Cr12鋼模具線切割加工中的開裂和防止

馬 燕

（銀川能源學院 機械與汽車工程學院，寧夏 銀川750105）

儀表行業(yè)自行生產(chǎn)使用的冷沖模具中，使用Cr12鋼材的占80%以上，Cr12鋼是一種應(yīng)用廣泛的冷作模具鋼，屬高碳高鉻類型的萊氏體鋼。該鋼具有較好的淬透性和良好的耐磨性以及不易變形等優(yōu)點。由于Cr12鋼含碳量高達2.30%，所以沖擊韌性較差、易脆裂，而且容易形成不均勻的共晶碳化物。Cr12鋼由于具有良好的耐磨性，多用于制造受沖擊負荷較小的要求高耐磨的冷沖模及沖頭、冷剪切刀（剪切硬而薄的金屬如硅鋼片）、鉆套、量規(guī)、拉絲模、壓印模、搓絲板、拉延模以及螺紋滾模等模具。

由于Cr12鋼熱處理變形微小，斷面在200-300mm,的模具淬火能完全被淬透，這種鋼不僅可用油冷，即使空冷也可淬硬，但此類鋼材在電火花線切割加工過程中，或在加工完畢，早期使用過程中，模具開裂時有發(fā)生。由圖1可知：用Cr12鋼制作電表三相表底切邊模凹模線切割用毛坯料，鉬絲走向A→B,切割B處時沿圖示線開裂。模具開裂既然發(fā)生在線切割加工過程中或完畢之后，那么開裂是不是線切割加工造成的呢？還是其他因素造成的。

圖1 三相表底切邊模凹模線切割加工開裂示意圖

1開裂原因分析

1）根據(jù)電火花切割線加工原理特性知道：①線切割表面為圖形凸起和凹坑密布并有無數(shù)微孔，凸起和凹坑之間有較大圓角過度，因此微區(qū)尖角效應(yīng)小；②模具鉬線切割表層存在殘余拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值從表及里遞減。約在變質(zhì)層與基體交界處趨于零；③線切割僅在表層約0.05㎜深度范圍內(nèi)出現(xiàn)變質(zhì)層，從開裂的工件看裂紋長度約要貫穿整塊坯料，裂紋發(fā)生的部位無規(guī)律性且和鉬絲運動的軌跡無關(guān)，這就說明電火花線切割加工并不是造成開裂的真正原因。

2）我們知道，各道機械加工部位都會使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，但從數(shù)量上來說，都無法和熱處理淬火所造成的殘余內(nèi)應(yīng)力相比。工件經(jīng)過淬火后各部位的殘余內(nèi)應(yīng)力是不均勻的。一般存在著表層中間區(qū)域和中心部位不同應(yīng)力場的分布狀態(tài)有著密切的關(guān)系（圖2），淬火工件形狀大小和殘余應(yīng)力變化的關(guān)系。 線切割加工和一般機械加工相比，有其獨特的加工路線，一般經(jīng)過工件的邊緣，中間區(qū)域和心部。隨著鉬絲的移動，熱處理淬火后的殘余內(nèi)應(yīng)力不斷發(fā)生變化，破壞了工件內(nèi)部原來維持的平衡狀態(tài)，使得發(fā)生變形。如果加工路線經(jīng)過工件的最大殘余內(nèi)應(yīng)力區(qū)域，內(nèi)應(yīng)力因必須依存的一方突然消失而變成足夠大的拉應(yīng)力，使得工件開裂。

圖2 工件形狀大小和殘余應(yīng)力變化關(guān)系

3）從幾套開裂的模具中注意到其工件的厚度均超過40㎜.這是因為：工件經(jīng)熱處理淬火后，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小種類和工件的厚度有一定的關(guān)系。由圖2可知：薄的工件表面呈拉應(yīng)力狀態(tài)，心部呈壓應(yīng)力狀態(tài)。厚的工件表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，心部呈拉應(yīng)力狀態(tài)。厚工附近的殘余拉應(yīng)力較大，而粗圓棒的內(nèi)部殘余拉應(yīng)力較大，由此得知，參與拉應(yīng)力正是造成工件開裂的主要原因，由工具鋼的機械性能韌性∮k與工件厚度關(guān)系試驗得知（圖3）當厚度較小時，沿裂紋頂端的應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)，易產(chǎn)生塑性流動，故斷裂韌性∮k較高，隨著厚度的增加，∮k逐漸減小，當厚度較大時，裂紋頂端的應(yīng)力處于平面應(yīng)變狀態(tài)，塑性流動困難，∮k降低，易產(chǎn)生解理斷裂，所以較厚工件因其本身的斷裂韌性∮k較低，而殘余拉應(yīng)力較大。所以比薄的工件開裂的可能性要大。

圖3 機械性能韌性∮k與工件厚度關(guān)系

2 實例對比說明

圖1所示加工的電表三相表底切邊模凹模毛坯是由Cr12圓鋼鍛造成長方體，同爐熱處理退火，再機械加工成圖示毛坯模塊，然后進行熱處理淬火（圖4），處理后硬度為HRC62,但線切割加工后開裂。

圖4 表底凹模熱處理淬火工藝對比

第二次重新加工時，在熱處理淬火之前先銑去坯料中間30×30mm的型腔，所留余量只要能滿足熱處理淬火變形和線切割裝夾誤差即可，進行熱處理淬火工藝時按照圖4（2）所示工藝進行，處理后硬度為HRC60.線切割加工后沒有開裂。

從兩次加工的不同工藝可以看出：第二次加工由于熱處理淬火參與內(nèi)應(yīng)力大，心部呈很大的拉應(yīng)力狀態(tài)，線切割后發(fā)生開裂。第二次加工熱處理冷卻介質(zhì)溫度稍高，參與內(nèi)應(yīng)力偏小，回火溫度亦稍高，殘余內(nèi)應(yīng)力消除較充分，再者第二次加工時，熱處理前已把毛坯加工成空心，使原來淬火工件的心部變?yōu)椤氨韺印?，從而完全改變了熱處理淬火?yīng)力的分布狀態(tài)，加工型腔減小了淬火的有效厚度，降低了殘余拉應(yīng)力的絕對值。所以第二次加工后沒有開裂，后來生產(chǎn)中，我們采用二次加工的路線和熱處理工藝均未發(fā)生裂紋。

3 防止辦法

根據(jù)實例對比分析，為了防止Cr12鋼模具的線切割開裂，可采用以下辦法：

1）對于硬度要求大于HRC60。型腔幾何形狀復雜的凸凹模，可在熱處理之前先加工成型孔，再進行熱處理淬火，回火，線切割加工成形。

2）硬度要求在HRC58—62的模具，在保證其使用硬度的情況下，熱處理淬火后盡量提高回火溫度≧200℃.回火2-3次，每次2-4小時使殘余內(nèi)應(yīng)力盡量減少，然后再線切割加工成形。

通過調(diào)整Cr12鋼熱處理工藝,采用如圖（2）所示的熱處理新工藝。結(jié)果表明,經(jīng)該工藝處理的Cr12鋼,組織中共晶碳化物形態(tài)和分布得以明顯改善,最終熱處理后獲得了均勻的細隱晶回火馬氏體和彌散分布的細粒狀合金碳化物的顯微組織,獲得了優(yōu)異的綜合力學性能,使熱處理后的冷沖模的使用壽命比常規(guī)熱處理工藝處理的使用壽命提高 1～2倍。

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