Cr12模具钢加工失效分析

摘要在Cr12钢制作模具的过程中,坯料出现裂纹,通过对材料加工工艺、化学成分、力学性能和金相组织的检验,结果表明,材料中共晶碳化物分布的不均匀及其残余应力是导致材料在进行切割加工时出现裂纹,最终导致材料失效的主要原因。

关键词Cr12钢;共晶碳化物;金相组织;失效分析

中图分类号TG76文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)081-0097-01

Cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢,属高碳高铬类型的莱氏体钢。该钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性,多用于制造受冲击负荷较小的要求高耐磨的冷冲模及冲头、冷剪切刀、钻套、量规、拉丝模等模具。在模具制作过程中出现裂纹,模具的坯料为准80mm的Cr12钢,裂纹出现在材料热处理后的切割加工阶段,裂纹深约15mm。通过化学成分、力学性能和金相组织等项目的检验,对材料的失效原因进行了分析。

1化学成分和力学性能分析

1.1化学成分分析

对失效部件的材质分别采用高频感应红外吸收法和电感耦合等离子体原子发射光谱法进行元素分析,结果表明材料的化学成分符合Cr12钢的成分要求。

1.2裂纹宏观检验

经观察,坯料的裂纹产生于表面处,向芯部扩展,深度约15mm,裂纹较直,见图1。对断口形貌进行观察,发现断口具有灰亮色的金属光泽,且没有宏观塑性变形,为典型的脆性断裂。

1.3力学性能测试

对于Cr12钢,一般采用锻后热处理,即锻后退火+淬、回火的工艺,以获得预期的硬度和组织。通常采用的工艺为860℃×4h空冷,获得粒状珠光体+碳化物组织。本样品为了获得模具的高硬特性(63HRC),采用950-980℃的油淬+150℃回火。本文按照GB/T4340.1-2004标准对材料不同部位进行了硬度试验。结果表明,模具坯料表面(62.34HRC)和心部硬度(62.6HRC)基本符合预期工艺要求。

1.4金相分析

样品切面取自裂纹处,经镶嵌磨抛后,制成标准金相试样,根据GB/T13298-1991,采用三氯化铁(5g)+盐酸(15mL)+乙醇(100mL)混合溶液浸蚀后进行显微结构观察,发现材料的组织为回火马氏体+残余奥氏体+共晶碳化物,其中共晶碳化物呈骨骼状和块状,最大尺寸为0.040mm,其形态和分布极不均匀,按照GB/T14979-1994方法测得碳化物不均匀度为7级,见图2。

为保证Cr12钢具有良好的综合性能,一般要求小尺寸坯料的共晶碳化物不均匀度不大于3级,细粒状碳化物呈弥散分布,碳化物最大尺寸小于0.017mm,可见实际金相组织不符合要求。

2结果分析

Cr12属于高碳高铬钢,具有高的淬透性和淬硬性,马氏体形成温度为180℃,故在960℃淬火后形成了隐针状马氏体、残留奥氏体和碳化物。随后150℃×2h回火,虽然马氏体、残留奥氏体和碳化物都发生了向稳定碳化物的转变,但由于回火温度过低,使上述转变未全部完成,同时也形成了大量不均匀分布的共晶碳化物,使淬火过程中产生的内应力不能得到完全消除,加上坯料在进行切割加工时破坏了模具内部原来的平衡状态,导致材料表面因受拉应力而产生裂纹。

3结论

通过化学成分、力学性能和金相组织分析,表明Cr12钢材料存在分布不均匀的共晶碳化物,以及淬火后产生的残余应力未能在回火时得到消除,而随后的切割加工又导致材料内部残余应力分布不平衡,最终产生裂纹。

解决方案:在设计Cr12钢热处理工艺时,在保证使用寿命的前提下,尽量采用300-350℃的高温回火,以消除残余应力,或采取锻件等温球化退火+淬火等热处理工艺,打碎共晶碳化物以获得弥散均匀分布的细粒碳化物,达到提高材料综合性能的目的。

参考文献

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