下载文档原格式
摘要：Cr12MoV钢制模具经高温调质、等温淬火等主要工序后，得到下贝氏体、回火马氏体和少量残余奥氏体的复合组织，可获得良好强度和韧性的匹配，其强韧性明显高于常规的热处理方法。
应用于我公司使用的两种模具，其耐用度明显提高。
前言:Cr12MoV钢经热处理后具有高的硬度、强度、耐磨性和良好的淬透性能而被广泛应用于冷作模具。
我们自制的滚丝模具(见图1)和异形冲子(见图2)两种模具使用材料均为Cr12MoV钢。
用常规热处理方法处理后，滚丝模具在使用过程中齿部崩齿而报废，每副模具平均加工零件约1560件。
异形冲子在加工零件500件时，尖角部位出现脆性掉块现象，虽经几次修磨后平均加工零件仅为3000件左右。
这无疑严重影响了每月几十万件零件的生产数量和进度。
因此，解决和提高两种模具耐用度是摆在我们面前的一项研究课题。
1 模具的服役条件和失效分析1.1服役条件滚丝模具是在滚丝机床上加工冷态35钢零件的外螺纹，零件螺纹精度达6级，加工零件外螺纹时由于挤压变形量较大，要求该模具具有较高的抗变形能力、耐磨性和韧性。
异形冲子是在100T冲床上挤压退火态的硬铝零件成型，零件塑性变形量较大，并且零件成型后不再进行后序的机械加工，要求模具工作部位尺寸一致性好，应具有较高的耐压强度、耐磨性和韧性。
1.2失效形式及分析我们对已报废的两种模具逐一进行硬度检测，均为60～62HRC，符合图纸要求，抽样切块经金相检查组织为回火马氏体+少量残留奥氏体+碳化物，碳化物偏析级别为3.5～4.5级不等。
两种模具除少量滚丝模具由于产生磨削裂纹时在使用时又沿原裂纹扩展而报废外，其余模具失效形式的共同特点均为脆性崩齿或掉块，未发现因强度和硬度不足产生的工作部位挤压变形或磨损。
将两种模具硬度降至58～60HRC时，脆性崩齿或掉块现象没有改善，由此可看出：模具工作部位脆性大、韧性不足是造成模具耐用度低的主要原因，保证模具良好强度和韧性的匹配是提高模具耐用度的主要措施。
Cr12MoV模具钢应用的主要问题与热处理研究进展1引言近20年来，我国模具工业发展非常迅速，尤其是近几年．模具需求一直以每年15％左右的速度快速增长,国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了强大的动力。
Cr12MoV钢属于高耐磨微变形冷作模具钢，其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度，仅次于高速钢，是冲模、冷镦模等的重要材料，其消耗量在冷作模具钢中居首位。
该钢虽然强度、硬度高，耐磨性好，但其韧度较差，对热加工工艺和热处理工艺要求较高，处理工艺不当，很容易造成模具的过早失效。
Cr12MoV钢常用的加工工艺是：下料一锻造一球化退火一机械加工一淬火+低温回火一平磨一线切割加工一组装。
Cr12MoV钢碳化物级别应不大于2级.其化学成分要求见表1。
Cr12MoV钢属于高碳高铬钢，含碳量和含铬量高，形成了大量的碳化物和高合金度的马氏体。
使钢具有高硬度、高耐磨性。
Cr12MoV钢中的钼增加钢的淬透性并且细化晶粒，钒能细化晶粒增加韧度。
又能形成高硬度的VC，以进一步增加钢的耐磨陛。
铬又使钢具有高的淬透性和回火稳定性。
由于Cr的大量存在，钢液结晶时析出的大量共晶碳化物(主要是硬度很高的铬铁复合碳化物(Fe，Cr)7C3，)极为稳定，常规热处理无法细化。
即使经压延后，在较大规格钢材中。
仍保留明显的带状或网状碳化物，碳化物分布不均匀，而带状或网状碳化物区是一个脆性区，其塑性、韧度差，不能承受大的冲击力，裂纹很容易在这里萌生与扩展，往往成为裂纹产生的主要原因。
较大的碳化物周围常常有空洞、位错等缺陷汇聚，在交变负荷的作用下，这些缺陷进一步聚集和扩展便可萌生疲劳裂纹。
碳化物偏析严重，在碳和合金元素富集的区域，钢的熔点降低，易导致模具热处理时过热，使碳和合金元素在奥氏体中溶解度减少，降低淬火后的硬度，且导致碳合金元素富集区与贫乏区之间产生大的组织应力，从而增大模具热处理后的变形量。
2021年 第1期热加工63热处理Heat TreatmentCr12MoV 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摘要：Cr12MoV 钢拉深模，经过1030℃淬火+200℃回火后，发现裂纹。
