Cr12MoV鋼制電池圓模失效分析及熱處理工藝研究

朱繁康，張偉文，冼酷元

（廣州華工光機(jī)電科技有限公司，廣東 廣州 510640）

0 引言

圓模是電池生產(chǎn)過(guò)程中的重要部件，其主要功能是將電池粉末擠壓成型。電池粉末通常有硬質(zhì)點(diǎn)，因此要求圓模具有高的耐磨性和良好的韌性，通常圓模熱處理硬度要求為60～62 HRC。在電池生產(chǎn)線中，1副模具由56套圓模組成，模具每開(kāi)合一次可以成型56粒電池。模具工作中開(kāi)合頻率高，如果有1副圓模發(fā)生早期失效，就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線停產(chǎn)，造成損失。某電池生產(chǎn)企業(yè)采用Cr12MoV鋼制造電池圓模，圓模在使用初期發(fā)生開(kāi)裂。開(kāi)裂電池圓模如圖1所示，外形尺寸為?40 mm×48 mm，內(nèi)孔為?18 mm，外表面中間有圓弧槽。在圓模端面產(chǎn)生2條裂紋，如圖1箭頭指示處，裂紋深度約為高度的1/2，2條裂紋沿中心孔對(duì)稱(chēng)分布。

圖1 開(kāi)裂圓模

圓模的加工工藝為：下料→機(jī)械加工（車(chē)外圓、車(chē)圓弧槽、鉆內(nèi)孔）→真空淬火、回火→磨平面、磨外圓、磨內(nèi)孔→組裝。圓模原淬火工藝如圖2所示，回火溫度為150℃，回火時(shí)間為5 h，回火次數(shù)為2次。為了尋找圓模開(kāi)裂的原因，避免再次出現(xiàn)早期失效，減少經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)對(duì)開(kāi)裂圓模進(jìn)行分析，并進(jìn)行熱處理工藝改進(jìn)試驗(yàn)，獲得符合實(shí)際生產(chǎn)并延長(zhǎng)模具使用壽命的熱處理工藝。

圖2 圓模原淬火工藝

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

失效分析采用早期開(kāi)裂的圓模，工藝試驗(yàn)材料選用與正常生產(chǎn)電池圓模同一批次的圓棒，直徑為?42 mm。截取長(zhǎng)度為200 mm，用線切割加工?15 mm的小圓棒，用于機(jī)加工拉伸試樣，最終拉伸試樣為?10 mm圓棒，兩頭為M15 mm×20 mm的螺紋，與中間拉伸部位有R3 mm過(guò)渡圓角。從原材料中截取?42 mm×55 mm圓棒，并線切割11 mm×11 mm×55 mm方條，四面經(jīng)過(guò)磨削加工成10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣。從原材料中截取?42 mm×12 mm圓片，用磨床加工上、下平面，加工厚度至11 mm，再用線切割加工10 mm×10 mm×11 mm的磨損試樣和15 mm×15 mm×11 mm硬度和金相組織試樣。每組工藝加工3個(gè)試樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

在VOQ2-150型真空爐進(jìn)行淬火，在SLX系列Ⅰ型深冷箱進(jìn)行深冷處理，在RJ2-45-6型井式回火爐進(jìn)行回火，在WAW-500C型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在JB230型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)缺口沖擊試驗(yàn)，在MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)。使用NOVA NANOSEM430型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，使用OLIMPAS金相顯微鏡觀察金相組織，硬度檢測(cè)使用HRB-150型洛氏硬度計(jì)。

2 圓模開(kāi)裂原因分析

2.1 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)開(kāi)裂圓模上切割的試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1299-2014《合金工具鋼》中的Cr12MoV鋼規(guī)定。

表1 圓模材料化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 硬度檢測(cè)

采用硬度計(jì)檢測(cè)開(kāi)裂圓模的端面硬度，測(cè)試結(jié)果為61、61.8、61.5 HRC，符合模具技術(shù)要求。

2.3 斷口檢測(cè)

觀察圓模開(kāi)裂面，斷口呈銀灰色，斷口宏觀上沒(méi)有明顯的塑性變形，組織細(xì)密、均勻，不存在夾渣和非金屬夾雜物。在開(kāi)裂面上可以看到由內(nèi)孔與端面相交位置的放射狀裂紋擴(kuò)展條紋，呈河流狀和撕裂嶺，為典型的脆性斷裂，如圖3（a）所示。觀察裂紋源處斷口形貌，斷口平坦且有亮灰色金屬光澤，呈細(xì)瓷狀。由于存在碳化物顆粒，碳化物集中處產(chǎn)生長(zhǎng)度約8 μm的顯微裂紋，如圖3（b）細(xì)箭頭所示，在裂紋處可見(jiàn)塊狀共晶碳化物顆粒，如圖3（b）粗箭頭所示。

