摘要:分析了Cr12鋼冷沖模在工作過程中產(chǎn)生裂紋的原因,提出了優(yōu)化鍛造方法、防止裂紋產(chǎn)生的工藝措施。 關(guān)鍵詞:冷沖模;裂紋;鍛造工藝;優(yōu)化
一、概述
Cr12鋼是典型的冷作模具鋼,廣泛用于冷沖模、拉拔模、螺絲滾模等。
湘潭市家用電器廠吊風扇轉(zhuǎn)子硅鋼片沖模采用Cr12鋼制成。該模具主要由凸凹模組成,安裝在600kN的沖壓機床上,將材料為D21,厚度為0.5mm的硅鋼片沖壓成吊風扇轉(zhuǎn)子片。
該模具設(shè)計硬度為58~62HRC,實際測得的硬度為60~62HRC,符合設(shè)計要求,在正常情況下,模具可沖制20萬件以上。然而該模具上機后使用不到9000次,便產(chǎn)生由沖頭帶出凹模槽孔邊崩塊,下機后將模具刃磨,再次上機,崩塊繼續(xù)產(chǎn)生,并且在模具外緣出現(xiàn)裂紋,在繼續(xù)沖制過程中,裂紋迅速擴展,不到2萬次就形成了使模具失效而無法使用。 二、沖模熱處理與鍛造生產(chǎn)工藝
1.熱處理工藝
退火時,加熱至850~870℃保溫4h后,隨爐冷至730~740℃,保溫4~5h后,隨爐冷至500℃出爐空冷。淬火加熱至980℃保溫后油淬,隨后在180℃回火3h。
2.鍛造工藝
鍛造坯料選用φ120mm的軋材,在500kg的空氣錘上進行,始鍛溫度為1050℃,終鍛溫度為820℃。
鍛造生產(chǎn)時采用軸向鐓拔法,即沿鋼料的軸向,進行不變換方向的往復鐓粗與拔長。 三、裂紋產(chǎn)生的機理分析
在裂紋的前端、中部和末端取樣進行金相顯微分析(其顯微組織分別見圖3、圖4、圖5),發(fā)現(xiàn)材料顯微組織不理想,粗細不勻的碳化物呈條帶狀分布。正是這種條帶狀分布的碳化物影響了材料的力學性能。首先條帶狀碳化物區(qū)是一個脆弱區(qū),其強度很低,塑性韌性很差,不能承受大的沖擊力,裂紋很容易從這里產(chǎn)生。其次裂紋一旦出現(xiàn),又很容易沿著帶狀碳化物區(qū)擴展,因為該區(qū)脆性大,并且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,所以這種帶狀碳化物區(qū)又是裂紋擴展的根源所在。這種裂紋的擴展是周期性的,當已產(chǎn)生的裂紋表面因滑移而變成疲勞裂紋時,裂紋的前端會變得重新尖銳,在下一次加載時又繼續(xù)擴展。這樣,不斷加載、裂紋不斷擴展,最后導致模具報廢。出現(xiàn)這種帶狀碳化物的原因是因為Cr12鋼屬萊氏體鋼,碳含量高,鋼中含有大量合金碳化物,經(jīng)軋鋼廠軋制后,碳化物即成帶狀分布,且軋制后的型材直徑越大,碳化物就越粗,帶狀分布就越嚴重。顯然在模具制造過程中,鍛造工序?qū)Ω纳茙罱M織起著決定性的作用。而熱處理的淬火是采用一次硬化法(即低溫淬火加低溫回火),在淬火加熱溫度下,大量碳化物不能溶于奧氏體,基本上保留了鍛造后的分布特征。因此,熱處理工藝無法消除帶狀組織。
分析鍛造工藝可知:一是鍛造設(shè)備噸位不夠,二是鍛造方法不合理。?φ120mm直徑的坯料,采用500kg的空氣錘難以鍛透,因為Cr12鋼中含有大量的合金元素,變形溫度高,變形抗力大,一般需選用相當于結(jié)構(gòu)鋼兩倍噸位的鍛錘來鍛造。若鍛錘噸位過小,打擊力不夠,變形只能發(fā)生在表面,中心部分的碳化物不能擊碎。鍛造方法采用軸向鐓拔法,這種鐓拔方式的主要缺點是端部開裂傾向大,在反復鐓粗時,端面與砧面接觸時間長,降溫快,在拔長時易開裂(若此時產(chǎn)生的裂紋未發(fā)現(xiàn),就有可能成為以后模具開裂的裂紋源),而心部金屬變形量小,心部組織沒有多大改善,因此,心部組織的碳化物在鍛造過程中未能重新分布,仍保留著軋制時分布的狀態(tài),這是造成模具開裂的根本原因。
四、鍛造工藝的優(yōu)化
1.選用合適的坯料直徑和鍛錘噸位
坯料直徑越大,由于軋制時變形小,碳化物偏析越嚴重,碳化物顆粒也越粗大,因此將原來φ120mm的坯料改用φ80mm,以便得到原始碳化物分布較均勻的坯料。
原選用空氣錘的噸位偏小,會使變形僅限于表面,內(nèi)部碳化物得不到碎化,因此應(yīng)適當加大空氣錘噸位,可改用750kg空氣錘,以便鍛透,從而擊碎中心碳化物。
2.采用多向鐓拔法
多向鐓拔法如圖6所示,它是獲得優(yōu)質(zhì)模具毛坯的一種較好的鍛造方式,鍛造變形均勻,易鍛透,組織能得到全面改善,可使碳化物細碎且分布均勻,徹底消除了軋制時形成的帶狀組織。 3.適當提高鍛造比
適當提高鍛造比,可使碳化物不均勻度級別降低,采用多向鐓拔法,其總的鐓拔次數(shù)應(yīng)在6~8次??傚懺毂炔簧儆?5。
4.避免鍛造裂紋
鍛打時不宜過重,以免鍛造變形時產(chǎn)生鍛造裂紋而形成裂紋源。要勤倒角,以避免溫差和附加應(yīng)力引起角裂。另外鍛造時要仔細觀察,如發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時鏟除,以消除裂紋源。
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