Cr12MoV 模板的开裂分析与探讨

谭兆湛， 欧阳志芳

（华南理工大学广州学院机械实验中心，广州510800）

1 引 言

某公司制造了一块大型冷冲模板，材料为Cr12MoV，外观样貌如图1，尺寸约为600mm×500mm×50mm，加工后送相关的热处理厂家进行热处理，从热处理厂取回后进行表面平面磨削加工过程中出现多条裂纹（局部裂纹放大如图2），特委托我方进行原因分析以理清责任。

图1 冷冲模

图2 局部裂纹

2 宏观检察

模板的四周均匀分布了8 个直径为φ5 的圆孔，平面中间位置无凹槽或是圆孔；在磨削过的平面当中我们可以很清晰地看到多条粗细、长短不一裂纹，裂纹分布无规律，也并非起源于四周的螺纹孔；从磨削平面还可以清晰地看到鱼鳞状的横向磨削振纹和磨削烧伤带；采用便携式里氏硬度计进行检测，硬度为60～62HRC，符合技术要求。

3 金相分析

在模板的直径约1/4 处且存有裂纹的地方采用线切割的方法割取纵向和横向试样，经型号为XQ-2B 金相试样镶嵌机进行试样镶嵌，抛光后用4%的硝酸酒精对试样进行腐蚀，分别对试样的纵向和横向磨面进行金相观察，纵向显微组织如图3 所示，横向显微组织如图4 所示。由图3、4 可见，钢中共晶碳化物呈封闭的扁平网络状分布，在网络的节点处有明显的堆积现象，不均匀度非常高，有的碳化物呈不规则大块状和条块状，大小形状差别很大。材料的显微组织为：回火马氏体+少量残余奥氏体+点粒状的二次碳化物+呈网状分布的块状、条块状共晶碳化物。回火比较充分。

图3 纵向呈封闭网络状分布的共晶碳化物100×

图4 横向严重堆积的共晶碳化物 100×

4 分析与讨论

4.1 热处理工艺

在该公司委托的热处理厂，我与相关的技术人员一同调取了当时的热处理施工工艺单，据追溯工艺卡可知，该热处理厂家采用100kW 真空炉进行加热淬火，回火采用45kW 卧式箱式炉，炉膛内配备了风扇、导风套，设备硬件符合生产条件，具体工艺如图5。

图5 热处理工艺图

该工艺采用随炉升温、等温加热方式，由于Cr12MoV是属于高碳、高合金钢材，导热能力没有碳素工具钢好，因此正规的热处理工艺都是要采用等温加热的方式进行。根据相关手册资料介绍，Cr12MoV 的正常一次硬化淬火工艺为1000℃～1050℃，高温二次硬化淬火工艺为1100℃～1120℃，而加热保温时间系数为0.8～2.0min/mm，当时厂家考虑到Cr12MoV 有很好的二次硬化效果，采用了高淬高回的二次硬化工艺，主要是为了保证回火时能消除更多的残余奥氏体以及组织转变应力，考虑到当时的装炉量的问题，选取了上限的加热保温时间系数，因此按理论计算，此淬火工艺是合理的。我们再从金相显微组织观察进行分析，把照片4 采用500 倍进行放大观察，放大后的样貌如图5。

从图片中隐约可以看到晶界线，显现的晶粒度并不算粗大，约为10.5 级；基体已经变黑，回火马氏体针清晰可辨，对照JB/T7713-95《高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验标准》评定马氏体针已长到3 级，此标准一共分为5 级，1～3 级属于合格，4～5 级为过热组织，因此该马氏体组织属于合格，由于采用了520℃回火3 次，从图片中可看出残余奥氏体大部分已分解，在黑色基体的背影下显现也不是很清析，基体组织为隐针马氏体+残留奥氏体；采用1060℃±10℃的淬火温度，从理论上来讲并未达到二次硬化的温度，技术人员考虑到温度偏差的原因特做了保守工艺，从图3、4 中可以看出颗粒状碳化物被有效地保留了下来，再从图5 可看到大块状共晶碳化物的尖角部分已经有钝化的效果，但有些还并未得到钝化；马氏体针长短、晶粒度大小以及残余奥氏体量的多少说明此工艺的淬火、回火温度是合理的。