圖3 斷口形貌

2.4 非金屬夾雜物檢測(cè)

從裂紋源處取試樣進(jìn)行金相試樣制備，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，對(duì)圓模材料的非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)。圖4（a）所示為試樣軸向金相磨面未經(jīng)浸蝕的微觀形貌，圖4（b）為圖4（a）局部位置放大。由圖4（a）可以判定試樣非金屬夾雜物等級(jí)結(jié)果，如表2所示，圓模材料中非金屬夾雜物等級(jí)并未超標(biāo)。

2.5 金相組織

圖4 非金屬夾雜物

表2 非金屬夾雜物評(píng)價(jià)結(jié)果

試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕10 min后，圓模材料軸向的金相組織如圖5所示，徑向的金相組織如圖6所示。

由圖5（a）可知，圓模材料共晶碳化物呈帶狀分布，根據(jù)GB/T 14979-1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》第四評(píng)級(jí)圖評(píng)級(jí)，評(píng)定材料共晶碳化物不均勻度等級(jí)為2級(jí)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7713-2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗(yàn)》，當(dāng)材料直徑≤?50 mm時(shí)，材料共晶碳化物不均勻度等級(jí)按第1組的合格標(biāo)準(zhǔn)為≤3級(jí)，按第2組的合格標(biāo)準(zhǔn)為≤4級(jí)。因此，圓模材料的共晶碳化物不均勻度等級(jí)符合該標(biāo)準(zhǔn)的第1組規(guī)定，圓模材料共晶碳化物不均勻度合格。由圖6（a）可知，圓模材料共晶碳化物徑向呈帶狀分布不明顯，共晶碳化物基本呈點(diǎn)狀分布。

由圖5（b）和圖6（b）可知，圓模材料的金相組織為馬氏體+殘留奧氏體+共晶碳化物+二次碳化物，碳化物沿圓模軸向延伸分布，部分大塊碳化物邊角銳利。由圖5（b）可以看出，圓模材料大塊碳化物最大尺寸為0.05 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7713-2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗(yàn)》，圓模材料大塊碳化物等級(jí)為5級(jí)，大塊共晶碳化物等級(jí)不合格。圓模材料組織均勻，晶界清晰，晶粒比較細(xì)小，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，晶粒度評(píng)定為9.5級(jí)；針狀馬氏體細(xì)小，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7713-2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗(yàn)》，圓模材料馬氏體等級(jí)為2級(jí)；殘留奧氏體量較多。

圖5 軸向金相組織

2.6 失效原因分析

圖6 徑向金相組織

根據(jù)化學(xué)成分檢測(cè)，圓模材料是標(biāo)準(zhǔn)Cr12MoV鋼。對(duì)試樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)材料存在異常冶金質(zhì)量缺陷。圓模材料共晶碳化物分布均勻且大部分共晶碳化物細(xì)小，不過(guò)仍有少部分大塊碳化物的尺寸較大，并且保留明顯的棱角。晶粒和針狀馬氏體針均細(xì)小，表明圓模材料淬火加熱過(guò)程中沒(méi)有過(guò)熱和過(guò)燒。圓模硬度要求較高，熱處理過(guò)程采用低溫回火，回火保溫時(shí)間短，淬火馬氏體和殘留奧氏體未完全轉(zhuǎn)變，組織穩(wěn)定性差，熱處理應(yīng)力未能充分消除，材料存在較大脆性。工作時(shí)，圓模受徑向擠壓力和軸向摩擦力作用，容易在碳化物棱角與基體的界面萌生疲勞裂紋，同時(shí)圓模受摩擦發(fā)熱，會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，并產(chǎn)生組織應(yīng)力，當(dāng)總的應(yīng)力大于圓模材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在圓模薄弱位置產(chǎn)生裂紋。

