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硅钢片冷冲裁模工艺分析与改进措施

硅钢片冷冲裁模工艺分析与改进措施-课程设计论文

（2008-05-0616:

05:

45）

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课程设计

硅钢片

冷作摸具钢

cr12mov

杂谈

摘要：

介绍了Crl2MoV钢冷冲裁模的热处理工艺及失效分析以及锻造、热处理工艺的改进措施。

Crl2MoV钢是一种高碳高铬的冷作模具钢,退火组织中含有数量较多的、粗大的碳化物,虽然经过反复锻造,但碳化物的分布仍不均匀；同时,由于热处理工艺的影响,使奥氏体中存在部分未溶的碳化物,在金相显微组织中形成了脆性的碳化物带状分布区。

经改进锻造和热处理工艺后,使显微组织均匀化获得了满意的力学性能,达到了设计寿命的要求。

关键词：

冷冲裁模。

失效分析。

锻造及热处理工艺。

碳化物。

力学性能

Abstract：

ThispaperintroducesthefailureanalysisofCr12MoVsteelcold-blankingdie.Forgingandimprovementmeasureofheattreatmentprocess.Cr12MoVsteelisacoldworkdiesteelwithhighcarbonandhighchromium.Afterbeingforgedrepeatedlyannealingstructurecontainsalargenumberofcoarsecarbidewithdistributedimhomegeneity.Atthesametime,carbidecan’tbedissolvedinausteniteformedbrittleness.Carbidestingersdistributeexistsinmicrostructureastheresultoftheeffectofheattreatmentprocess.However,wecanachievesatisfactorypropertiesthroughtheimprovedforgingandheattreatmentprocesswhichcanmakethemicro-issuewell-distributedandmeetthedemandofdesign.

Keywords:

cold-blanking。

failureanalysis。

heattreatmentprocess。

carboncarbide。

mechanicalproperty.

1．冲裁模具简单结构及工作条件

当我们把板料件3放置在件l、2之间，件l在一个垂直向下的外力作用下，通过与伴2的共同作用，就可以把T件从板料上分离出来。

而件l和件2就是冷冲裁模最基本的工作零件。

冲裁模具简单结构图

Cr12MoV钢属于高耐磨微变形冷作模具钢,其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度,仅次于高速钢,是冷冲裁模、冷镦模等冷作模具的重要材料，其消耗量在冷作模具钢中居于首位.该钢虽然强度、硬度高,耐磨性好,但其韧性较差,对热加工工艺和热处理工艺要求较高,处理工艺不当,很容易造成模具的过早失效。

2.工艺设计：

                 此图为硅钢片冷冲裁模具由Cr12MoV钢制成,其设计硬度为58～62HRC,正常的使用寿命为每模20万件以上,但实际生产不到8000件,其凸模外缘即出现裂纹和小的崩块,经过刃磨修复后继续产生,并且出现了裂纹明显扩展的迹象,使用不到1.9万件,便已失效.本文针对该冷冲模具进行失效分析,并且进行锻造、热处理工艺的分析与改进。

    Cr12MoV钢是广泛用于模具行业的冷作模具钢．具有高淬透性、高耐磨性和热处理变形小的特点．且加入适量的Mo和V，碳化物不均匀有所改善。

Mo能减轻碳化物偏析并提高淬透性，V能细化晶粒。

截面在300～400mm以下可完全淬透，在300～400℃时仍可保持良好的硬度和耐磨性。

因此适用于制造截面大、形状复杂、经受大冲击负荷的各种模具。

（一）Cr12MoV钢的化学成分（质量分数，﹪）

C

Si

Mn

Cr

V

Mo

S

P

1.45～1.70

≤0.40

≤0.40

11.00～12.50

0.15～0.30

0.40～0.60

≤0.030

≤0.030

注：

摘自GB/T1299——2000

　 由表中的数据可以看出,失效冷冲裁模具的化学成分在Cr12MoV钢的化学成分范围内,不会对模具的金相显微组织和力学性能造成较大的影响。

另一方面,杂质元素硫和磷的质量分数未超标，非金属夹杂物和晶粒特别粗大等现象.由此判断,材料的冶金质量无明显不足.

（二）临界点 Ac1≈810℃,Ac3≈1200℃,Ar1≈760℃,Ms≈185℃.