对其进行化学成分、裂纹形貌、金相组织及硬度进行检测。
结果表明：拉深模失效的主要原因是原材料中网状碳化物锻造时未能改善，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。
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。
热处理淬火前进行球化退火，降低升温速率，有效地解决了淬火裂纹问题。
关键词：拉深模；Cr12MoV 钢；碳化物；球化退火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。
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。
探讨Cr12MoV钢的热处理工艺改进引言某厂在制作冲头的过程中使用Cr12MoV钢，但经过热处理后冲头的使用期限就会呈现出很大的差异，或使用10h左右出现折断，或冲头左边角出现崩裂，最后只有约三分之一的冲头能使用50-70h。
这样一来，不仅浪费经济资源，也影响冲头的使用效果。
由此可见，对Cr12MoV钢在热处理工艺中进行实验分析，有效改善冲头的使用寿命十分重要且迫切。
1、原材料分析1.1 Cr12MoV钢化学成分检测由于Cr12MoV钢在该厂的使用较多，厂库房存放的Cr12MoV钢为确保实验效果，均对Cr12MoV钢的化学成分进行了检测，得出如下结果：通过检测发现，Cr12MoV钢含有的化学成分主要有C、Cr、P、S、Mo、Mn、Si和V。
其中C的测量值为1.60%，Cr的测量值为12.0%，而这两种化学成分含量的合格值分别为 1.5-1.7%和11.5-12.5%，其它化学成分的含量分别为P-0.016%、S-0.014%、Mo-0.53%、Mn-0.32%、Si-0.30%、V-0.21%，而这些化学成分含量对应的合格值分别为P-<0.03%、S-<0.03%、Mo-0.4～0.6%、Mn-<0.35%、Si-<0.4%、V-0.15～0.3%。
对比发现，Cr12MoV钢中化学成分的含量值均在合格范围之内。
换言之，该厂家采购的Cr12MoV钢属于合格的原材料。
1.2 Cr12MoV钢铸造质量检验Cr12MoV钢属于莱氏体钢，碳化物含量高且块度粗大，硬度高且脆性大，加之共晶碳化物枝晶十分发达，因此，要降低甚至消除Cr12MoV钢因为共晶碳化物的不均匀分布而对模具的变形、开裂及性能等造成的影响，就必须要对材料进行反复锻打处理，以改变碳化物的形态。
换言之，要保障模具的使用效果与寿命，首先必须要确保Cr12MoV钢的锻造质量。
为确保铸造质量检验的可靠性，在库存随机抽取了20件Cr12MoV钢，严格依照GB/T1299-1985《合金工具钢技术条件》以及GB/T14979-94《钢的共晶碳化物不均均度评定法》的有关规定和标准进行锻造质量检验。
2019年热加工（a ）淬火（b ）回火图1 Cr12MoV 钢的热处理工艺曲线表2 失效件样品表面硬度 检测结果 （HRC ）（a ）（b ）图2 试样中的共晶碳化物分布（100×）图3 试样中基体组织分布（500 ×）2019年 第10期 热加工20处理注意事项模具的表面硬度和化学成分符合技术要求。
模具在轧制和锻打过程中，如果锻造工艺选用不当或锻打不充分，即未经反复的锻造将碳化物打散、打碎，就会使碳化物粗大，呈网状和树枝状分布。
网状碳化物的原始状态仍会保持在基体组织中，破坏整个基体的完整性，无形中把整个基体分割成许多小部分，使得组织的均匀性有了很大的差异（在网状及其边缘，碳和合金元素大量富集，而离网状稍远处，碳和合金元素贫乏），这样在热处理或机加工时，基体组织与网状碳化物之间产生巨大的应力差，从而使两者之间分离开来，随着组织应力进一步释放，进而向四周扩展，当应力不断加大到一定程度时，就容易导致整个模具开裂。
另外，模具材料在淬火时要控制入炉温度，多段预热，并在淬火后及时进行回火等，以减少和消除材料的组织应力，防止模具材料的变形和开裂。
