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Cr12MoV鋼模板磨削開裂原因分析

Cr12MoV鋼模板磨削開裂原因分析 

本站之前發(fā)表過:Cr12MoV鋼顯微組織  Cr12MoV鋼陶瓷模具異常開裂分析  Cr12MoV鋼模具開裂了與熱處理沒關(guān)系? 等文章;  今天們再來一起研究一下:Cr12MoV鋼模板磨削開裂原因分析 。

 Cr12MoV鋼模板在磨削加工過程中磨面出現(xiàn)了裂紋,磨削表面有明顯的褐色振紋焦斑,見圖1,經(jīng)著色探傷顯示,沿孔周圍有放射狀裂紋及細小網(wǎng)絡(luò)狀裂紋,見圖2模板的設(shè)計要求如下:規(guī)格580mm*210mm*50mm,材料為Cr12MoV鋼,馬氏體級別<3級,硬度60-64HRC;加工工藝路線為:原材料→下料→機械加工→真空淬火+回火→磨削加工→線切割加工→鉗工修整;真空熱處理工藝為650℃預(yù)熱90min, 820℃預(yù)熱90min,升至1020℃開始保溫,保溫時間60min。預(yù)冷淬靜油(60-80℃),油中冷卻15分鐘出油;180℃×3h二次回火。筆者就模板的開裂原因進行了分析,并提出了相應(yīng)的改進措施。

 圖1  模板開裂實物圖

 

圖2  模板著色探傷后裂紋形貌

 

1、理化檢驗

1.1化學(xué)成份分析

沿裂紋區(qū)域取樣, 退火后鉆取樣屑,采用滴定法及碳硫分析儀進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1,元素含量均符合GB/T1299-2008《合金工具鋼》對Cr12MoV鋼成分的技術(shù)要求。

1   Cr12MoV鋼模板化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))        %


化 學(xué) 成 份

元素

C

Cr

Mo

V

Si

Mn

S

P

實測值

1.65

12.05

0.41

0.22

0.18

0.31

0.008

0.015

標準值

1.45-1.70

11.00-12.50

0.40-0.60

0.15-0.30

0.40

0.40

0.030

0.030

   

1.2金相檢驗

沿裂紋區(qū)域取樣磨拋成金相試樣,用化學(xué)侵蝕法顯示其組織。按GB/T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》評定非金屬夾雜物,結(jié)果見表2。

表2、模板非金屬夾雜物級別

類型

A類夾雜物

B類夾雜物

C類夾雜物

D類夾雜物

級別(級)

1.5

0.5

0.5

0

 

共晶碳化物呈網(wǎng)狀分布,按照GB/T14979-94《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》標準第四級別圖評定共晶碳化物不均勻度級別5級,見圖3。

 

  圖3  共晶碳化物分布形貌100X

   

將磨削面輕拋后用4%硝酸酒精溶液浸蝕,磨削面呈現(xiàn)出黑白相間的條帶,白色條帶為二次淬硬區(qū)域,黑色為高溫?zé)齻鼗饏^(qū)域,見圖4。 

圖4  模板磨削面二次淬硬層及高溫?zé)齻麑有蚊?0X

 

與磨面垂直的試樣表面有清晰的白亮層,為二次淬火馬氏體,淬硬層深度0. 05 mm; 次表層顏色較深,為高溫回火組織,即回火托氏體,燒傷層總深度021 mm,見圖5。這是磨削加工所產(chǎn)生的熱量使表層溫度升高到相變點AC1以上奧氏體化,隨后由于磨削液及工件自身的冷卻,產(chǎn)生了二次淬火馬氏體,難以腐蝕呈白亮色。由表及里溫度逐漸降低,次表層溫度接近AC1時,被高溫回火,因析出了大量碳化物而易腐蝕。裂紋與表面垂直,且深淺不一,較深處為0.35mm,裂紋內(nèi)無氧化物,兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象,見圖5,說明該裂紋為磨削裂紋。裂紋穿透磨削燒傷層,說明工件內(nèi)應(yīng)力較大,組織回火不足。 

