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(xì)小網(wǎng)絡(luò)狀裂紋，見圖2。模板的設(shè)計(jì)要求如下：規(guī)格為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(jī)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(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
圖1 模板開裂實(shí)物圖
圖2 模板著色探傷后裂紋形貌
1、理化檢驗(yàn)
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(jìn)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。
表1 Cr12MoV鋼模板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %
化 學(xué) 成 份 | ||||||||
元素 | C | Cr | Mo | V | Si | Mn | S | P |
實(shí)測值 | 1.65 | 12.05 | 0.41 | 0.22 | 0.18 | 0.31 | 0.008 | 0.015 |
標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)
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(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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0．21 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(diǎn)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。
圖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(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)評定，馬氏體為2級，見圖6。
圖6 基體顯微組織形貌 400X
1.3硬度測試
用HR-150A洛氏硬度計(jì)檢測，硬度為61.5HRC；61.0HRC；61.5HRC，符合設(shè)計(jì)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(jì)檢測HV0.1，按照GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》標(biāo)準(zhǔn)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(jì)要求。
表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(jìn)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(dá)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(jī)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(qiáng)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(jìn)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(yán)格控制進(jìn)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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