7. 分析结论从上述检验及分析可以看出，试样中共晶碳化物呈网状分布、共晶碳化物不均匀度5级属于超标，不合格；材料中碳化物偏析严重，局部区域碳化物堆积，其导热性和变形率与周围基体有很大差异，并且容易引起该部位组织过热，故在锻打时形成锻造裂纹，在其后的热处理过程中该裂纹进一步延伸扩展，最终导致该模具在热处理后的精（机）加工过程中产生开裂。
参考文献：（a ）50×（b ）100×（c ）100×（d ）200×（e ）200×（f ）100×（g ）500×图4 试样中裂纹及组织[1]郭联金，金林奎，欧海龙，等. H13钢模具镶块研配期断裂失效分析[J].锻压技术， 2018（12）：126-130+135. [2]劳动部培训司.热处理工工艺学[M].北京：中国劳动出版社，1995：334.[3]蔡美良，丁惠麟，孟沪龙.新编工模具钢金相热处理[M].北京：机械工业出版社，2012：72.[4]陈永刚，金林奎，樊开夫，等.W6M o5C r4V2钢模具淬火开裂失效分析[J].金属热处理，2019（5）：239-245.[5]周斌，金林奎，黄持伟，等.45K 钢冷镦钢螺栓装配过程断裂失效分析[J].金属加工（热加工），2018（10）：14-19.[6]金林奎，欧海龙，黄持伟，等.铝合金用ASSAB 8407钢压铸模早期断裂失效分析[J].金属热处理，2019（2）：227-233.[7]张燕敏.淬火钢高速车削过程动态特性及加工参数研究[D].北京：北方工业大学，2006.[8]金林奎，欧海龙，黄持伟，等.Stavax ESR 钢洗衣机面板模具开裂原因分析[J].锻压技术，2017（11）：136-143.[9]全国钢标准化技术委员会.钢的共晶碳化物不均匀度评定法：GB/T14979—1994[S].北京：中国标准出版社，1995.[10]谢俊堂，郭联金，金林奎，等.SLD 钢模具失效原因分析[J].热处理技术与装备，2019（2）：9-14.2019年热加工（a ） （b ）图1 开裂轴承外圈外观形貌。
Cr12MoV型钢模具失效分析及模具新工艺唐俊摘要：简述 Cr12MoV型钢的材料特性, 对Cr12MoV型钢制若干常见冷作模具的失效案例进行分析和讨论, 探讨在当前生产环境下 Cr12MoV型钢制冷作模具常见失效形式的一些主要应对方法与提高模具寿命的新技术。
关键词: Cr12型钢; 冷作模具; 失效; 锻造; 热处理；表面处理；新技术1引言在过去的近20年，尤其是近几年，我国模具工业发展非常迅速。
模具需求一直以每年18％左右的速度快速增长，国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了强大的动力。
Cr12MoV 钢钢是目前国内广泛使用的冷作模具钢之一，属于高耐磨微变形冷作模具钢。
该钢具有淬透性好、硬度高且耐磨、热处理变形小、高抗弯强度等优点, 仅次于高速钢，常用于制作那些承受重负荷、生产批量大、形状复杂的冷作模具, 如冷冲压、冷镦、冷挤压模等，其消耗量在冷作模具钢中居首位。
该钢钢虽然强度、硬度高，耐磨性好，但其韧度较差，对加工工艺和热处理工艺要求高，处理工艺不当很容易造成模具过早失效。
例如：某模具加工厂生产制造的冷冲模具，材料为Cr12MoV冷作模具钢，生产工艺为：冶炼→锻造→球化退火→粗加工→热处理→精加工成型。
热处理为（980±10）℃油冷+(510±20)℃空冷。
模具投入生产后，仅生产2000件即发生断裂崩落，出现过早失效，为了找出模具过早失效原因，本文对该模具进行失效分析，并进行锻造、热处理工艺的分析与改进。
2 模具的失效分析2.1 模具的化学成分及冶金质量分析通过提取模具材料样品, 对其化学成分进行分析, 所得结果如表 1 所示( 括号内为 Cr12MoV 钢的化学成分范围)。
化学成分（%）元素 C Si Mn Cr Mo V S P 质量分数 1.62 0.32 0.31 12.1 0.54 0.22 0.015 0.017成分范围（1.5～1.7） (<0.4) (<0.35) (11.5～12.5) (0.4～0.6) (0.15～0.3)(<0.03) (<0.03) 表1 Crl2MoV 钢冷冲裁模具的化学成分( 质量分数)由表1中的数据可以看出, 失效冷冲裁模具的化学成分在Cr12MoV 钢的化学成分范围内, 不会对模具的金相显微组织和力学性能造成较大的影响; 另一方面, 杂质元素硫和磷的质量分数未超标, 不至于导致模具的开裂与失效. 由此判断, 该模具的过早失效不是由材料的化学成分引起的。
