馬 燕

（銀川能源學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，寧夏 銀川750105）

儀表行業(yè)自行生產(chǎn)使用的冷沖模具中，使用Cr12鋼材的占80%以上，Cr12鋼是一種應(yīng)用廣泛的冷作模具鋼，屬高碳高鉻類型的萊氏體鋼。該鋼具有較好的淬透性和良好的耐磨性以及不易變形等優(yōu)點(diǎn)。由于Cr12鋼含碳量高達(dá)2.30%，所以沖擊韌性較差、易脆裂，而且容易形成不均勻的共晶碳化物。Cr12鋼由于具有良好的耐磨性，多用于制造受沖擊負(fù)荷較小的要求高耐磨的冷沖模及沖頭、冷剪切刀（剪切硬而薄的金屬如硅鋼片）、鉆套、量規(guī)、拉絲模、壓印模、搓絲板、拉延模以及螺紋滾模等模具。

由于Cr12鋼熱處理變形微小，斷面在200-300mm,的模具淬火能完全被淬透，這種鋼不僅可用油冷，即使空冷也可淬硬，但此類鋼材在電火花線切割加工過程中，或在加工完畢，早期使用過程中，模具開裂時(shí)有發(fā)生。由圖1可知：用Cr12鋼制作電表三相表底切邊模凹模線切割用毛坯料，鉬絲走向A→B,切割B處時(shí)沿圖示線開裂。模具開裂既然發(fā)生在線切割加工過程中或完畢之后，那么開裂是不是線切割加工造成的呢？還是其他因素造成的。

圖1 三相表底切邊模凹模線切割加工開裂示意圖

1開裂原因分析

1）根據(jù)電火花切割線加工原理特性知道：①線切割表面為圖形凸起和凹坑密布并有無數(shù)微孔，凸起和凹坑之間有較大圓角過度，因此微區(qū)尖角效應(yīng)小；②模具鉬線切割表層存在殘余拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值從表及里遞減。約在變質(zhì)層與基體交界處趨于零；③線切割僅在表層約0.05㎜深度范圍內(nèi)出現(xiàn)變質(zhì)層，從開裂的工件看裂紋長度約要貫穿整塊坯料，裂紋發(fā)生的部位無規(guī)律性且和鉬絲運(yùn)動(dòng)的軌跡無關(guān)，這就說明電火花線切割加工并不是造成開裂的真正原因。

2）我們知道，各道機(jī)械加工部位都會(huì)使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，但從數(shù)量上來說，都無法和熱處理淬火所造成的殘余內(nèi)應(yīng)力相比。工件經(jīng)過淬火后各部位的殘余內(nèi)應(yīng)力是不均勻的。一般存在著表層中間區(qū)域和中心部位不同應(yīng)力場的分布狀態(tài)有著密切的關(guān)系（圖2），淬火工件形狀大小和殘余應(yīng)力變化的關(guān)系。 線切割加工和一般機(jī)械加工相比，有其獨(dú)特的加工路線，一般經(jīng)過工件的邊緣，中間區(qū)域和心部。隨著鉬絲的移動(dòng)，熱處理淬火后的殘余內(nèi)應(yīng)力不斷發(fā)生變化，破壞了工件內(nèi)部原來維持的平衡狀態(tài)，使得發(fā)生變形。如果加工路線經(jīng)過工件的最大殘余內(nèi)應(yīng)力區(qū)域，內(nèi)應(yīng)力因必須依存的一方突然消失而變成足夠大的拉應(yīng)力，使得工件開裂。

