基体强韧化热处理提高精密冲压模具使用寿命的研究＊

2022-11-02邹春雷谷金波迟宏宵任慧远

模具制造 2022年9期

邹春雷，于航，谷金波，迟宏宵，周健，任慧远

（1.大连思泰博模具技术有限公司，辽宁大连 116600；2.钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院，北京 100081）

1 引言

随着制造业和模具工业的快速发展，用户对模具使用寿命的要求日益提升。模具寿命的长短，直接影响着用户生产成本和整体生产效率，因此如何提高模具的使用寿命越来越得到关注。本文旨在不提高用户材料成本的前提下，通过改变热处理工艺提升模具的使用寿命。Cr12Mo1V1 钢是一种高碳高合金冷作模具钢，具有高强度、高耐磨性、高淬透性等特点，被广泛用于精密冲压模具。近年来，通过改善材料基体的强韧性进而提高使用零部件寿命得到广泛应用。如在高碳轴承钢种通过“双细化”热处理工艺，可大幅改善轴承钢材料基体的强韧性[1～3]，实现轴承钢的接触疲劳寿命和轴承使用寿命大幅提升[4～5]。本文利用该技术，研究该技术在同样高碳模具钢中的应用效果，为该工艺在相关领域的应用提供一定参考。

2 试样制备与试验方法

模具用材料为正常工业生产的Cr12Mo1V1 扁钢。以某型号汽车电磁护板精密冲压模具为对象（见图1），开展基体强韧化热处理技术在精密冲压模具的应用研究，研究该工艺对模具使用寿命的影响。传统的热处理工艺模具编号为DC-1#。选用相同批次的Cr12Mo1V1 材料，进行基体强韧化工艺热处理，模具编号为DC-2#。在相同的冲床上将两副模具投入使用，监测对比两种模具的最终使用寿命情况。同时随炉热处理冲击韧性、抗弯强度毛坯料进行力学性能测试。传统的热处理工艺为1,030℃淬火+480℃×2h+490℃×2h+400℃×2h共3次回火（DC-1#）。基体强韧化热处理工艺为1,050℃油冷+1,030℃淬火+480℃×2h+490℃×2h+400℃×2h 共3 次回火（DC-2#）。采用JBN-30B 型摆锤试验机测量试样的无缺口冲击功。按照GB/T 232-2010标准，采用WE-50型电子万能试验机测量试样的抗弯强度。

3 试验结果及分析

3.1 基体强韧化热处理工艺对硬度的影响

图2 所示为采用基体强韧化热处理工艺和传统热处理工艺的热处理硬度对比，从图2 可以看出，基体强韧化热处理过程中，第一次1,050℃淬火后硬度为63HRC，经过第二次1,030℃淬火后硬度增加到65HRC，与传统1,030℃淬火后的硬度相当。经过回火后，基体强韧化热处理试样硬度比传统热处理硬度略降低了0.6～0.8HRC，几乎相当，满足该模具硬度≥58HRC 的技术要求。DC-2#热处理工艺首先采用1,050℃奥氏体化，在此过程中钢中碳化物将发生溶解，表现为碳化物颗粒尺寸的总体减小和碳化物含量的减少；合金元素由碳化物逐步溶入钢的奥氏体基体中[6～7]，同时使奥氏体产生均匀化。以上现象随着加热温度的升高和保温时间的延长效果更显著，但是奥氏体化温度和时间又不能过高，否则将发生奥氏体晶粒异常粗大。DC-2#热处理工艺首先采用相对较高的1,050℃奥氏体化能够有效改善碳化物和奥氏体的状态。随后再次进行1,030℃淬火后以及高温回火后，和传统一次淬火的硬度几乎变化不大。

3.2 基体强韧化热处理工艺对力学性能的影响

图3所示为采用基体强韧化热处理工艺和传统热处理工艺的冲击韧性和抗弯强度对比，从图3可以看出，经基体强韧化热处理后的试验钢无缺口冲击功达到27.9J，相对于传统热处理冲击功22.8J，提升了约22%。同时，抗弯强度的变化趋势与冲击韧性基本一致，经基体强韧化热处理后的试验钢的抗弯强度同时提升。一般来讲，冲击韧性及抗弯性能与组织的均匀性提升有很大关系。碳化物在基体内的堆集，易产生碳化物剥落，高应力下，这些区域裂纹的形成和扩展倾向大大增加[8]。显然，双淬火热处理工艺下，高的一次淬火温度和二次淬火促进了碳化物的溶解，从而使未溶碳化物数量变少，粒度趋于一致，形态趋于球粒状，改善了Cr12Mo1V1 模具钢共晶碳化物不均匀度，导致高应力下裂纹的形成和扩展的倾向性大大降低，是提高冲击韧性和抗弯强度的重要原因。综上，通过采用基体强韧化热处理工艺，可实现Cr12Mo1V1模具钢在硬度几乎无变化的前提下，实现冲击韧性和抗弯强度同时提升。

3.3 基体强韧化热处理工艺对模具使用寿命的影响

两副模具制造完成后，在同一台冲床上进行生产，冲床型号为200t 的低速冲床，冲床的生产节拍为35 冲次/min。首先，安排DC-1#模具上机生产，在2个月后，模具生产了400万模次后报废。模具的主要失效形式为凹模过度磨损失效。后续，安排DC-2#模具上机生产，在3 个月后，模具生产了520 万模次后，因凹模尺寸变形超差报废。可以看出，通过采用新型基体强韧化热处理工艺，通过改善模具力学性能，能够有效提高模具的使用寿命，使用寿命提高约30%。