（三）热加工    锻造工艺规范

工程

加热温度/℃

始锻温度/℃

终锻温度/℃

冷却方式

钢锭

1100～1150

1050～1100

850～900

缓冷

钢坯

1050～1100

1000～1050

850～900

缓冷

注：

因钢的导热性差，因注意缓慢加热，锻后必须缓冷                                         （四）预备热处理

1）锻后等温退火：

加热温度为850～870℃，保温1～2h；炉冷至720～750℃，保温3～4h，炉冷至550℃以下出炉空冷。

退火后的硬度为207～255HBS，组织为细珠光体+碳化物。

工艺曲线如图1

（五）淬火及回火

1）淬火规范第一次预热在550～600℃，第二次预热在840～860℃，淬火温度为1020～1040℃，采用油淬，油的温度20～60℃，冷却至油温，随后空冷。

硬度为62～63HRC。

淬火后组织比例为：

碳化物12%，马氏体68%～73%，奥氏体25%～20%。

2）回火规范回火的目的为去除锻后应力，降低硬度。

淬火温度1020～1040℃，回火温度200～275℃，冷却至室温，达到的硬度57～59HRC。

3.模具的工艺分析

（一）模具的化学成分及冶金质量分析

由Cr12MoV钢的化学成分表中的数据可以看出,失效冷冲裁模具的化学成分在Cr12MoV钢的化学成分范围内,不会对模具的金相显微组织和力学性能造成较大的影响。

另一方面,杂质元素硫和磷的质量分数未超标，非金属夹杂物和晶粒特别粗大等现象。

由此判断,材料的冶金质量无明显不足。

不至于导致模具的开裂与失效。

由此判断,该模具的过早失效不是由材料的化学成分引起的。

经适当处理后,观察脆断的断口特征,发现其断口呈银灰色,宏观组织细密、均匀,未见气孔、夹渣、非金属夹杂物和晶粒特别粗大等现象。

由此判断,材料的冶金质量无明显不足。

（二）模具的锻造及热处理工艺分析

1）模具的锻造工艺分析 通过查看模具生产的技术资料知,该模具的加工工艺路线为：

下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火+低温回火→平磨→线切割加工→成型组装。

其中的锻造工艺为:

始锻温度1000～1100℃,终锻温度800～850℃；锻造方法为一般轴向镦粗———拔长法。

该模具的加工路线在工序安排上是合理的。

Crl2MoV属于高碳高铬钢,其特点是升温速度慢,锻造温度范围窄,一般始锻温度为1050～1100℃,终锻温度为840～880℃。

由此可见,该模具的锻造温度基本上符合Cr12MoV钢的锻造温度要求.该模具在锻造的具体操作上存在明显不足。

一般的轴向镦粗———拔长法使坯料心部的变形量不大,无法完全消除组织中的带状碳化物和粗大、不均匀的碳化物组织,用这样的坯料制成的模具会产生组织的不均匀和力学性能的各向异性,增加淬火裂纹和使用脆断的倾向。

通过从失效模具裂纹的不同部位取样进行金相显微组织分析可知,在锻造过程中,并未获得细小均匀的锻造组织,在裂纹附近仍存在明显的带状碳化物分布区,而且在带状组织中还存在有粗大的碳化物分布。

如图2示：

 图2  裂纹区域的带状碳化物             带状碳化物中的粗大碳化物

　  带状碳化物区是一个脆性区,其强度低,塑性、韧性差,不能承受大的冲击力,裂纹很容易在这里萌生与扩展。

由于该区脆性大,并且容易产生应力集中,所以成为裂纹产生的主要原因。

在锻造方法上来说,对于高碳高铬钢一般应采用变向锻造法,即多向反复镦粗———拔长——镦粗,使钢组织中粗大的碳化物充分破碎,消除带状组织,以获得均匀的显微组织和力学性能。

2）模具的热处理工艺分析 模具材料为Crl2MoV，其加工工序路线为：

锻造毛坯一860℃×1.5h+730℃×4h炉冷至500℃以下出炉空冷一铣各面一磨基准面一数控铣床预加工型腔一钳工加工各固定孑L、线切割工艺孑L一热处理（工艺曲线见图1）（60～62HRC）一磨削一退磁处理一线切割加工型腔一抛光一检验。