3 圓模熱處理工藝試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法如表3所示。

表3 試驗(yàn)方法

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 硬度測(cè)試結(jié)果

圖7所示為經(jīng)過(guò)不同工藝處理試樣的硬度測(cè)試結(jié)果，工藝1處理的試樣平均硬度為60.3 HRC，但有一個(gè)試樣硬度低于60 HRC。工藝2處理的試樣平均硬度最低，為60.0 HRC，也有一個(gè)試樣硬度低于60 HRC，硬度為59.3 HRC。工藝3處理的試樣平均硬度最高，平均硬度為61.8 HRC，3個(gè)試樣的硬度均超過(guò)了61 HRC，最高硬度為62.6 HRC。

圖7 硬度測(cè)試結(jié)果

3.2.2 金相組織結(jié)果

圖8所示為經(jīng)過(guò)不同工藝處理試樣的金相組織。由圖8（a）可知，大塊碳化物仍然保持尖銳的邊角，針狀馬氏體細(xì)小，基體中存在較多的殘留奧氏體；由圖8（b）可知，大塊碳化物尖銳的邊角得到一定的鈍化，針狀馬氏體相對(duì)較粗大，殘留奧氏體量含量較少；由圖8（c）可知，大塊碳化物尖銳邊角已鈍化，基體分布少量的小塊碳化物，針狀馬氏體細(xì)小，殘留奧氏體含量較少。由于工藝3預(yù)處理工藝淬火保溫溫度高，將大部分的碳化物溶入基體中，快速冷卻時(shí)溶入基體的碳化物來(lái)不及析出，而最后的淬火工藝加熱溫度相對(duì)較低，之前溶于基體內(nèi)的碳化物仍然保持在基體中，針狀馬氏體細(xì)小，殘留奧氏體量較少，晶粒細(xì)小[1]。淬火后經(jīng)過(guò)深冷處理，使殘留奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變馬氏體，同時(shí)使碳化物細(xì)小顆粒彌散析出[2]。

3.2.3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖8 顯微組織

圖9所示為經(jīng)過(guò)不同工藝處理試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，工藝1處理的試樣平均抗拉強(qiáng)度為1 712 MPa，最低抗拉強(qiáng)度為1 660 MPa，最高抗拉強(qiáng)度為1 749 MPa；工藝2處理的試樣平均抗拉強(qiáng)度為1 700 MPa，最低抗拉強(qiáng)度為1 678 MPa，最高的抗拉強(qiáng)度為1 725 MPa；工藝3處理的試樣平均抗拉強(qiáng)度為1 772 MPa，最低抗拉強(qiáng)度為1 743 MPa，最高的抗拉強(qiáng)度為1 787 MPa。由圖9可知，工藝3處理的試樣抗拉強(qiáng)度最高。

3.2.4 沖擊韌性測(cè)試結(jié)果

圖10所示為經(jīng)過(guò)不同工藝處理試樣的沖擊測(cè)試結(jié)果，沖擊吸收功最小的是工藝2處理的試樣，平均沖擊吸收功為1.9 J；其次為工藝1處理的試樣，平均沖擊吸收功為2.6 J；沖擊吸收功最大的是工藝3處理的試樣，平均沖擊吸收功為3.6 J。由圖10可知，工藝3處理的試樣韌性最好。

圖9 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖10 試樣的沖擊測(cè)試結(jié)果

3.2.5 磨損試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

對(duì)磨副材料為Cr12MoV鋼，硬度為60 HRC，施加載荷為196 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨損時(shí)間120 min，在室溫下干摩擦，用萬(wàn)分之一精度電子天平稱(chēng)試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量，計(jì)算磨損質(zhì)量。圖11所示為為不同工藝處理的試樣磨損試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，工藝1處理的試樣磨損量最多，平均磨損量為22.7 mg；工藝3處理的試樣磨損量最少，平均磨損量為9.8 mg；工藝2處理的試樣磨損量居中，平均磨損量為16.1 mg。因此，工藝3處理的試樣耐磨性最好，其耐磨性是工藝1處理的試樣的2.3倍，淬火后深冷處理可以有效提高耐磨性[2,3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖11 試樣的磨損試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

（1）電池圓模失效的主要原因是熱處理回火不充分，材料中殘留奧氏體量多，組織不穩(wěn)定，應(yīng)力消除不完全；次要原因是材料中大塊碳化物棱角明顯且尺寸較大。

（2）對(duì)3種工藝進(jìn)行試驗(yàn)，工藝3處理的試樣硬度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性最好。

（3）運(yùn)用工藝3對(duì)圓模進(jìn)行熱處理生產(chǎn)，硬度均大于61 HRC，圓模連續(xù)使用3個(gè)月均未發(fā)生早期開(kāi)裂或磨損等現(xiàn)象，取得了滿意的效果。