冷冲模具开裂原因分析

徐琴实 陈淑平

（1、北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141 2、沈阳铸锻工业有限公司，辽宁 沈阳 110142）

Cr12钢在合金钢的种类中，属于碳含量与铬含量百分比较高的、被应用于众多领域的冷作模具钢材料。由于这种合金钢中C含量可以达到2.3%左右，所以钢材料自身韧性不高，在冲击力的作用下，非常容易因脆而裂，而且容易形成不均匀的共晶碳化物。该种钢材料也只能用于制造一些受冲击载荷较小的，要求高耐磨的冷冲模、冷镦模、下料模、冷挤压模的冲头和凹模、钻套、压印模、拉丝模、搓丝板、拉深模以及粉末冶金用冷压模等。某公司生产的Cr12钢冷冲凹模板模板，在生产过程中出现中部型腔开裂现象，导致整个模板不能正常使用，只能做报废处理。为避免此类事故的再发生，生产单位委托我们对零件进行分析。我们对开裂模具的原材料及锻造、加工工艺等进行了分析，以查明模具开裂的原因。

这种模具的生产加工较为复杂，基本工艺流程可以分为如下步骤，下料、锻造、球化退火、电火花线切割加工、淬火回火、精磨或电加工以及钳工装配。开裂模具的外形尺寸为200mm×90mm×80mm，退火后交货硬度要求为217～269HB，设计要求在淬火前于模具中心部位用电火花线切割加工出一尺寸为177mm×59mm的型腔。

1 理化实验检测分析

1.1 宏观分析

用肉眼我们就可以看到，靠近模具中心型腔的边缘部分有较为明显呈连续直线性状的开裂痕迹，裂纹的走向基本上与锻造方向垂直，通过测量可以知道裂痕大概有10毫米深，45毫米长，见图1。

图1 模具开裂的宏观形貌

1.2 化学成分分析

在开裂模具上取样用XRF-1800型X射线荧光分析仪和HCS-878A型高频红外碳硫分析仪进行化学成分分析，显而易见其中该Cr12合金钢开裂模具中Cr的含量明显大于规定范围的最高值，而C含量却接近于标准规定的最大限制。化学成分分析（%）：实 测 值 （2.29C、0.19Si、0.26Mn、0.016S、0.017P、13.77Cr）；标准成份（2.00～2.30C、≤0.40Si、≤0.40Mn、≤0.030S、≤0.030P、11.6～13.0Cr）

1.3 金相检验

在模具开裂部位制取金相试样，经4%硝酸酒精溶液侵蚀后用Zeiss Axio Observer Z1m型倒置光学显微镜进行显微组织观察。由图2可见，模具开裂部位未见明显的氧化脱碳现象，显微组织为球状珠光体+共晶碳化物+颗粒状二次碳化物。其中，球化退火后的共晶碳化物呈明显网状偏析分布，共晶碳化物不均匀度为7级，大于GB/T 14979-1994中的6级，共晶碳化物中有较多呈大块状或尖角状分布，最大尺寸达0.124mm。通常该类模具的共晶碳化物不均匀级别要求不得大于3级，碳化物最大尺寸要求不得大于0.017mm，可见开裂Cr12钢模具的碳化物不均匀度及最大尺寸都严重超标，在这种碳化物聚集区域，在外加应力或参与应力作用下，模具易沿碳化物开裂。碳化物大且不均匀说明该模具原材料存在冶金质量缺陷，同时也反映出锻造工艺不当，未能将碳化物打碎。

图2 裂纹处显微组织

1.4 断口分析

将开裂模具沿裂纹人工打开，用JCXA-733型电子探针进行断口微观形貌观察。由图3可见，断口呈现脆性断裂特征，为解理断口；同时还可以看到断口上分布着大量的长条大块状共晶碳化物，在碳化物聚集区域，有沿碳化物沿晶开裂的现象。

图3 断口表面沿碳化物开裂形貌

1.5 硬度检验

在模具开裂裂纹附近取样用PH300型数显洛氏硬度计进行洛氏硬度检验，测得的硬度分别为 28.8，27.9，24.1，26.3HRC，可见开裂模具的硬度分布不是很均匀，这与显微组织中共晶碳化物呈严重网状聚集分布有关，在碳化物聚集区域硬度较高，其余区域硬度则较低，可见硬度试验结果与金相检验结果相吻合。开裂模具的平均洛氏硬度为26.8HRC，根据GB/T 1172-1999换算为布氏硬度约264HB，符合Cr12钢球化退火后的交货硬度要求（217～269 HB），但比较接近上限硬度，这与材料中碳、铬含量较高，碳化物较多有关。

2 综合分析

通过上述检验结果发现该种模具的化学成分与GB/T 1299-2000的规定标准有一定的出入，其中该Cr12合金钢中铬的含量明显大于规定范围的最高值，而碳含量接近标准规定的最高限制值，所以材料中的共晶碳化物较多，硬度较高，使材料的可塑性较差，变形抗力较大，造成的结果就是在锻造和切削加工中的开裂敏感度上升。

对开裂裂纹的宏观形貌及断口微观形貌特征的分析表明该Cr12钢模具开裂为脆性解理开裂，且在碳化物聚集区域有沿碳化物沿晶开裂的现象，这些都说明模具开裂与材料中的共晶碳化物多而粗大且呈严重网状聚集分布有关。金相检验结果表明开裂模具的共晶碳化物不均匀度级别及碳化物最大尺寸均严重超标，这一方面与该模具原材料的冶金质量有关，化学成分中的铬、碳含量偏高；同时也说明该模具材料的锻造工艺不充分，未能将碳化物打碎。碳化物相硬而脆，是脆性相，当大块带有棱角的碳化物呈网状聚集在模具中时，就会切割基体金属的连续性，成为应力集中源，萌生微裂纹并导致模具在线切割加工过程中于加工应力和内应力的共同作用下发生脆性开裂。

另外，在球化退火阶段，如果退火不够充分，就会导致模具钢锻造内应力过大，模具硬度偏高，在切削加工的时候也可能造成模具的开裂。

结语

该模具开裂主要为脆性解理+沿晶开裂。主要原因是原材料冶金质量差，铬含量超标，碳含量接标准要求上限；同时锻造不充分，使得材料中的共晶碳化物多而粗大且呈严重网状聚集分布，成为应力集中源，在切削加工力的作用下就自然而然的产生了裂纹甚至开裂现象。

针对导致模具开裂的原因提出以下建议:严格材料入库检查，确保原材料成分及显微组织合格；锻造时，要严格控制始锻和终锻温度，合理地选择锻造比，改进锻造工艺，锻造时采用综合镦拔锻造法，是指轴向反复镦拔加十字镦拔，从而提高锻件质量，改善碳化物的均匀度级别小于三级；锻造后应及时进行球化退火，以消除锻造应力，降低硬度，使碳化物球化，从而便于切削加工，并为淬火作组织准备。

[1]田耕，康建，吴永东，刘晖.冷冲模具凹模空刀槽加工机[D].北京市电加工研究所.1996.

[2]刘仁培，赵昆，董祖珏，李翠云.冷冲模具堆焊材料及堆焊工艺[D].焊接.1999.