基體強(qiáng)韌化熱處理提高精密沖壓模具使用壽命的研究＊

鄒春雷，于 航，谷金波，遲宏宵，周 健，任慧遠(yuǎn)

（1.大連思泰博模具技術(shù)有限公司，遼寧大連 116600；2.鋼鐵研究總院有限公司特殊鋼研究院，北京 100081）

1 引言

隨著制造業(yè)和模具工業(yè)的快速發(fā)展，用戶對模具使用壽命的要求日益提升。模具壽命的長短，直接影響著用戶生產(chǎn)成本和整體生產(chǎn)效率，因此如何提高模具的使用壽命越來越得到關(guān)注。本文旨在不提高用戶材料成本的前提下，通過改變熱處理工藝提升模具的使用壽命。Cr12Mo1V1 鋼是一種高碳高合金冷作模具鋼，具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高淬透性等特點(diǎn)，被廣泛用于精密沖壓模具。近年來，通過改善材料基體的強(qiáng)韌性進(jìn)而提高使用零部件壽命得到廣泛應(yīng)用。如在高碳軸承鋼種通過“雙細(xì)化”熱處理工藝，可大幅改善軸承鋼材料基體的強(qiáng)韌性[1～3]，實(shí)現(xiàn)軸承鋼的接觸疲勞壽命和軸承使用壽命大幅提升[4～5]。本文利用該技術(shù)，研究該技術(shù)在同樣高碳模具鋼中的應(yīng)用效果，為該工藝在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定參考。

2 試樣制備與試驗(yàn)方法

模具用材料為正常工業(yè)生產(chǎn)的Cr12Mo1V1 扁鋼。以某型號汽車電磁護(hù)板精密沖壓模具為對象（見圖1），開展基體強(qiáng)韌化熱處理技術(shù)在精密沖壓模具的應(yīng)用研究，研究該工藝對模具使用壽命的影響。傳統(tǒng)的熱處理工藝模具編號為DC-1#。選用相同批次的Cr12Mo1V1 材料，進(jìn)行基體強(qiáng)韌化工藝熱處理，模具編號為DC-2#。在相同的沖床上將兩副模具投入使用，監(jiān)測對比兩種模具的最終使用壽命情況。同時隨爐熱處理沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度毛坯料進(jìn)行力學(xué)性能測試。傳統(tǒng)的熱處理工藝為1,030℃淬火+480℃×2h+490℃×2h+400℃×2h共3次回火（DC-1#）。基體強(qiáng)韌化熱處理工藝為1,050℃油冷+1,030℃淬火+480℃×2h+490℃×2h+400℃×2h 共3 次回火（DC-2#）。采用JBN-30B 型擺錘試驗(yàn)機(jī)測量試樣的無缺口沖擊功。按照GB/T 232-2010標(biāo)準(zhǔn)，采用WE-50型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測量試樣的抗彎強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 基體強(qiáng)韌化熱處理工藝對硬度的影響

圖2 所示為采用基體強(qiáng)韌化熱處理工藝和傳統(tǒng)熱處理工藝的熱處理硬度對比，從圖2 可以看出，基體強(qiáng)韌化熱處理過程中，第一次1,050℃淬火后硬度為63HRC，經(jīng)過第二次1,030℃淬火后硬度增加到65HRC，與傳統(tǒng)1,030℃淬火后的硬度相當(dāng)。經(jīng)過回火后，基體強(qiáng)韌化熱處理試樣硬度比傳統(tǒng)熱處理硬度略降低了0.6～0.8HRC，幾乎相當(dāng)，滿足該模具硬度≥58HRC 的技術(shù)要求。DC-2#熱處理工藝首先采用1,050℃奧氏體化，在此過程中鋼中碳化物將發(fā)生溶解，表現(xiàn)為碳化物顆粒尺寸的總體減小和碳化物含量的減少；合金元素由碳化物逐步溶入鋼的奧氏體基體中[6～7]，同時使奧氏體產(chǎn)生均勻化。以上現(xiàn)象隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長效果更顯著，但是奧氏體化溫度和時間又不能過高，否則將發(fā)生奧氏體晶粒異常粗大。DC-2#熱處理工藝首先采用相對較高的1,050℃奧氏體化能夠有效改善碳化物和奧氏體的狀態(tài)。隨后再次進(jìn)行1,030℃淬火后以及高溫回火后，和傳統(tǒng)一次淬火的硬度幾乎變化不大。

3.2 基體強(qiáng)韌化熱處理工藝對力學(xué)性能的影響

圖3所示為采用基體強(qiáng)韌化熱處理工藝和傳統(tǒng)熱處理工藝的沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度對比，從圖3可以看出，經(jīng)基體強(qiáng)韌化熱處理后的試驗(yàn)鋼無缺口沖擊功達(dá)到27.9J，相對于傳統(tǒng)熱處理沖擊功22.8J，提升了約22%。同時，抗彎強(qiáng)度的變化趨勢與沖擊韌性基本一致，經(jīng)基體強(qiáng)韌化熱處理后的試驗(yàn)鋼的抗彎強(qiáng)度同時提升。一般來講，沖擊韌性及抗彎性能與組織的均勻性提升有很大關(guān)系。碳化物在基體內(nèi)的堆集，易產(chǎn)生碳化物剝落，高應(yīng)力下，這些區(qū)域裂紋的形成和擴(kuò)展傾向大大增加[8]。顯然，雙淬火熱處理工藝下，高的一次淬火溫度和二次淬火促進(jìn)了碳化物的溶解，從而使未溶碳化物數(shù)量變少，粒度趨于一致，形態(tài)趨于球粒狀，改善了Cr12Mo1V1 模具鋼共晶碳化物不均勻度，導(dǎo)致高應(yīng)力下裂紋的形成和擴(kuò)展的傾向性大大降低，是提高沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度的重要原因。綜上，通過采用基體強(qiáng)韌化熱處理工藝，可實(shí)現(xiàn)Cr12Mo1V1模具鋼在硬度幾乎無變化的前提下，實(shí)現(xiàn)沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度同時提升。

3.3 基體強(qiáng)韌化熱處理工藝對模具使用壽命的影響

兩副模具制造完成后，在同一臺沖床上進(jìn)行生產(chǎn)，沖床型號為200t 的低速沖床，沖床的生產(chǎn)節(jié)拍為35 沖次/min。首先，安排DC-1#模具上機(jī)生產(chǎn)，在2個月后，模具生產(chǎn)了400萬模次后報廢。模具的主要失效形式為凹模過度磨損失效。后續(xù)，安排DC-2#模具上機(jī)生產(chǎn)，在3 個月后，模具生產(chǎn)了520 萬模次后，因凹模尺寸變形超差報廢?？梢钥闯?，通過采用新型基體強(qiáng)韌化熱處理工藝，通過改善模具力學(xué)性能，能夠有效提高模具的使用壽命，使用壽命提高約30%。

4 結(jié)論

（1）對Cr12Mo1V1冷作模具鋼采用雙淬火基體強(qiáng)韌化熱處理工藝，可實(shí)現(xiàn)Cr12Mo1V1模具鋼在熱處理硬度基本保持不變的情況下，沖擊韌性提升約22%，抗彎強(qiáng)度提升約12%。

（2）采用基體強(qiáng)韌化熱處理的汽車電磁護(hù)板精密沖壓模具，能夠有效提高模具的使用壽命約30%，模具的抗磨損和崩韌性能明顯改善。