经该工艺热处理后，Crl2MoV模具的淬火硬度为55．5HRC，回火硬度为60．8HRC。

符合60～62HRC的设计要求。

4.失效分析

由于Crl2MoV钢含碳量高且含有质量分数为12%的Cr,因此,钢中存在大量的粗大碳化物,如果这些碳化物分布不均匀,不但导致材料的力学性能产生各向异性,引起热处理畸变与裂纹,还会造成材料强度、硬度、耐磨性和韧性的降低,使模具在使用过程中必然会造成刃部的磨损,增加磨削修刃的频率,导致模具的早期失效。

Crl2MoV钢制模具经1030℃油淬和220℃低温回火后,仍然存在残余内应力,磨削过程中还会引起附加应力,当总的拉应力超过模具的断裂抗力时,便会引起磨削裂纹。

Crl2MoV钢经1030℃油淬和220℃低温回火后的残余奥氏体量可达30%以上,模具在中间磨削修刃时,表面薄层的瞬间温度可达900～1100℃,磨削时表面温度升高可达每秒钟几千度,此温度保持十分之几秒钟后,热量即被下层金属带走,加之冷却液的冷却,使表面层的残余奥氏体发生马氏体转变,将产生残余内应力,为产生磨削裂纹创造了条件。

残余奥氏体向马氏体转变的过程中还会引起尺寸的膨胀,使凸凹模的间隙发生变化,也会造成模具的早期失效。

长期的生产实践和近年来的调研对Crl2MoV等高碳高铬合金工具钢制造的冲模进行失效后的分析,可归纳为如下几种情况：

1）小直径冲孔凸模及冲深孔凸模在使用中折断,尤其杆部未加粗的冲孔直径的细长小孔凸模以及蕊料厚的直杆凸模最易纵弯折断。

      2）冲裁外廓小于45。

的角部尖角处、小模数齿型齿顶处，冲件料厚的凸台与凹口角部等复杂形状凸、凹模刃口经常出现崩刃。

3）凸、凹模刃口出现严重的不均匀磨损及局部过度磨损。

刃磨后仍然使冲件局部尺寸超差而冲件毛刺高度普遍超标。

4）凸模出现徽粗变形,长度缩短甚至卡在凹模洞口或卸料板导板中凹模刃口产生局部压塌变形,造成局部间隙变化,有时出现卡模,加速冲模磨损,甚至胀裂凹模。

对失效冲模凸、凹模的内部金相组织观察发现,仍有大量碳化物,颗粒粗大且呈片、网带状分布于钢中,存在严重的碳化物偏析。

与进厂的同钢种轧材钢坯相比几乎无什么区别。

这是锻造凸、凹模锻坯时,只求获得理想的几何形状而不注意采用合适的自由锻工艺打碎钢中的碳化物偏析及其粗大颗粒,并使其均布于钢中的结果。

用热处理的办法要打碎碳化物偏析并均布于钢中是不可能的。

其锻坯碳化物的不均匀度等级多为5～6级。

据相关资料调查显示：

对从德国进口的冲裁模和从瑞士FeintoolAG精冲公司进口的小模数片齿轮精冲模进行了长期使用观察及失效后分析。

这两种冲模均采用德国工业标准高碳高铬合金工具钢制造凸、凹模。

该材料与国产的Crl2MoV化学成份基本相同。

与国内用同种模具钢即Crl2MoV材料制造的同类冲件的冲裁模相比,尽管冲模制造图样是德国的,但其刃磨寿命仅为德国进口模具的30%～40%,总体寿命不足德国的30%。

观察进口冲模凸、凹模金相组织结构发现,其碳化物均球化为细小的颗粒均布于钢中,其不均匀度等级在1级以上。

请教德国和瑞士冲压专家,答复是一致采用碳高铬合金工具钢凸、凹模锻坯是由二次电渣重熔精炼的钢锭,经专业轧钢锻造公司,先轧制成钢材,后用其专利锻造技术锻出专业模具厂需要的坯件。

