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    1. 模具材料技術分享:Cr12MoV 導桿熱處理開裂分析

      日期: 2020-12-21  來源:  點擊數:  

      作者:胡白桃, 陸中平, 丁豐彪, 程園虎(杭州娃哈哈集團有限公司 )


      文章已刊載在《模具制造》月刊,版權歸作者所有,轉載請注明出處,謝謝!


      【摘要】采用光學顯微鏡、 能譜分析儀、 硬度計等設備, 從宏觀檢查、 組織分析、 成分分析、 硬度分析等方面對熱處理過程中開裂的Cr12MoV導桿進行研究。發現裂紋由共晶碳化物引起, 加上兩次熱處理的應力疊加而導致模具熱處理過程開裂。


      關鍵詞:Cr12MoV;導桿;共晶碳化物;應力疊加


      1 引言


      導柱導向機構是注射模中常用的合模機構,導柱、 導套分別安置在注射模的動模和定模部分上, 是模具合模和啟模的導向裝置。導柱在導向套內滑動配合工作, 目的是為保證動、 定模合模時, 能夠得到型芯與型腔各部位之間的正確組合, 這要求導柱有比較好的耐磨性。同時, 模具在安裝到注塑機上及塑料熔體在注入型腔過程中都會產生單向側向壓力, 使導柱在工作中不可避免地受到一定的側向壓力, 又要求導柱有一定的韌性。所以, 制造導柱導套的鋼材材質必須有良好的韌性和耐磨性, 這樣子做出來的導柱導套才耐用且不易拉傷。Cr12MoV鋼材屬于一種高碳高鉻型萊氏體鋼, 熱處理后能獲得較高的硬度和較好的耐磨性, 適宜制造高精度、 長壽命、 能經受大的沖擊的冷作模具 [1] 。


      我司注射模上的導桿采用Cr12MoV制造, 工藝過程為下料?調質?車?銑?高頻淬火?磨外圓。某批零件在高頻淬火加熱過程中即發生開裂,如圖1所示。觀察零件, 裂紋呈縱向分布, 幾乎貫穿整個零件, 長度達 267mm, 端面深度 7mm。為了查明原因, 用線割的方法對失效零件垂直裂紋方向進行切割制樣, 對試樣進行硬度檢測、 成分檢測及金相觀察。線割后幾天發現線割部位又產生數條縱向裂紋。


      零件及裂紋形貌

      圖1 零件及裂紋形貌


      a — —縱向 b — —橫截面



      2 硬度檢測


      利用洛氏硬度計檢測硬度, 硬度為30~33HRC, 熱處理廠家稱熱處理工藝過程為加熱 1,040℃淬火,750℃回火, 與硬度檢測結果相吻合。



      3 成分檢測


      使用SPECTRO光譜儀對試樣進行能譜分析, 結果 如 表 1 所 示 , 把 檢 測 結 果 與 國 家 標 準(GB/T1299-2014) 進行比較, 可知Si、 Mn、 P、 S含量均超過標準, 而C含量偏低。


      成分檢測



      4 金相觀察分析


      利用Axio Lab A1蔡司正立式顯微鏡觀察試樣的光學顯微組織。對試樣的縱向、 橫向分別經過磨制、拋光后進行觀察, 可以觀察到大量的D類夾雜物 (見圖2a) 。將試樣用4%硝酸酒精腐蝕液進行腐蝕后, 觀察金相組織, 不論是縱向還是橫向, 都可觀察到共晶碳化物成斷續網狀分布 (見圖2b、 2c) , 在碳化物堆積區域碳化物顆粒尺寸較大, 部分碳化物呈長桿狀, 并且邊角不圓滑 (見圖2d) 。


