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Cr12钢冷冲模锻造工艺的优化
n- z! v* Z6 j# S% L3 R1 Q摘要：分析了Cr12钢冷冲模在工作过程中产生裂纹的原因，提出了优化锻造方法、防止裂纹产生的工艺措施。 4 ?/ z# x$ f. C1 ?1 {6 F5 \ k
关键词：冷冲模；裂纹；锻造工艺；优化
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一、概述 . D" z- ], c; A! W( U! V
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Cr12钢是典型的冷作模具钢，广泛用于冷冲模、拉拔模、螺丝滚模等。
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. z$ m+ ^- N+ q, s湘潭市家用电器厂吊风扇转子硅钢片冲模采用Cr12钢制成。该模具主要由凸凹模组成，安装在600kN的冲压机床上，将材料为D21，厚度为0.5mm的硅钢片冲压成吊风扇转子片。 ! B9 C2 |) L( Y* \6 ~
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该模具设计硬度为58～62HRC，实际测得的硬度为60～62HRC，符合设计要求，在正常情况下，模具可冲制20万件以上。然而该模具上机后使用不到9000次，便产生由冲头带出凹模槽孔边崩块，下机后将模具刃磨，再次上机，崩块继续产生，并且在模具外缘出现裂纹，在继续冲制过程中，裂纹迅速扩展，不到2万次就形成了图1所示形状的裂纹，使模具失效而无法使用。
8 v( n* a, l/ W" b0 ^二、冲模热处理与锻造生产工艺
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7 H2 ` N/ n& q1.热处理工艺 2 q! }1 K8 R2 n. @8 t1 }
5 o: r8 h! r: p3 D退火时，加热至850～870℃保温4h后，随炉冷至730～740℃，保温4～5h后，随炉冷至500℃出炉空冷。淬火加热至980℃保温后油淬，随后在180℃回火3h。 0 x& c) \8 L/ g& i4 g: j
% b/ O3 A1 @, r a+ N. a2.锻造工艺 ) o! Y) `+ ^: b& i! u* m3 F6 e7 ~7 y! K) ^
. ]5 S* O9 r1 z3 O4 V- o6 K" _锻造坯料选用φ120mm的轧材，在500kg的空气锤上进行，始锻温度为1050℃，终锻温度为820℃。
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5 o u. V1 k& W1 a" w, l- p( z锻造生产时采用轴向镦拔法，即沿钢料的轴向，进行不变换方向的往复镦粗与拔长，其工艺过程如图2所示。
- W( d$ e W/ F- h0 n" [三、裂纹产生的机理分析 $ j' W, E# I9 R" y0 U; i
) \, I% `# V1 A- R. h1 r在裂纹的前端、中部和末端取样进行金相显微分析(其显微组织分别见图3、图4、图5)，发现材料显微组织不理想，粗细不匀的碳化物呈条带状分布。正是这种条带状分布的碳化物影响了材料的力学性能。首先条带状碳化物区是一个脆弱区，其强度很低，塑性韧性很差，不能承受大的冲击力，裂纹很容易从这里产生。其次裂纹一旦出现，又很容易沿着带状碳化物区扩展，因为该区脆性大，并且容易产生应力集中现象，所以这种带状碳化物区又是裂纹扩展的根源所在。这种裂纹的扩展是周期性的，当已产生的裂纹表面因滑移而变成疲劳裂纹时，裂纹的前端会变得重新尖锐，在下一次加载时又继续扩展。这样，不断加载、裂纹不断扩展，最后导致模具报废。 $ v. c/ J3 ^$ o# i' T& ~* x$ G
出现这种带状碳化物的原因是因为Cr12钢属莱氏体钢，碳含量高，钢中含有大量合金碳化物，经轧钢厂轧制后，碳化物即成带状分布，且轧制后的型材直径越大，碳化物就越粗，带状分布就越严重。显然在模具制造过程中，锻造工序对改善带状组织起着决定性的作用。而热处理的淬火是采用一次硬化法(即低温淬火加低温回火)，在淬火加热温度下，大量碳化物不能溶于奥氏体，基本上保留了锻造后的分布特征。因此，热处理工艺无法消除带状组织。 4 @2 k5 U& `5 w5 R) X
$ j+ Y8 q; o! p) {分析锻造工艺可知：一是锻造设备吨位不够，二是锻造方法不合理。φ120mm直径的坯料，采用500kg的空气锤难以锻透，因为Cr12钢中含有大量的合金元素，变形温度高，变形抗力大，一般需选用相当于结构钢两倍吨位的锻锤来锻造。若锻锤吨位过小，打击力不够，变形只能发生在表面，中心部分的碳化物不能击碎。锻造方法采用轴向镦拔法，这种镦拔方式的主要缺点是端部开裂倾向大，在反复镦粗时，端面与砧面接触时间长，降温快，在拔长时易开裂(若此时产生的裂纹未发现，就有可能成为以后模具开裂的裂纹源)，而心部金属变形量小，心部组织没有多大改善，因此，心部组织的碳化物在锻造过程中未能重新分布，仍保留着轧制时分布的状态，这是造成模具开裂的根本原因。 ! x3 N' j" n5 k' g/ l: C
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四、锻造工艺的优化 $ }& G6 h2 j" n3 I5 z6 D
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1.选用合适的坯料直径和锻锤吨位
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坯料直径越大，由于轧制时变形小，碳化物偏析越严重，碳化物颗粒也越粗大，因此将原来φ120mm的坯料改用φ80mm，以便得到原始碳化物分布较均匀的坯料。 1 N7 `9 G0 k% ^% @' G1 m; y7 y! V, O
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原选用空气锤的吨位偏小，会使变形仅限于表面，内部碳化物得不到碎化，因此应适当加大空气锤吨位，可改用750kg空气锤，以便锻透，从而击碎中心碳化物。
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2.采用多向镦拔法 ) T+ J- L% @! V
6 A+ i; K& W! z7 T* A7 x; D4 z多向镦拔法如图6所示，它是获得优质模具毛坯的一种较好的锻造方式，锻造变形均匀，易锻透，组织能得到全面改善，可使碳化物细碎且分布均匀，彻底消除了轧制时形成的带状组织。
/ z I8 s6 W3 l6 c' n5 F: {2 G3.适当提高锻造比 $ V* U6 \! t( E7 N7 L& I
* l9 O9 D2 x# }9 s' e7 C适当提高锻造比，可使碳化物不均匀度级别降低，采用多向镦拔法，其总的镦拔次数应在6～8次。总锻造比不少于15。 5 m9 [0 Q- }2 }& A6 {( n/ k) V
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4.避免锻造裂纹
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锻打时不宜过重，以免锻造变形时产生锻造裂纹而形成裂纹源。要勤倒角，以避免温差和附加应力引起角裂。另外锻造时要仔细观察，如发现裂纹应及时铲除，以消除裂纹源。 | 
发表于 2007-7-14 10:45:53