所以,进口冲模的凸、凹模锻坯使用精炼的、纯度较高的，加上用现代专利自由锻工艺锻造,确保锻坯内碳化物颗粒细小并均布于钢中。

国产Crl2MoV钢未经精炼,直接由钢锭轧成钢材,供应用户,钢中碳化物颗粒粗大。

由以上分析可知，如何减小Crl2MoV钢中碳化物的大小、提高碳化物的均匀度以及降低残余奥氏体的数量,是提高硅钢片冷冲模质量和寿命的关键。

5.工艺措施改进

（一）锻造工艺改进 

原工艺是下料后直接锻造出模具的外形尺寸,未经反复镦粗、拔长,这样一次成形的锻坯的碳化物不均匀度（碳化物级别）大于4,因此Crl2MoV钢中存在大量的粗大的不均匀碳化物,这是导致模具早期失效的主要原因之一。

为此本文对模具的锻造工艺进行了改进,同时考虑到Crl2MoV钢的导热性和塑性较低,高温变形抗力较高,锻造温度范围窄,锻造性能很差。

因此,始锻温度确定为1030～1060℃,终锻温度确定为840～880℃,锻造时应反复镦粗、拔长多次,锤击过程中要把握好始锻、终锻时轻击,中间过程重击,以及各部分变形均匀和温度均匀的原则。

新工艺采用三次加热,严格进行三向循环镦拔,在最后火次时,要特别控制锻造变形量和锤击力度,变形量要小,锤击要轻。

当锻造温度降到850℃后,继续进行无变形量轻锤敲击。

当锻件温度降到750℃时,停止锻造,并淬入60℃热油中,油温升至200℃后转入600℃×2h回火。

经上述处理后,可使碳化物细化,分布均匀,其不均匀度可≤2～3,同时可减少Crl2MoV钢的内应力和裂纹倾向。

（二）热处理工艺改进适当提高回火温度,可保证模具在硬度降低不多的情况下获得较好的韧性,减小模具的内应力,均匀热处理后的显微组织,获得所需的力学性能。

1）增加调质工序为使Crl2MoV钢中的碳化物细小均匀分布，改善模具的强韧性及使用寿命，除了利用锻造消除碳化物偏析外，还有必要在粗加工后、精加工前增加一道调质工序，使碳化物的分布达到“小、匀、圆”的要求,具体工艺是：

1100℃油淬，使碳化物尽可能溶解到奥氏体中，冷却后得到马氏体和残余奥氏体。

然后700～780℃高温回火，可获得细粒状珠光体和细小均匀分布的碳化物。

调质处理后，测量其硬度为26～28HRC。

通过调质处理，可为后面的最终热处理作好组织准备，同时也有利于机加工成形。

2）改善碳化物偏析，减小碳化物颗粒 Cr12MoV钢组织内部共晶碳化物多、颗粒大、偏析严重，这些碳化物的存在，除容易造成模具淬火开裂和变形外，还增加了模具使用过程中的脆性，降低了韧性。

因此我们用常规方法对该钢进行多次墩粗和拔长，将大块状碳化物击碎，并改善了组织内部碳化物偏析，为防止由于原材料表面存在的裂纹等缺陷导致锻造过程出现的裂纹扩展而报废，锻造前用机械加工的方法将毛坯表面去除2～3mm，并在锻造后及时进行球化退火，退火后硬度≤250HBS，球化级别为2～3级。

3）淬火后采用深冷处理金属的深冷处理从普通冷处理0～-100℃发展起来的，它是在-130～-l96℃的冷处理，其可以显著地提高材料的力学性能和金属模具的使用寿命。

普通冷处理主要用作提高工件的硬度，而深冷处理不仅如此，还可以提高钢的强韧性和耐磨性。

原工艺淬火后采用低温回火,必然有过多的残余奥氏体存在,这是造成模具硬度不高、产生磨削内应力、磨削裂纹及引起模具尺寸发生变化的根本原因。

而减少残余奥氏体的有效方法是深冷处理,其具体工艺如图3所示:

1100℃油淬后,先经100℃热水1h处理,然后进行-196℃×2h深冷处理,深冷处理后进行520℃×2h高温回火。

将淬火温度从1030℃提高到1100℃是为了使奥氏体中熔入较多的碳和其它的合金元素,淬火后可减少组织中的块状碳化物。

深冷处理可Crl2MoV钢中的残余奥氏体降低到最低程度,还能促使从淬火形成的马氏体中析出高度弥散的、和基体保持共格联系的超细微碳化物,显著提高模具的硬度和尺寸稳定性。