      基體金相組織

      圖2 基體金相組織


      a — —夾雜物100X b — —縱向共晶碳化物100X


      c — —橫向共晶碳化物100X d — —共晶碳化物500X


      圖3為裂紋及附近區域的顯微觀察。觀察裂紋,可以看到裂紋行進方向大致與碳化物分布的方向一致 (圖3a) 。在裂紋附近, 有一些凹坑分布, 為部分較大的碳化物脫落形成微小的孔洞。這種較大的碳化物顆粒很容易脫落, 事實上都是潛在的裂紋源。在受到較大的熱處理應力或加工應力的時候, 這些微裂紋就會擴展, 繼而造成零件的失效。將裂紋放大至500x(見圖3b) , 裂紋附近分布尺寸較大的碳化物, 直徑達到0.15mm, 根據JB/T7713-2008標準, 大大超過5級的0.025mm, 觀察裂紋上的凹坑尺寸大致和碳化物尺寸相當, 很可能凹坑就是由碳化物脫落形成 (見圖3b) 。


      裂紋觀察

      圖3 裂紋觀察


      a ——裂紋200X b — —裂紋500X


      5 分析


      由表1的成分檢測結果可知, 與標準含量相比, C含量明顯偏低, 但應該不是造成零件開裂的原因。而Si、 Mn、 P、 S是鋼中的有害元素, 它們形成的夾雜物能大大降低鋼材的韌性。據材料廠家稱這種材料屬于電渣鋼, 雜質含量應該非常低, 但結合金相觀察, 鋼中存在較大量的夾雜物。由于夾雜物多為球形顆粒, 且尺寸較小, 作者認為夾雜物與零件在熱處理過程中開裂關系不大。


      Cr12MoV屬于Cr12型萊氏體冷卻模具鋼, 組織中存在大量的共晶碳化物。如果這些共晶碳化物呈網狀、 團塊狀聚集, 將大大降低材料的韌性, 在熱處理過程和使用過程中往往早早開裂, 而常規熱處理又很難改變共晶碳化物的分布狀況, 所以實際使用時需要通過鍛打, 充分擊碎共晶碳化物,使之呈細小、 均勻的無定向分布。而從金相檢驗結果看, 此零件原材料共晶碳化物分布很不均勻, 呈斷續狀的網狀分布, 而碳化物聚集的地方有些碳化物的尺寸較大 (見圖 2d, 圖3b) , 應該是原材料沒有經過鍛打或鍛打不充分。


      調質是淬火+高溫回火的熱處理過程, 調質處理后得到回火索氏體, 可以使鋼的性能、 材質得到很大程度的調整, 其強度、 塑性和韌性都較好, 中碳鋼經過調質往往能獲得比較好的綜合力學性能, 可用于承受較大載荷的結構件中。但Cr12MoV含有高碳和高合金含量, 調質后使用并不能發揮這種材料優秀的耐磨性能, 且其淬火組織主要是凸透鏡狀的高碳孿晶馬氏體, 馬氏體高速生成時相互碰撞, 易產生大量顯微裂紋 [2] , 這種顯微裂紋即使高溫回火也難以愈合。若以調質作為預備熱處理, 其最終的表面高頻熱處理等同于重復淬火, 這種顯微裂紋會加倍增長。再加上兩次熱處理的應力疊加, 很容易在較大的碳化物顆粒形成的微裂紋的基礎上開裂。零件線割后幾天又產生裂紋, 說明零件的應力相當大。因此, Cr12MoV并不適合這種調質+表面淬火的熱處理方式, 對于此零件, 分析其使用狀態, 采用高淬高回就能滿足零件的使用要求了。



      6 結論


      (1) 原材料未經鍛打或鍛造比不夠, 未使共晶碳化物均勻彌散分布, 是零件開裂的主要原因。


      (2) 零件經調質后又重新加熱進行表面淬火, 重復加熱, 兩次熱處理產生的應力疊加, 也是零件開裂的重要原因。


      (3) 后面批次的零件加強了對來料的檢查, 要求原材料必須經過鍛打, 并將熱處理改為1次淬火+3次回火, 有效防止了零件的開裂。


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