据GB/T10561-2005评定非金属夹物级别:经适当处理后, 观察脆断的断口特征,发现其断口呈银灰色, 宏观组织细密、均匀,未见气孔、夹渣非金属夹杂物和晶粒特别粗大等现象.所以级别为：球状氧化物D1级，因Cr12MoV钢经过电渣重熔处理,所以非金属夹杂物含量很少,见图1。
由此判断, 材料的冶金质量无明显不足.据GB/T14974-1994评定钢的共晶碳化物不均匀度级别为5级，见图2。
(YB)7-59规定,共晶碳化物分为1～8 级。
≤5为合格。
从标准中可知：＜5级，共晶碳化物均不呈网状分布，＞6级，共晶碳化物开始明显有网状分布。
模具中共晶碳化物不均匀度级别参照冶标(YB)7-59评为6级。
共晶碳化物不均匀度为1级时，模具使用寿命为2万冲次，共晶碳化物不均匀度为1.5～2级时模具使用寿命为1.1万冲次，共晶碳化物不均匀度为3级时，模具使用寿命只有0.1万冲次，共晶碳化物不均匀度级别降2级，模具使用寿命下降大约90%，在共晶碳化物不均匀度级别高的钢材中，横向抗弯强度要比纵向低30%～40%，塑性要低30%～50% 。
共晶碳化物的不均匀性与零件抗弯强度的关系见表2。
共晶碳化物级别 3 4 5抗弯强度/MP 2200 1800 1500表2 共晶碳化物级别与抗弯强度的关系2.2模具的锻造及热处理工艺分析2.2.1 模具的锻造工艺分析通过现场调查和查看模具生产的技术资料知, 锻造工艺为: 始锻温度1000~1100℃ , 终锻温度800~ 850℃ ; 锻造方法为一般轴向镦粗、拔长法.该模具的加工路线在工序安排上是合理的.Crl2MoV属于高碳高铬钢,其特点是升温速度慢,锻造温度范围窄,一般始锻温度为 1050~1100℃, 终锻温度为 840~880℃。
由此可见, 该模具的锻造温度基本上符合Cr12MoV 钢的锻造温度要求。
在模具断裂部位截取金相试块，用常规试验方法制成标准金相试样，用4%硝酸酒精溶液浸蚀，在光学金相显微镜上观察照相。
模具经980℃淬火、510℃回火后，在裂纹附近仍存在明显的带状碳化物分布区, 而且在带状组织中还存在有粗大的碳化物分布。
如图3、图4所示.图3 裂纹区的带状碳化物图4 带状碳化物中的粗大碳化物在进行金相显微组织的对比分析中, 还发现在模具的其他部分也存在有粗大的碳化物, 并且具有明显的带状特征, 如图5、图6所示.图5 模具完好处条状碳化物图6 模具完好处块状碳化物Cr12MoV钢中，含碳量比Cr12钢低，又因加入钼和钒，其碳化物数量、粒度、形态、不均匀程度都比Cr12钢有较大的改善，韧性明显提高，因此Cr12MoV钢是Cr12钢系列中，综合性能最好的一种，Cr12MoV钢虽然综合性能最好，且共晶碳化物数量比Cr12钢少，但如果原材料不进行很好的六面锻造，即使进行锻造，如果锻造不充分，之前的固溶细化处理进行的也不充分，钢中同样会出现网状分布的共晶碳化物及粗大、尖角锋利的块状碳化物。
观察图3、4、5、6块状碳化物的分布可知，共晶碳化物呈明显网状分布，且有堆集现象，共晶碳化物的这种分布形态，大大地降低了模具的使用寿命。
同时，共晶碳化物的不均匀性还使模具的力学性能呈各向异性，极易引起模具在热处理和使用过程中发生畸变开裂，致使模具不均匀磨损和崩刃，最终导致模具早期失效。
良好的共晶碳化物分布形态是：组织中碳化物呈无规则均匀分布，可使模具寿命成倍提高。
因此，该模具在锻造的具体操作上存在明显不足. 一般的轴向镦粗拔长法使坯料心部分变形量不大, 无法完全消除组织中的带状碳化物和粗大、不均匀的碳化物组织, 用这样的坯料制成的模具会产生组织的不均匀和力学性能的各向异性, 增加淬火裂纹和使用脆断的倾向.带状碳化物区是一个脆性区,其强度低,塑性、韧性差,不能承受大的冲击力,裂纹很容易在这里萌生与扩展.由于该区脆性大,并且容易产生应力集中,所以成为裂纹产生的主要原因。
