CrWMn模具冲头表面裂纹的探究

袁子斐

摘  要：对CrWMn冷冲模具钢表面裂纹进行检测，采用化学成分分析、宏观及微观金相检测等方法，寻找表面裂纹形成主要原因。通过对试验结果的分析，判断主要原因是锻造加热不当，最后本文对加工方法及生产注意事项提出相关的意见和建议。

关键词：CrWMn冷冲钢;表面裂纹;锻造加热

CrWMn是应用最广泛的工具钢之一，强度较高，但是脆性较大。在制造加工过程中，比较容易出现表面裂纹，极大地影响工件的使用寿命和可靠性，因此，对CrWMn材料表面裂纹的控制研究具有重要的现实意义，减少或者避免该种材料的表面裂纹，能够较好的提高企业的生产效率，降低企业生产成本，也有助于提升企业的安全生产和质量控制水平。CrWMn材料常用于制造冷冲模具，其生产工艺是：锻造成型→粗加工→球化热处理→半精加工→淬火处理后精加工。生产单位在生产某批冲头时，将Ф40㎜的圆钢锻打为30㎜×12㎜的方形锻件，在锻打后，发现该批冲头表面存在长25～30㎜不等的数条纵向裂纹，裂纹较直，最深度约为1㎜左右。为此，我们将对该批锻件表面出现裂纹的成因进行分析探讨。

1、试验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：固定式直读光谱仪，金相显微镜，金相镶嵌机等。

试剂：3%硝酸酒精溶液，10%硝酸水溶液，试验用水为纯净水。

1.2 试验方法

化学成分分析：将样品经锯床切割后打磨光滑平整，经直读光谱仪分析后取稳定结果。直读光谱仪使用前经预热及标准样品校对。

样品宏观检测：将样品经锯床切割后（检验面垂直于钢材的延伸方向），加工成合适大小的试样，然后经粗磨、细磨、抛光后用10%硝酸水溶液腐蚀，肉眼观察其表面特征。

金相检测：从样品的裂纹处及样品芯部取样，经镶嵌机镶嵌后粗磨、细磨、抛光，最后经3%硝酸酒精溶液腐蚀后，用金相显微镜观察其组织并截取相关图片。其中晶粒度检测放大倍数为100倍，裂纹形貌及组织结构检测放大倍数为500倍。

2、试验结果

2.1 化学分析（%）：

試验结果如表1所示。

2.2 对原始的材料和成型锻件进行宏观检测：

2.2.1 Ф40圆钢：一般疏松1级;未发现锭形偏析及皮下气泡。

2.2.2 30×12成型锻件：一般疏松1级;中心疏松1级;表面发现25×30㎜不等的数条平行裂纹，裂纹较直，深度约为1㎜。

2.3 金相检测：

金相试样是在30×12方形锻件上裂纹处取样，其检测结果为：

非金属夹杂物级别：1.5级;晶粒度级别：试样心部  8级（见图1）

裂纹边缘  4级（见图2）。

基体组织：试样心部，均匀分布的片状珠光体及粒状珠光体（见图3）;

裂纹边缘，均匀分布的片状珠光体及少量粒状珠光体（见图4）;裂纹形貌（参见图2），裂纹两侧有明显的脱碳层（见图2、5），晶粒比心部粗。

3、分析探讨

3.1 结果分析

综合以上的检测分析，可以看出锻件原始材料的化学成分、宏观低倍等符合《GB/T1299-2014》标准，表面裂纹的出现应与原始材料无关。从金相微观检测中也可看出，锻件冲头的心部组织为片状珠光体+粒状珠光体，珠光体级别为六级，心部晶粒度为八级，而表面裂纹的两侧有明显脱碳，晶粒度为四级，这说明在锻造加热过程中，存在高温加热及保温时间过长，出现脱碳现象，并伴随原始组织晶粒的长大（由八级长大为四级），既表面的组织由细晶粒变为粗晶粒。

综合以上所述，我认为该批CrWMn钢锻件表面出现裂纹是由于锻造加入过程中加热时间过长、温度过高而引发表面脱碳，导致表面脱碳部分的强度或者硬度对比正常部分有所降低。同时在温度的影响下，细晶粒长大为粗晶粒，晶界的数量变少，位错移动时的阻力降低，使材料的塑形变形抗力降低。φ40的圆钢锻打成30×12的矩型方钢时，表面所受的张力较大，同时材料表面的组织在温度影响下出现脱碳并伴随晶粒长大，导致材料本身强度和硬度降低，在表面锻打时就更容易出现裂纹。因此建议适当降低锻造温度，严格控制保温时间，适当降低锻打的变形程度，并适当增大锻造坯件的几何尺寸，在出现锻造表面微小裂纹时，可以有足够加工余量，将裂纹加工除去。

3.2 意见和建议

综合此次检测的结果及以往累计的经验，对于预防此种裂纹的再次出现，给出以下建议：第一，严把进场材料管，对于原材料着重进行化学成分和金相组织检验，不合格原材料和粗晶粒钢不宜作模具材料。第二，原料用于加工前应复查原材料脱碳层深度，冷切削加工余量应适当大于脱碳层。第三，制订规范的热处理工艺，精确控制现场热处理温度，并对测温仪器定期校验。

参考文献

[1]  《金相分析技术》上海市机械制造工艺研究所主编

[2]  《机械工程材料测试手册》物理金相卷

[3]  《大型铸锻件缺陷分析图谱》机械工业出版社