Cr12MoV鋼屬于高碳高鉻型冷作模具鋼，經(jīng)熱處理后具有較高的強度、硬度和耐磨性以及足夠的韌性。采用二次硬化法熱處理后具有回火硬化效果，是熱硬性和耐磨性較好的冷作模具鋼。由于材料中添加Mo、V等合金元素，因而具有耐磨、不變形、耐沖擊等特性。與Cr12相比，Mo、V的加入，細化了奧氏體晶粒，改善了韌性，更加提高了鋼的淬透性和在高溫下的抗拉強度，降低了鋼對回火脆性的敏感性，熱處理模具具有尺寸穩(wěn)定性好、淬透性好的特點。Cr12MoV鋼的退火規(guī)范：加熱溫度為850~870℃，在此溫度停留保溫，保溫時間取決于工件的透燒時間，等溫溫度為720~750℃，隨爐冷卻到500℃出爐。淬火前先經(jīng)650~680℃加熱，保溫1~1.5h在靜止空氣中冷卻，以消除機加工應力。如采用一次硬化法，鋼的熱加工規(guī)范溫度可采950~1050℃，淬火加熱前經(jīng)500~650℃和800~850℃兩次預熱，加熱后在空氣中進行適當預熱。用熱油（120~150℃）淬火，待冷至180~200℃時即出油空冷，隨后立即進行回火。如模具零件的厚度≥150mm，在油中淬硬更佳。回火溫度150~180℃，在靜止空氣中冷卻，回火2次，硬度≥60HRC。本文對模具失效件的化學成分、表面硬度及金相組織進行分析，進一步推斷該模具在熱處理后的精加工過程中，顯微組織中出現(xiàn)沿晶裂紋的原因和形成機理。
從該模具失效件上截取樣塊，采用ARL3460火花放電直讀光譜儀進行化學成分檢測。依據(jù)GB/T1299—2014《工模具鋼》規(guī)定，對Cr12MoV鋼的牌號及化學成分進行判定，模具的化學成分（見表1）符合標準規(guī)定的要求。表1 模具失效件的化學成分（質量分數(shù)） （%）
這主要是有大量高硬度的鉻和碳化物（Cr7C3）存在的緣故。由于高鉻含量的原因，使這類鋼可以空冷硬化，Cr12MoV鋼截面尺寸在300~400 mm油冷完全可以淬透。由于高硬度的碳化物熱膨脹系數(shù)小，且淬火后有相當數(shù)量的殘留奧氏體存在，因此淬火后變形最為微小，故有“微變形鋼”之稱。特別對于大截面坯料，碳化物偏析更為明顯，因此鋼材必須經(jīng)過反復的鍛造來消除和改善碳化物的不均勻性。在制定加熱和冷卻工藝時必須嚴格注意。
來樣為Cr12MoV鋼模具，規(guī)格為280mm×160mm×50mm（長×寬×厚），該模具的制造工藝流程為：Cr12MoV鋼鍛件→粗加工成形→熱處理[550℃×80min→850℃×80min→940℃×40min→980℃×60min→120℃左右冷卻13min（產品用紅外線測溫儀檢測為180~200℃）]→立即回火，280℃×2.5h→空氣冷透到室溫→硬度檢測→280℃×2.5h回火兩次。熱處理工藝曲線如圖1所示，回火后的硬度為57HRC。
圖1 Cr12MoV鋼的熱處理工藝曲線
硬度試驗采用HR-150A型洛氏硬度計，對從模具上截取的試樣進行表面硬度檢測。檢測結果如表2所示，符合技術要求。表2 失效件樣品表面硬度檢測結果 （HRC）
模具是經(jīng)熱處理后在精加工時出現(xiàn)裂紋，但模具的尖角及螺紋孔等應力較大的部位未發(fā)現(xiàn)裂紋，按此分析：如果熱處理時存在問題，優(yōu)先開裂的部位應在模具的尖角及螺紋孔等應力較大部位，所以初步確定材料組織存在問題，需進行進一步微觀分析。
取數(shù)塊斷口剖面試樣，經(jīng)磨拋并化學試劑（體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液）浸蝕后在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，試樣中共晶碳化物呈網(wǎng)狀分布，按GB/T14979—1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》標準第四套標準評級圖評定，試樣中的共晶碳化物不均勻度評為5級（見圖2）。
圖2 試樣中的共晶碳化物分布（100×）
同時，結合國家標準GB/T1299—2014《工模具鋼》第6.6.3.1條規(guī)定進行判定：當鋼材直徑或邊長≤50mm時，共晶碳化物不均勻度合格級別不大于4級，該模具厚度50mm，試樣中共晶碳化物不均勻度5級屬于超標，不合格。試樣基體組織為細針狀回火馬氏體+共晶碳化物+少量殘留奧氏體，如圖3所示。斷口剖面上方離斷口剖面約0.45mm處存在一條長約1.85mm的裂紋，裂紋呈皺折狀，其內充有氧化皮，周圍有嚴重的碳化物偏析。裂紋沿著碳化物偏析帶擴展，如圖4a~e所示，圖4f、圖4g是偏析帶裂紋進一步擴展的組織照片。
圖3 試樣中基體組織分布（500 ×）
圖4 試樣中裂紋及組織
模具的表面硬度和化學成分符合技術要求。模具在軋制和鍛打過程中，如果鍛造工藝選用不當或鍛打不充分，即未經(jīng)反復的鍛造將碳化物打散、打碎，就會使碳化物粗大，呈網(wǎng)狀和樹枝狀分布。網(wǎng)狀碳化物的原始狀態(tài)仍會保持在基體組織中，破壞整個基體的完整性，無形中把整個基體分割成許多小部分，使得組織的均勻性有了很大的差異（在網(wǎng)狀及其邊緣，碳和合金元素大量富集，而離網(wǎng)狀稍遠處，碳和合金元素貧乏），這樣在熱處理或機加工時，基體組織與網(wǎng)狀碳化物之間產生巨大的應力差，從而使兩者之間分離開來，隨著組織應力進一步釋放，進而向四周擴展，當應力不斷加大到一定程度時，就容易導致整個模具開裂。另外，模具材料在淬火時要控制入爐溫度，多段預熱，并在淬火后及時進行回火等，以減少和消除材料的組織應力，防止模具材料的變形和開裂。從上述檢驗及分析可以看出，試樣中共晶碳化物呈網(wǎng)狀分布、共晶碳化物不均勻度5級屬于超標，不合格；材料中碳化物偏析嚴重，局部區(qū)域碳化物堆積，其導熱性和變形率與周圍基體有很大差異，并且容易引起該部位組織過熱，故在鍛打時形成鍛造裂紋，在其后的熱處理過程中該裂紋進一步延伸擴展，最終導致該模具在熱處理后的精（機）加工過程中產生開裂。
參考文獻：略
作者：龍必查
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來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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