圖2 工件形狀大小和殘余應(yīng)力變化關(guān)系

3）從幾套開裂的模具中注意到其工件的厚度均超過40㎜.這是因?yàn)椋汗ぜ?jīng)熱處理淬火后，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小種類和工件的厚度有一定的關(guān)系。由圖2可知：薄的工件表面呈拉應(yīng)力狀態(tài)，心部呈壓應(yīng)力狀態(tài)。厚的工件表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，心部呈拉應(yīng)力狀態(tài)。厚工附近的殘余拉應(yīng)力較大，而粗圓棒的內(nèi)部殘余拉應(yīng)力較大，由此得知，參與拉應(yīng)力正是造成工件開裂的主要原因，由工具鋼的機(jī)械性能韌性∮k與工件厚度關(guān)系試驗(yàn)得知（圖3）當(dāng)厚度較小時(shí)，沿裂紋頂端的應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)，易產(chǎn)生塑性流動(dòng)，故斷裂韌性∮k較高，隨著厚度的增加，∮k逐漸減小，當(dāng)厚度較大時(shí)，裂紋頂端的應(yīng)力處于平面應(yīng)變狀態(tài)，塑性流動(dòng)困難，∮k降低，易產(chǎn)生解理斷裂，所以較厚工件因其本身的斷裂韌性∮k較低，而殘余拉應(yīng)力較大。所以比薄的工件開裂的可能性要大。

圖3 機(jī)械性能韌性∮k與工件厚度關(guān)系

2 實(shí)例對(duì)比說明

圖1所示加工的電表三相表底切邊模凹模毛坯是由Cr12圓鋼鍛造成長方體，同爐熱處理退火，再機(jī)械加工成圖示毛坯模塊，然后進(jìn)行熱處理淬火（圖4），處理后硬度為HRC62,但線切割加工后開裂。

圖4 表底凹模熱處理淬火工藝對(duì)比

第二次重新加工時(shí)，在熱處理淬火之前先銑去坯料中間30×30mm的型腔，所留余量只要能滿足熱處理淬火變形和線切割裝夾誤差即可，進(jìn)行熱處理淬火工藝時(shí)按照?qǐng)D4（2）所示工藝進(jìn)行，處理后硬度為HRC60.線切割加工后沒有開裂。

從兩次加工的不同工藝可以看出：第二次加工由于熱處理淬火參與內(nèi)應(yīng)力大，心部呈很大的拉應(yīng)力狀態(tài)，線切割后發(fā)生開裂。第二次加工熱處理冷卻介質(zhì)溫度稍高，參與內(nèi)應(yīng)力偏小，回火溫度亦稍高，殘余內(nèi)應(yīng)力消除較充分，再者第二次加工時(shí)，熱處理前已把毛坯加工成空心，使原來淬火工件的心部變?yōu)椤氨韺印?，從而完全改變了熱處理淬火?yīng)力的分布狀態(tài)，加工型腔減小了淬火的有效厚度，降低了殘余拉應(yīng)力的絕對(duì)值。所以第二次加工后沒有開裂，后來生產(chǎn)中，我們采用二次加工的路線和熱處理工藝均未發(fā)生裂紋。

3 防止辦法

根據(jù)實(shí)例對(duì)比分析，為了防止Cr12鋼模具的線切割開裂，可采用以下辦法：

1）對(duì)于硬度要求大于HRC60。型腔幾何形狀復(fù)雜的凸凹模，可在熱處理之前先加工成型孔，再進(jìn)行熱處理淬火，回火，線切割加工成形。

2）硬度要求在HRC58—62的模具，在保證其使用硬度的情況下，熱處理淬火后盡量提高回火溫度≧200℃.回火2-3次，每次2-4小時(shí)使殘余內(nèi)應(yīng)力盡量減少，然后再線切割加工成形。

通過調(diào)整Cr12鋼熱處理工藝,采用如圖（2）所示的熱處理新工藝。結(jié)果表明,經(jīng)該工藝處理的Cr12鋼,組織中共晶碳化物形態(tài)和分布得以明顯改善,最終熱處理后獲得了均勻的細(xì)隱晶回火馬氏體和彌散分布的細(xì)粒狀合金碳化物的顯微組織,獲得了優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,使熱處理后的冷沖模的使用壽命比常規(guī)熱處理工藝處理的使用壽命提高 1～2倍。

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