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摘要：分析了Cr12鋼冷沖模在工作過程中產生裂紋的原因，提出了優化鍛造方法、防止裂紋產生的工藝措施。
關鍵詞：冷沖模；裂紋；鍛造工藝；優化
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子片。
該模具設計硬度為58～62HRC，實際測得的硬度為60～62HRC，符合設計要求，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，崩塊繼續產生，并且在模具外緣出現裂紋，在繼續沖制過程中，裂紋迅速擴展，不到2萬次就形成了圖1所示形狀的裂紋，使模具失效而無法使用。
圖1冷沖模的裂紋
二、沖模熱處理與鍛造生產工藝
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，其工藝過程如圖2所示。
圖2 軸向鐓拔示意圖
三、裂紋產生的機理分析
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)，發現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是一個脆弱區，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生。其次裂紋一旦出現，又很容易沿著帶狀碳化物區擴展，因為該區脆性大，并且容易產生應力集中現象，所以這種帶狀碳化物區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擴展。這樣，不斷加載、裂紋不斷擴展，最后導致模具報廢。
圖3裂紋始端顯微組織(×200)
圖4裂紋中部顯微組織(×200)
圖5裂紋末端顯微組織(×200)
出現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，鍛造工序對改善帶狀組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構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(若此時產生的裂紋未發現，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，這是造成模具開裂的根本原因。
四、鍛造工藝的優化
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，內部碳化物得不到碎化，因此應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，它是獲得優質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。
圖6 多向鐓拔示意圖
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，其總的鐓拔次數應在6～8次。總鍛造比不少于15。
4.避免鍛造裂紋
鍛打時不宜過重，以免鍛造變形時產生鍛造裂紋而形成裂紋源。要勤倒角，以避免溫差和附加應力引起角裂。另外鍛造時要仔細觀察，如發現裂紋應及時鏟除，以消除裂紋源。
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