摘要：分析了Cr12鋼冷沖模在工作過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的原因，提出了優(yōu)化鍛造方法、防止裂紋產(chǎn)生的工藝措施。
關(guān)鍵詞：冷沖模；裂紋；鍛造工藝；優(yōu)化

一、概述

Cr12鋼是典型的冷作模具鋼，廣泛用于冷沖模、拉拔模、螺絲滾模等。

湘潭市家用電器廠吊風(fēng)扇轉(zhuǎn)子硅鋼片沖模采用Cr12鋼制成。該模具主要由凸凹模組成，安裝在600kN的沖壓機(jī)床上，將材料為D21，厚度為0.5mm的硅鋼片沖壓成吊風(fēng)扇轉(zhuǎn)子片。

該模具設(shè)計(jì)硬度為58～62HRC，實(shí)際測(cè)得的硬度為60～62HRC，符合設(shè)計(jì)要求，在正常情況下，模具可沖制20萬(wàn)件以上。然而該模具上機(jī)后使用不到9000次，便產(chǎn)生由沖頭帶出凹模槽孔邊崩塊，下機(jī)后將模具刃磨，再次上機(jī)，崩塊繼續(xù)產(chǎn)生，并且在模具外緣出現(xiàn)裂紋，在繼續(xù)沖制過(guò)程中，裂紋迅速擴(kuò)展，不到2萬(wàn)次就形成了圖1所示形狀的裂紋，使模具失效而無(wú)法使用。

圖1冷沖模的裂紋

二、沖模熱處理與鍛造生產(chǎn)工藝

1.熱處理工藝

退火時(shí)，加熱至850～870℃保溫4h后，隨爐冷至730～740℃，保溫4～5h后，隨爐冷至500℃出爐空冷。淬火加熱至980℃保溫后油淬，隨后在180℃回火3h。

2.鍛造工藝

鍛造坯料選用φ120mm的軋材，在500kg的空氣錘上進(jìn)行，始鍛溫度為1050℃，終鍛溫度為820℃。

鍛造生產(chǎn)時(shí)采用軸向鐓拔法，即沿鋼料的軸向，進(jìn)行不變換方向的往復(fù)鐓粗與拔長(zhǎng)，其工藝過(guò)程如圖2所示。

圖2 軸向鐓拔示意圖

三、裂紋產(chǎn)生的機(jī)理分析

在裂紋的前端、中部和末端取樣進(jìn)行金相顯微分析(其顯微組織分別見(jiàn)圖3、圖4、圖5)，發(fā)現(xiàn)材料顯微組織不理想，粗細(xì)不勻的碳化物呈條帶狀分布。正是這種條帶狀分布的碳化物影響了材料的力學(xué)性能。首先條帶狀碳化物區(qū)是一個(gè)脆弱區(qū)，其強(qiáng)度很低，塑性韌性很差，不能承受大的沖擊力，裂紋很容易從這里產(chǎn)生。其次裂紋一旦出現(xiàn)，又很容易沿著帶狀碳化物區(qū)擴(kuò)展，因?yàn)樵搮^(qū)脆性大，并且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以這種帶狀碳化物區(qū)又是裂紋擴(kuò)展的根源所在。這種裂紋的擴(kuò)展是周期性的，當(dāng)已產(chǎn)生的裂紋表面因滑移而變成疲勞裂紋時(shí)，裂紋的前端會(huì)變得重新尖銳，在下一次加載時(shí)又繼續(xù)擴(kuò)展。這樣，不斷加載、裂紋不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致模具報(bào)廢。

圖3裂紋始端顯微組織(×200)

圖4裂紋中部顯微組織(×200)

圖5裂紋末端顯微組織(×200)

出現(xiàn)這種帶狀碳化物的原因是因?yàn)镃r12鋼屬萊氏體鋼，碳含量高，鋼中含有大量合金碳化物，經(jīng)軋鋼廠軋制后，碳化物即成帶狀分布，且軋制后的型材直徑越大，碳化物就越粗，帶狀分布就越嚴(yán)重。顯然在模具制造過(guò)程中，鍛造工序?qū)Ω纳茙罱M織起著決定性的作用。而熱處理的淬火是采用一次硬化法(即低溫淬火加低溫回火)，在淬火加熱溫度下，大量碳化物不能溶于奧氏體，基本上保留了鍛造后的分布特征。因此，熱處理工藝無(wú)法消除帶狀組織。

分析鍛造工藝可知：一是鍛造設(shè)備噸位不夠，二是鍛造方法不合理。φ120mm直徑的坯料，采用500kg的空氣錘難以鍛透，因?yàn)镃r12鋼中含有大量的合金元素，變形溫度高，變形抗力大，一般需選用相當(dāng)于結(jié)構(gòu)鋼兩倍噸位的鍛錘來(lái)鍛造。若鍛錘噸位過(guò)小，打擊力不夠，變形只能發(fā)生在表面，中心部分的碳化物不能擊碎。鍛造方法采用軸向鐓拔法，這種鐓拔方式的主要缺點(diǎn)是端部開(kāi)裂傾向大，在反復(fù)鐓粗時(shí)，端面與砧面接觸時(shí)間長(zhǎng)，降溫快，在拔長(zhǎng)時(shí)易開(kāi)裂(若此時(shí)產(chǎn)生的裂紋未發(fā)現(xiàn)，就有可能成為以后模具開(kāi)裂的裂紋源)，而心部金屬變形量小，心部組織沒(méi)有多大改善，因此，心部組織的碳化物在鍛造過(guò)程中未能重新分布，仍保留著軋制時(shí)分布的狀態(tài)，這是造成模具開(kāi)裂的根本原因。

四、鍛造工藝的優(yōu)化

1.選用合適的坯料直徑和鍛錘噸位

坯料直徑越大，由于軋制時(shí)變形小，碳化物偏析越嚴(yán)重，碳化物顆粒也越粗大，因此將原來(lái)φ120mm的坯料改用φ80mm，以便得到原始碳化物分布較均勻的坯料。

原選用空氣錘的噸位偏小，會(huì)使變形僅限于表面，內(nèi)部碳化物得不到碎化，因此應(yīng)適當(dāng)加大空氣錘噸位，可改用750kg空氣錘，以便鍛透，從而擊碎中心碳化物。

2.采用多向鐓拔法

多向鐓拔法如圖6所示，它是獲得優(yōu)質(zhì)模具毛坯的一種較好的鍛造方式，鍛造變形均勻，易鍛透，組織能得到全面改善，可使碳化物細(xì)碎且分布均勻，徹底消除了軋制時(shí)形成的帶狀組織。

圖6 多向鐓拔示意圖

3.適當(dāng)提高鍛造比

適當(dāng)提高鍛造比，可使碳化物不均勻度級(jí)別降低，采用多向鐓拔法，其總的鐓拔次數(shù)應(yīng)在6～8次?？傚懺毂炔簧儆?5。

4.避免鍛造裂紋

鍛打時(shí)不宜過(guò)重，以免鍛造變形時(shí)產(chǎn)生鍛造裂紋而形成裂紋源。要勤倒角，以避免溫差和附加應(yīng)力引起角裂。另外鍛造時(shí)要仔細(xì)觀察，如發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)鏟除，以消除裂紋源。