提高Cr12MoV沖頭使用壽命的熱處理工藝

歐陽志芳，譚兆湛，徐海濤，柯旭翀

（華南理工大學廣州學院 機械工程實驗中心，廣州 510800）

0 引言

目前國內(nèi)用于制作沖頭的材料普遍使用Cr12MoV、Cr12 類冷作模具鋼，此類鋼材具有較好的淬透性，硬度高且耐磨性好，熱處理變形小，常用于制造承受重載荷及形狀復雜的大型冷作模具［1］；某沖壓件廠長期使用Cr12MoV 冷作模具鋼制作沖頭，沖頭經(jīng)熱處理后使用壽命差異性很大，有的僅使用十幾小時沖頭就發(fā)生折斷，有的則在邊角處發(fā)生崩裂，大概只有1/3 的沖頭使用壽命能達到50～70 h。沖頭提前報廢的情況給廠家造成了很大的經(jīng)濟浪費，并且在貨期緊張時期延誤沖壓件的交付。為了改善沖頭的使用壽命，我們做了一系列的檢驗、熱處理試驗對比，從而確定沖頭最終熱處理工藝。

1 原材料分析

1）化學成分檢測。據(jù)廠家述，倉庫成批存放的原材料是從正規(guī)廠家購進并經(jīng)過鍛造后的Cr12MoV，由于現(xiàn)在材料市場魚目混雜的情況比較嚴重，很多小商家經(jīng)常將含鉻元素不合格的Cr12MoV 材料或是用Cr12 材料當成Cr12MoV 供應；為了確認材料的化學成分，我們進行了化學成分元素檢測，檢測結果見表1。

經(jīng)對比分析，廠家成批購進的原材料為Cr12MoV，化學成分質(zhì)量分數(shù)在國家標準范圍內(nèi)，屬合格產(chǎn)品。

2）鑄造質(zhì)量檢查。Cr12MoV 鋼屬于萊氏體鋼，鋼中碳化物數(shù)量多，硬而脆，共晶碳化物枝晶非常發(fā)達、碳化物塊度粗大。為了減輕或消除Cr12MoV 鋼因共晶碳化物分布不均勻?qū)δ＞邫C械性能和變形等方面的不良影響，需要對原材料進行鍛造，鍛造是提高萊氏體鋼內(nèi)在質(zhì)量、延長模具使用壽命的關鍵一步。隨機在倉庫抽取了10 件原材料進行鍛造質(zhì)量檢查，根據(jù)GB/T 1299－1985《合金工具鋼技術條件》規(guī)定，并按GB/T 14979－94《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》標準第三級別圖評定碳化物不均勻度的級別，其中有5 件合格產(chǎn)品，5 件不合格，鍛造質(zhì)量未能達到要求。

表1 Cr12MoV 鋼的化學成分質(zhì)量分數(shù) %

2 熱處理工藝分析

Cr12MoV 鋼的含鉻、碳成分較高，材料易形成共晶碳化物，若碳化物能呈均勻顆粒狀分布，則對材料的耐磨性能起到很好的作用，當共晶碳化物成網(wǎng)狀或枝狀、大塊狀分布時則容易造成材料脆性大，對需要強韌性好的沖頭往往造成致命沖擊。在合金成分及鍛造情況已定的情況下，如何提高沖頭的強韌性，防止沖頭發(fā)生早期失效，是目前要解決的問題。表2 為3 種試驗熱處理工藝的方法。

圖1 為經(jīng)3 種熱處理工藝后獲得的共晶碳化物樣貌，圖1（a）為R1 低淬低回；圖1（b）為R2 高淬高回；圖1（c）為R3 固溶淬火。

表2 Cr12MoV 鋼的3 種熱處理試驗工藝

圖1 共晶碳化物樣貌

工藝R1、R2 是平常應用較廣泛的工藝，該廠也一直使用這兩個工藝交替生產(chǎn)，R1 低淬低回工藝對材料的強韌性較好，由于980℃低溫淬火，碳化物只能溶解很少一部分，材料中還有較多的共晶碳化物，回火溫度為220℃，材料回火后往往有較多的殘余奧氏體未能發(fā)生轉變，對材料的應力消除效果不好；R2 高淬高回工藝，采用的是520℃高溫回火，殘余奧氏體轉變比較完全，應力消除效果好，但由于采用了1 060℃高溫淬火，雖然共晶碳化物溶解效果較好，但奧氏體晶粒粗大，導致材料的強韌性下降。根據(jù)文獻顯示，合金成分一定范圍內(nèi)鋼的強韌性主要取決于基體馬氏體組織的結構與形態(tài)、奧氏體的晶粒度、殘余奧氏體的數(shù)量和分布以及碳化物的形態(tài)與分布狀態(tài)［2］。為了讓碳化物充分溶解并具有較好的強韌性，我們將采用R3 高溫固溶淬火工藝，加熱溫度為1 100～1 150℃，此淬火溫度已接近熔點，碳化物顆粒溶解變小，小顆粒全部溶解，所有鋒利尖角全部溶解成圓角，未溶的碳化物數(shù)量變小，粒度趨于一致，形態(tài)趨于球?；珚W氏體晶粒變粗，隨后立即在750℃左右高溫回火；為了改善固溶處理后的基體奧氏體晶粒度粗大的問題，在最終常規(guī)處理前增加一次960℃低溫淬火，220℃低溫回火兩次。經(jīng)R3工藝處理后改善了沖頭的碳化物形態(tài)和粒度，使碳化物分布均勻，粒度細小，圓整，同時可以使鋼中晶粒超細化，使得沖頭的使用壽命提高了3 倍以上。

3 結語

用Cr12MoV 材料制造的冷沖沖頭經(jīng)R3 固溶雙細化熱處理工藝處理后，比常規(guī)低淬低回R1 或高淬高回R2工藝熱處理的壽命提高了3 倍以上。該廠自2011 年一直采用R3 固溶雙細化熱處理工藝處理了近萬件沖頭，使用壽命都能保持在150～180 h 之間，使用壽命比較平穩(wěn)，避免了早期失效的不良后果，為廠家創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

［1］那順桑.金屬熱處理300 問［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

［2］易丹青，劉華山.金屬材料及熱處理［M］.長沙：中南大學出版社，2010.

［3］史美堂.金屬材料及熱處理［M］.上海：上?？萍汲霭嫔?，1980.

［4］支道光.機械零件材料與熱處理工藝選擇［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.