在随后的520℃高温回火过程中，可

使碳化物进一步从马氏体中弥散析出,产生二次硬化,实现碳化物呈颗粒状均匀分布,提高模具的强韧性、硬度和耐磨性。

下图为不同工艺下Cr12MoV钢的性能

6.提高Cr12MoV钢模具寿命的热处理工艺分析

Cr12MoV钢是目前国内广泛使用的冷作模具钢之一。

该钢具有淬透性好硬度高且耐磨、热处理变形小等优点,常用于制作那些承受重负荷、生产批量大、形状复杂的冷作模具,如冷冲、压印、冷镦、冷挤压模等。

但该钢的显著缺点是脆性大,常常导致模具的早期失效。

因此,如何提高其强韧性,防止模具过早断裂失效,是该钢用户经常遇到且需要解决的问题。

在生产中，对Cr12MoV钢一般有两种不同的热处理工艺，即一次硬化法淬火和二次硬化法淬火。

由于我们对冷作模的热硬性要求不高，所以采用了一次硬化法淬火。

Crl2MoV钢采用一次硬化法淬火，淬火温度一般取1030—1050~C。

但在实践中发现，使用该温度淬火，模具的使用寿命不太理想。

模具失效分析表明,热处理因素影响最大,约占50%。

本文在已有研究的基础上,针对热处理生产中影响Cr12MoV钢性能的诸因素,分析评述了提高其模具寿命的热处理工艺方法和措施。

1）Cr12MoV属于高碳高铬莱氏体钢。

碳化物含量高,且常呈带状或网状不均匀分布,其形状、大小及分布对钢的性能影响很大,尤其大块状尖角碳化物对钢基体的割裂作用较大,往往成为疲劳断裂的策源地。

经过改锻,碳化物被击碎,偏析状况得到有效改善,但其形态还不理想,且锻后硬度也偏高。

因此Cr12MoV钢锻后常采用球化退火作为预备热处理,以获得均匀、细小的球形碳化物,降低硬度,改善切削加工性能,同时为后续淬火做好组织准备。

当常规球化退火工艺效果不理想时,可采用锻后调质处理,即锻后稍作停留,让奥氏体回复和开始再结晶,然后立即淬火,700～750℃回火。

或在精加工前增加一道调质工序。

2）Cr12MoV钢一般淬火温度为1000～1040℃,而调质的淬火温度可达1120℃,高的温度一方面促进了较小碳化物的完全溶解,另一方面也促进了大块碳化物尖角的局部溶解。

而且,溶入基体的碳化物在随后高温回火过程中再度均匀弥散析出,使碳化物的形态，大小及分布得到改善,有利于提高模具的强韧性。

3）Crl2MoV钢经-196℃×12h深冷处理后的力学性能见表2。

数据表明：

在相同热处理工艺条件下，经深冷处理比未深冷处理的抗断裂应力，HRC值都有较大提高，特别是冲击韧性提高0．7倍以上。

如表2示：

Crl2MoV钢经-170℃，保温时间分别选l～12h，未深冷与深冷12h的力学性能对比，其中以保持12h为最佳。

下图示：

钢深冷处理后的耐磨性冷冲模具的正常失效形式主要是冲击磨损失效，故实验采用冲击磨损实验机，测定不同参数的磨损量，对比深冷处理后的效果，结果表明，深冷试样的磨损量明显低于未深冷的试样，即耐磨性提高，表3数据表明：

