM2000X倒置金相显微镜检验试样金相；用数显洛氏硬度计检验硬度。

3 试验结果与分析

3.1 化学成分检测

用直读光谱仪检测失效拉深模及同批次板材原料化学成分，结果见表1。检测1为失效拉深模化学成分，检测2为与拉深模同批次的板材原料化学成分，成分均符合GB/T 1299—2014中Cr12MoV工模具钢化学成分要求，见表1。

表1 Cr12MoV化学成分（质量分数） （%）

3.2 硬度检测

对同批次原料进行布氏硬度检测，硬度为229HBW、241HBW，满足GB/T 1299—2014工模具钢退火状态207～255HBW要求。

3.3 金相检验

根据GB/T 1299—2014工模具钢要求，退火状态交货的Cr12MoV钢应检验共晶碳化物不均匀度，合格级别按照表2中规定。此板料厚度为60mm，共晶碳化物不均匀度合格级别≤4级。

表2 冷作模具钢共晶碳化物不均匀度合格级别

（1）失效拉深模金相检验 在发生裂纹的拉深模上取试块进行金相检验，图2为拉深模100倍金相组织，基体为回火马氏体、少量残留奥氏体、颗粒状的共晶和二次碳化物。从图2a中可以看出碳化物聚集成堆，块状、条状的碳化物颗粒较粗大，呈带状及网状，共晶碳化物不均匀度对照GB/T 14979—1994 标准第四级别图评为6级，不满足GB/T 1299—2014对工模具钢要求。原材料中网状碳化物[1]锻造时未能改善，促使晶界处脆性增加，在淬火应力作用下出现开裂，裂纹沿碳化物分布的方向扩展，如图2b所示。

图3为拉深模500倍金相组织，大块状碳化物最大尺寸为0.165mm，对照JB/T 7713—2007 标准大块状碳化物评级别大于5级，见表3。通常Cr12MoV钢模具的碳化物级别不得大于3级[2]。这些聚集成堆的大块状碳化物，在正常淬火加热温度下是不易溶入基体的，致使碳和合金元素贫乏的基体处于过热状态，晶粒长大，淬火后获得粗大淬火马氏体组织。粗大碳化物和马氏体都是脆性很大的显微组织，当淬火或者承受较大载荷时容易开裂，裂纹多沿碳化物分布的方向扩展。

图2 淬火回火组织（100×）

图3 淬火回火组织（500×）

表3 大块状碳化物级别

（2）同批次板材原料金相检验 在同批次板材原料上取试块进行金相检验。图4为原料100倍金相组织，基体为索氏体、白色颗粒及条状碳化物和共晶碳化物。条状碳化物颗粒较粗大，成带状及网状分布。共晶碳化物不均匀度对照GB/T 14979—1994中第四级别图评为6级，不满足GB/T 1299—2014中对工模具钢要求。

图5为原料500倍金相组织，大块状碳化物最大尺寸为0.093mm，对照JB/T 7713—2007中大块状碳化物评级为大于5级，见表3。原料碳化物的边缘呈尖角状，尖角的存在极易造成应力集中而增加淬火开裂、磨裂的危险。

图4 原料组织（100×）

图5 原料组织（500×）

4 工艺分析及改进

通过对原材料重新锻打，碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎，提高碳化物分布的均匀性。并在热处理淬火前增加球化退火预处理[3]。退火工艺为550℃+860℃（180min）+750℃（300m i n），随炉冷至室温。淬火工艺为550℃（预热1）+850℃（预热2）+1030℃淬火，降低升温速率，由15℃/min降至10℃/min。回火温度调至230℃，回火两次。

拉深模采用新工艺进行热处理，金相组织如图6所示，基体为回火马氏体、少量残留奥氏体以及白色块、粒状碳化物。碳化物不均匀性为2级，检验该工艺回火后的拉深模硬度为60.3HRC、61.5HRC，满足技术要求58～62HRC，未发现淬火裂纹现象。

图6 工艺改进后回火金相图片（100×）

5 结束语

1）拉深模失效的主要原因是原材料中碳化物聚集成堆，块状、条状的碳化物颗粒较粗大，呈带状及网状，共晶碳化物不均匀度为6级。大块状碳化物尺寸为0.069mm，级别大于5级。粗大碳化物颗粒，且存在严重碳化物偏析，在淬火应力作用下引起应力集中而产生裂纹。

2）通过对原材料重新锻打，碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎，提高碳化物分布的均匀性。在热处理淬火前增加球化退火预处理，淬火时降低升温速率，减小淬火应力，可产出满足技术要求的产品。