     5  二次淬火層、回火燒傷層及表面裂紋形貌  100X

基體顯微組織為馬氏體+殘留奧氏體+共晶碳化物+顆粒狀碳化物,按JB/T 7713-2007 高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》標準評定,馬氏體為2級,見圖6。 

                    6  基體顯微組織形貌  400X

1.3硬度測試

    HR-150A洛氏硬度計檢測,硬度為61.5HRC;61.0HRC;61.5HRC符合設(shè)計要求。

    二次淬火層及高溫?zé)齻麑拥挠捕扔?/span>HXD-1000TMC顯微硬度計檢測HV0.1,按照GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》標準換算成HRC,測試結(jié)果見表3。二次淬火層、高溫?zé)齻麑佑捕染环显O(shè)計要求。

            3  二次淬火層及高溫?zé)齻麑拥挠捕?/span>


二次火硬層硬度值

 高溫?zé)齻麑佑捕戎?/span>

HV0.1

745,756,760

653,647,667

相當(dāng)于HRC

62.0,62.5,62.5

58.0,57.5,58.5

 2.分析與討論

磨削是利用砂輪的切刃和模板接觸進行磨擦切削,磨削所消耗的功幾乎80%變成了熱量,使模板表面的溫度驟然間升高,可達800℃以上產(chǎn)生馬氏體相變,且磨削熱向工件內(nèi)傳播,沿截面急劇改變零件的溫度,它可產(chǎn)生兩方面的變化:⑴模板表面被繼續(xù)回火,導(dǎo)致硬度下降,比容驟減;當(dāng)磨削激烈時會產(chǎn)生二次淬火現(xiàn)象,并將其次層回火,見圖6。淺表層金屬因比容減小而導(dǎo)致體積收縮,因受到內(nèi)層金屬的阻礙,而引起(兩向)拉應(yīng)力,它是磨削拉應(yīng)力主要組成部分之一;⑵被磨削熱加熱而使體積膨脹了的淺表層金屬,在隨后的冷卻(冷卻液作用下)期間,由于體積迅速收縮受到內(nèi)層金屬的阻礙,也在淺表面內(nèi)產(chǎn)生了拉應(yīng)力,它是磨削拉應(yīng)力的另一個構(gòu)成部分[7]

模板基體組織回火不充分,組織穩(wěn)定性差,熱處理應(yīng)力未能充分消除,且殘留奧氏體亦不能完全轉(zhuǎn)變,磨削時受磨削集熱的影響,將生成新生馬氏體,使材質(zhì)的脆性增加;模板共晶碳化物呈封閉網(wǎng)絡(luò)狀、堆積狀、銳利尖角狀分布,增加了切口效應(yīng);當(dāng)磨削過烈時,工件表層被二次淬火,表層金屬比容增大導(dǎo)致體積膨脹,共晶碳化物尖角及聚集處成為應(yīng)力集中源; 模板在磨削過程中,磨削力、摩擦力大或者砂輪過鈍等因素,形成了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),包括原有的殘余應(yīng)力(如回火不充分、組織均勻性差而產(chǎn)生附加內(nèi)應(yīng)力),磨削熱引起的熱應(yīng)力、高速磨削時的機械(滾壓)應(yīng)力及磨削過程中發(fā)生的相變(表層溫度過高引起馬氏體相變)所引起的組織應(yīng)力等,當(dāng)總應(yīng)力超過工件本身的強度極限時,二次淬火層的共晶碳化物尖角處將率先啟裂,產(chǎn)生磨削裂紋。

 

3.結(jié)論與措施

1)由于模板回火不充分,碳化物均勻性較差,磨削時進給量大,冷卻不充分或砂輪過鈍等因素,使得模板磨削加工時產(chǎn)生了磨削裂紋。    

(2)原材料應(yīng)充分改鍛,加大鍛造比,可降低共晶碳化物不均度級別;適當(dāng)延長回火時間,充分消除淬火應(yīng)力;磨削加工時嚴格控制進磨量,充分冷卻,及時修整砂輪,可有效防止磨削開裂。

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