在相同的热处理和磨损次数条件下，经深冷处理的抗冲击磨损性能明显提高。

深冷处理可以促使马氏体（M）数量增加，残余奥氏体晶粒变小。

有资料指出，为了使裂纹不易产生，可以采取减小晶粒直径形成的工艺方法。

深冷处理细化了奥氏体晶粒，故而改变了金属断裂过程中的能量吸收状态，导致钢的强韧性提高。

通过TEM观察，发现在原淬火马氏体晶粒内部有直径为3—6nm的微细碳化物弥散析出，主要分布在马氏体的孪晶带上。

由于微细碳化物的析出过饱和固溶体（M体）的轴比降低，即减少了马氏体晶格畸变能，因此有利于提高钢的韧性。

微细碳化物的弥散分布还有利于弥散强化作用。

深冷处理不仅提高了钢的强韧性、耐磨性、模具寿命,而且能稳定模具尺寸,改善加工精度及表面质量,挽救一些尺寸超负公差的零件。

所以可得出结论

（1）深冷处理可提高Crl2MoV钢的强度、韧性和耐磨性；

（2）强度的提高是由于点缺陷密度的增加和残余奥氏体细化的结果；（3）耐磨性和韧性的提高是由于颗粒为3—6nm微细碳化物析出的结果。

4）增加调质处理模具除了要求基体具有足够高的强韧性外,还要求表面具有高硬度、耐磨、耐蚀和低的摩擦系数、抗疲劳性能等。

这些性能的改善,单靠材料的整体热处理效果有限,也不经济,而通过表面处理技术,如表面涂覆、表面改性或复合处理技术,改变模具表面的化学成分、组织结构及应力状态等,往往可以收到事半功倍的效果。

模具的表面处理方法很多,新的处理技术也不断涌现但对Cr12MoV钢模具而言,应用较多的主要有渗氮（N）及多元复合渗、硬化膜沉积技术等。

（1）渗氮及多元复合渗。

渗氮由于与模具钢的淬火工艺有良好的协调性,处理温度低,渗后不用激冷,模具变形极小,渗层硬度高、耐磨,抗疲劳,因此

应用较早且广泛。

     Cr12MoV钢1110℃淬火、540℃2次回火,经520～540℃渗氮2～6h后,表面硬度1042HV0.1,心部硬度775HV0.05（62.5HRC）。

980℃淬火、180℃回火,渗氮2～6h后表面硬度1120HV0.1,心部硬度563HV0.05（53HRC）,耐磨性提高45%～67%。

     将Cr12MoV钢的渗氮工艺和淬、回火结合起来的复合强韧化处理可得到细小弥散的B下与M的复相组织,以及少量的Ar,心表力学性能过渡均匀,渗层深度达300μm,使模具寿命大幅度提高。

在渗氮的同时,同时渗入硫（S）和氧（O）,模具表面不仅具有高的硬度、耐磨,减摩及抗咬合能力,而且能加速N的渗入,提高经济效益。

Cr12MoV钢经真空1020℃淬火、560℃回火,然后在550℃进行时间为2h的离子O、S、N共渗,渗层厚度为0.16～0.18mm,表面硬度为1000～1200HV。

如某日用化工厂用此工艺生产Cr12MoV钢牙膏管冷挤凸模,平均寿命3.5万件,是真空淬火回火处理的3.5倍,是离子渗氮处理的2倍。

对Cr12MoV钢先进行等离子渗氮,然后再采用等离子S、N、C共渗工艺,在其表面形成具有一定硬度梯度的硫化物层+渗氮层的复合表面层,能显著提高其耐磨性及抗咬合性能,摩擦系数降低2/3。

在渗氮或复合渗表面处理中,加入适量的稀土元素,不仅能提高渗速,而且能优化表面渗层的组织结构,改善表面的物理化学性能,强化表面,是延长模具寿命的新途径。

（2）硬化膜沉积技术。

硬化膜沉积技术目前应用较成熟的有CVD、PVD、电火花涂敷等。

CVD、PVD由于设备原因成本较高,只在一些精密、长寿命模具上应用。

电火花表面涂敷由于方法简单,效果好,因而实际生产中应用较为广泛。

采用PVD技术在模具表面沉积TiN涂层,工艺性能好,原材料易得,无腐蚀和无染,且涂层硬度高,与基体结合牢固,在工业上得到了一定应用。

TiN涂层可显著提高模具钢热处理后在常温下的耐磨性能、较低冲击能量冲击下的抗冲击磨损性能、减摩性能，抗疲劳失效能力,以及耐高温（500℃）性能等。

     采用离子注入技术在模具表面注入N+、WC等,可以有效地提高模具的硬度、耐磨性及疲劳强度。

用渗硼和新型的等离子体浸没式氮离子注入技术（PSⅢ）对Cr12MoV钢进行复合处理,可以在模具表面制备出含有立方氮化硼的表面硬化层,硬度高达48GPa,并具有优良的摩擦性能。

采用高能离子注渗WC技术,在一定深度的表层内形成碳化钨富集的高耐磨层,其耐磨