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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了裂紋,磨削表面有明顯的褐色振紋焦斑,見圖1,經著色探傷顯示,沿孔周圍有放射狀裂紋及細小網絡狀裂紋,見圖2模板的設計要求如下:規格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℃預熱90min, 820℃預熱90min,升至1020℃開始保溫,保溫時間60min。預冷淬靜油(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化學成份分析

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

1   Cr12MoV鋼模板化學成分(質量分數)        %


化 學 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

沿裂紋區域取樣磨拋成金相試樣,用化學侵蝕法顯示其組織。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,磨削面呈現出黑白相間的條帶,白色條帶為二次淬硬區域,黑色為高溫燒傷回火區域,見圖4。 

圖4  模板磨削面二次淬硬層及高溫燒傷層形貌40X

 

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,裂紋內無氧化物,兩側無氧化脫碳現象,見圖5,說明該裂紋為磨削裂紋。裂紋穿透磨削燒傷層,說明工件內應力較大,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符合設計要求。

    二次淬火層及高溫燒傷層的硬度用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,測試結果見表3。二次淬火層、高溫燒傷層硬度均不符合設計要求。

            3  二次淬火層及高溫燒傷層的硬度


二次火硬層硬度值

 高溫燒傷層硬度值

HV0.1

745,756,760

653,647,667

相當于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℃以上產生馬氏體相變,且磨削熱向工件內傳播,沿截面急劇改變零件的溫度,它可產生兩方面的變化:⑴模板表面被繼續回火,導致硬度下降,比容驟減;當磨削激烈時會產生二次淬火現象,并將其次層回火,見圖6。淺表層金屬因比容減小而導致體積收縮,因受到內層金屬的阻礙,而引起(兩向)拉應力,它是磨削拉應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層金屬的阻礙,也在淺表面內產生了拉應力,它是磨削拉應力的另一個構成部分[7]

模板基體組織回火不充分,組織穩定性差,熱處理應力未能充分消除,且殘留奧氏體亦不能完全轉變,磨削時受磨削集熱的影響,將生成新生馬氏體,使材質的脆性增加;模板共晶碳化物呈封閉網絡狀、堆積狀、銳利尖角狀分布,增加了切口效應;當磨削過烈時,工件表層被二次淬火,表層金屬比容增大導致體積膨脹,共晶碳化物尖角及聚集處成為應力集中源; 模板在磨削過程中,磨削力、摩擦力大或者砂輪過鈍等因素,形成了復雜的應力狀態,包括原有的殘余應力(如回火不充分、組織均勻性差而產生附加內應力),磨削熱引起的熱應力、高速磨削時的機械(滾壓)應力及磨削過程中發生的相變(表層溫度過高引起馬氏體相變)所引起的組織應力等,當總應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,產生磨削裂紋。

 

3.結論與措施

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生了磨削裂紋。    

(2)原材料應充分改鍛,加大鍛造比,可降低共晶碳化物不均度級別;適當延長回火時間,充分消除淬火應力;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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