图5 基体组织＋大块状共晶碳化物500×

4.2 锻造

一般的钢材交易市场供货都是板料，没有经过正规锻造，即使是价格相对较贵的采用先进冶炼技术的电渣重熔钢仍可能存在较严重的碳化物偏析。碳化物的严重偏析往往使得模具在以后的热处理过程中容易倾向不规则的变形，碳化物的严重堆集（如图3、4），以及块度大而菱角尖利的呈不规则角度的碳化物（如图5）都会增加材料的脆性，在使用中很容易造成模具发生崩角、脆断等事故。因此在使用Cr12MoV 钢时，首先必须对板材进行锻造加工，这是改善钢材中碳化物的形态和分布状况、提高模具质量的重要途径。现在很多的锻造厂家往往把锻造简单地理解为把毛坯打至客户所需的尺寸要求即可，即使是有丰富经验的老师傅，也会因为Cr12MoV 钢材的塑性差、变形抵抗力大、加热时容易过烧和导热性差等特性而不愿意对其采用大的锻造比进行锻造，再加上这类钢材中碳化物数量多，尤其是树枝状共晶碳化物异常发达、块度又很大时很容易锻裂，锻造厂家不愿意承担这种经济损失风险，从而造成了市场上很难找到锻造效果很好的厂家。

Cr12MoV 钢的锻造工艺：预热温度为750℃～850℃，加热温度为1080℃～1120℃，始锻温度为1050℃～1100℃，终锻温度为900℃～850℃，锻锤吨位应和毛坯大小相适应，吨位过小，打击力度不够，变形只在毛坯的周边进行，中心碳化物不能被击碎；吨位过大，打击力度过重，容易锻裂［2］。在锻造的中间温度时要采用大力度的锤击，这样才可以把堆集严重的碳化物击碎，但在上限和下限温度时则应采用小力度的锤击，因为在上限温度时如采用重击则容易造成模板过烧，下限温度时则因为钢板的塑性较差，如采用重锤就很容易把模板锻裂。因此需要经验丰富的锻造师傅掌握温度采用锻造工艺中的“两轻一重”进行六面锻造，每次都采用一定的锻造比对模板进行三向镦粗和拔长，最终目的是把共晶碳化物锻打成无规则的均匀分布。图3、4 中的共晶碳化物网是呈现单方向的拔长，这也是实际生产中锻造厂家常采用的方法，说明锻造时并未得到合理的六面锻打。对于这类钢材的锻造效果可根据《钢的共晶碳化物评定标准》GB/14979-94 进行评定，一般≤2 级为合格，对于像本例的大块模板行业标准中允许把标准放宽至4 级为合格，用图3、4 对照标准图谱，可认定该模板的级别应评为7～8 级，属于最差级别；大块状共晶碳化物也没有被打碎，用照片7 对照《高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验》（JB/T 7713-95），大块碳化物级别评定为5 级，也是属于最差级别，显然该模板的锻造工艺不合格。

4.3 磨削

经过热处理后的任何模具和机械零部件都会产生变形，只是变形大小的程度不同而已，为了获得良好的精确尺寸所以热处理后的任何模具和机械零部件都要经过磨削这道工艺。磨削工艺不当也会引起裂纹的发生。从图1中可以看出模板的表面存有很多的鱼鳞状磨削振动纹，还可以看到略显黑色呈带状的磨削烧伤痕；鱼鳞状磨削振动纹和磨削的吃刀量过大以及工件的移动速度有一定的关联，粗磨时的吃刀量应≤0.03mm，精磨时的吃刀量应≤0.02mm，另外砂轮不能太细、太钝；略显黑色呈带状的磨削烧伤痕则与上述提到的两个因素有关外还与冷却散热速度有关，这三方面的加工不当使得模具表面累积了相当大的应力，当应力超出了模板本身所能承受的强度时就会产生裂纹。

5 结 论

模板的热处理工艺相对比较合理，锻造使得钢板中的共晶碳化物呈单方向的拉长，碳化物不能被有效地打散、打碎，没能达到合理的六面锻造效果，网状和大块状的共晶碳化物大大削弱了模板的强度；磨削时的吃刀量太大、工件移动速度太快、冷却不及时等三方面的不正确加工使得模板表面累积了极大的应力，最终导致了模板的开裂。锻造工艺和磨削工艺的不合理是引起模板开裂的重要原因。

［1］ 梁耀能.机械工程材料［M］.广州：华南理工大学出版社，2009.

［2］ 蔡美良，丁慧麟，孟沪龙.新编工模具钢金相热处理［M］.北京：机械工业出版社，