在锻造方法上来说,对于高碳高铬钢一般应采用变向锻造法,即多向反复镦粗、拔长、镦粗,使钢组织中粗大的碳化物充分破碎,消除带状组织,以获得均匀的显微组织和力学性能。
2.2.2模具的热处理工艺分析在对模具进行化学成分及冶金质量分析的同时, 还针对模具各部位的硬度进行了检测,分别在失效模具的裂纹处(试样1)、完好处(试样2)和中间过渡处(试样3)取样进行硬度测量,选取了洛氏硬度的HRC标尺在 HRS - 150型数显洛氏硬度计进行测定,所测得的硬度值如表3所示.序号试样 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均值161.0 62.1 62.9 62.7 63.0 62.7 62.6 62.4 63.1 62.6 62.51 261.8 63.3 63.9 63.4 63.4 63.5 63.7 63.5 63.7 63.3 63.35 356.8 59.8 63.3 59.8 59.1 61.0 60.1 60.3 59.0 61.6 60.16表3 Cr12MoV 钢冷冲裁模的硬度测试值( HRC)由表3所列硬度数据可以看出, 实际测得的硬度为60~ 63HRC, 与模具设计要求的硬度58 ~62H RC相比稍高, 但基本上符合设计要求。
从热处理工艺上来看, 该模具所采用的热处理工艺由球化退火和淬火+高温回火两部分构成, 其中球化退火工艺曲线如图7 所示.图7 Cr12MoV钢球化退火工艺曲线球化退火的目的是为了改善毛坯的组织, 降低材料的硬度, 便于切削加工, 同时为后续的热处理工艺做好组织准备. 从实际的操作记录来看, 球化退火工艺正常, 各热处理参数进行了正确的设置, 球化退火过程实施合理, 所得组织基本均匀.淬火和回火工艺为(980±10)℃加热油淬、(510 ±20)℃空冷回火2~ 4 h.从实际操作记录上看, 是采用从室温直接加热到淬火温度进行油冷淬火,这将导致模具内部有微裂纹产生, 造成模具的脆性增加.由于Cr12MoV 钢是高碳高铬钢, 其热导性较差, 需要进行预热处理, 否则会在升温过程中, 因模具内外温差较大而产生应力, 导致模具内部微裂纹的产生.从图3、4、5、6中可以看出。
模具经980℃淬火、510℃回火后，显微组织为隐针马氏体+ 较大量的残留奥氏体+ 呈带状( 纵向) 及连续和半连续的扁平网状偏析的条块状共晶碳化物以及沿晶析出的点粒状二次碳化物。
同时从上述组织中也观察到, 模板存在回火不足现象。
为了确认材料回火不足的程度, 特做补充回火试验。
根据模板热处理方提供的热处理工艺(模具经980℃加热淬火, 510℃回火3次, 每次3 h) , 确定在510℃做补充回火试验。
在模板断口附近制取两个试样，一个试样于510℃补充回火3h，另一个试样不做补充回火；然后将这两个试样进行同等条件下的金相制样，比较其显微组织。
发现经补充回火后，材料中的残余奥氏体量减少，回火马氏体得到进一步转变。
经检测，未补充回火者硬度为60.1～62.0HRC，经补充回火者硬度为63.5HRC。
再在断口附近取第三个试样，将此试样进行两次补充回火（均为510℃3h），发现其显微组织仍有进一步的转变，残余奥氏体进一步减少，回火马氏体继续得到转变。
测得其硬度为62.5HRC。
试样未经补充回火、经一次补充回火和二次补充回火的显微组织如图8所示。
补充回火实验表明，模具材料确实存在比较严重的回火不足现象。
图8 C r12MoV钢模板残件试样未经补充回火(a)、经一次补充回火(b)和经二次补充回火(c)的显微组织3 提高模具寿命的措施与方法根据以上的失效分析可知, 导致Crl2MoV钢冷冲裁模失效的主要原因有两个: 一是锻造时未能按正确的锻造方法进行, 致使在材料内部留有呈带状分布的粗大的条状和块状碳化物, 导致模具工作时裂纹的产生和扩展; 二是在淬火操作时未按材料要求进行预热处理, 致使粗大的碳化物组织未能溶入奥氏体中, 影响了热处理后碳化物的重新分布, 并导致模具中分布有残余应力, 促进了裂纹的产生与扩展；三是在热处理过程存在比较严重的回火不足现象, 材料中的残留奥氏体量较多, 以致磨削时易于诱发马氏体转变, 组织应力增加, 材料脆性断裂的倾向明显增大。
