Cr12MoV模具开裂失效原因分析

Cr12MoV钢属于高碳高铬型冷作模具钢，经热处理后具有较高的强度、硬度和耐磨性以及足够的韧性。采用二次硬化法热处理后具有回火硬化效果，是热硬性和耐磨性较好的冷作模具钢。由于材料中添加Mo、V等合金元素，因而具有耐磨、不变形、耐冲击等特性。与Cr12相比，Mo、V的加入，细化了奥氏体晶粒，改善了韧性，更加提高了钢的淬透性和在高温下的抗拉强度，降低了钢对回火脆性的敏感性，热处理模具具有尺寸稳定性好、淬透性好的特点。

Cr12MoV钢的退火规范：加热温度为850~870℃，在此温度停留保温，保温时间取决于工件的透烧时间，等温温度为720~750℃，随炉冷却到500℃出炉。淬火前先经650~680℃加热，保温1~1.5h在静止空气中冷却，以消除机加工应力。如采用一次硬化法，钢的热加工规范温度可采950~1050℃，淬火加热前经500~650℃和800~850℃两次预热，加热后在空气中进行适当预热。用热油（120~150℃）淬火，待冷至180~200℃时即出油空冷，随后立即进行回火。如模具零件的厚度≥150mm，在油中淬硬更佳。回火温度150~180℃，在静止空气中冷却，回火2次，硬度≥60HRC。本文对模具失效件的化学成分、表面硬度及金相组织进行分析，进一步推断该模具在热处理后的精加工过程中，显微组织中出现沿晶裂纹的原因和形成机理。

1. 材料化学成分及性能特性

从该模具失效件上截取样块，采用ARL3460火花放电直读光谱仪进行化学成分检测。依据GB/T1299—2014《工模具钢》规定，对Cr12MoV钢的牌号及化学成分进行判定，模具的化学成分（见表1）符合标准规定的要求。

Cr12MoV钢具有以下性能特点：

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（1）耐磨性非常高 这主要是有大量高硬度的铬和碳化物（Cr7C3）存在的缘故。

表1 模具失效件的化学成分（质量分数） （%）

项目 C Si Mn Cr Mo V标准值 1.45~1.70 ≤0.40 ≤0.40 11.00~12.50 0.40~0.60 0.15~0.30实测值 1.60 0.36 0.35 12.13 0.52 0.28判定 合格 合格 合格 合格 合格 合格

（2）淬透性很高 由于高铬含量的原因，使这类钢可以空冷硬化，Cr12MoV钢截面尺寸在300~400 mm油冷完全可以淬透。

卡帕系数(Kappa)是一种计算分类精度的方法[19].kappa计算结果为-1～1，但通常kappa是落在 0～1 间，可分为5组来表示不同级别的一致性：0.0～0.20极低的一致性(slight)、0.21～0.40一般的一致性(fair)、0.41～0.60 中等的一致性(moderate)、0.61～0.80 高度的一致性(substantial)和0.81～1几乎完全一致(almost perfect).

（3）变形量微小 由于高硬度的碳化物热膨胀系数小，且淬火后有相当数量的残留奥氏体存在，因此淬火后变形最为微小，故有“微变形钢”之称。

（4）碳化物偏析严重 特别对于大截面坯料，碳化物偏析更为明显，因此钢材必须经过反复的锻造来消除和改善碳化物的不均匀性。

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（5）合金元素含量高，导热性差 在制定加热和冷却工艺时必须严格注意。

2. Cr12MoV钢模具的热处理工艺

来样为Cr12MoV钢模具，规格为280mm×160mm×50mm（长×宽×厚），该模具的制造工艺流程为：Cr12MoV钢锻件→粗加工成形→热处理[550℃×80min→850℃×80min→940℃×40min→980℃×60min→120℃左右冷却13min（产品用红外线测温仪检测为180~200℃）]→立即回火，280℃×2.5h→空气冷透到室温→硬度检测→280℃×2.5h回火两次。热处理工艺曲线如图1所示，回火后的硬度为57HRC。

3. 硬度分析

硬度试验采用 HR-150A型洛氏硬度计，对从模具上截取的试样进行表面硬度检测。检测结果如表2所示，符合技术要求。

4. 宏观分析

模具是经热处理后在精加工时出现裂纹，但模具的尖角及螺纹孔等应力较大的部位未发现裂纹，按此分析：如果热处理时存在问题，优先开裂的部位应在模具的尖角及螺纹孔等应力较大部位，所以初步确定材料组织存在问题，需进行进一步微观分析。

5. 金相分析和检验

取数块断口剖面试样，经磨抛并化学试剂（体积分数为4%的硝酸酒精溶液）浸蚀后在显微镜下观察发现，试样中共晶碳化物呈网状分布，按GB/T14979—1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》标准第四套标准评级图评定，试样中的共晶碳化物不均匀度评为5级（见图2）。

图1 Cr12MoV钢的热处理工艺曲线

表2 失效件样品表面硬度检测结果 （HRC）

检测点 1 2 3 4 5实测值 57 57 57.5 56.5 57技术要求 57±1（客户要求）判定 合格 合格 合格 合格 合格

同时，结合国家标准GB/T1299—2014《工模具钢》第6.6.3.1条规定进行判定：当钢材直径或边长≤50mm时，共晶碳化物不均匀度合格级别不大于4级，该模具厚度50mm，试样中共晶碳化物不均匀度5级属于超标，不合格。

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试样基体组织为细针状回火马氏体+共晶碳化物+少量残留奥氏体，如图3所示。断口剖面上方离断口剖面约0.45mm处存在一条长约1.85mm的裂纹，裂纹呈皱折状，其内充有氧化皮，周围有严重的碳化物偏析。裂纹沿着碳化物偏析带扩展，如图4a~e所示，图4f、图4g是偏析带裂纹进一步扩展的组织照片。

刚刚走到走廊，两个人就发现了楼兰的母亲。老人站在不远处跟一位医生解释着什么，表情卑微，拘慬不安。他们声音很小，可是语速很快，间或着各种各样眼花缭乱的手势。罗衫刚想过去看看，却见老人突然给医生跪下。她的动作快得令人不敢置信。她的眼泪在跪下的瞬间喷射而出。医生慌了手脚，试图扶她起来，她却赖在地上，砰砰砰地给医生磕起了响头。走廊里三三两两地走动着病人和护士，稀奇古怪的目光之下，老人苍白的头顶在逼仄的走廊里起伏不止——她像一条溺水的狗。

6. 模具开裂原因分析及热处理注意事项

图2 试样中的共晶碳化物分布（100×）

图3 试样中基体组织分布（500 ×）

图4 试样中裂纹及组织

模具的表面硬度和化学成分符合技术要求。模具在轧制和锻打过程中，如果锻造工艺选用不当或锻打不充分，即未经反复的锻造将碳化物打散、打碎，就会使碳化物粗大，呈网状和树枝状分布。网状碳化物的原始状态仍会保持在基体组织中，破坏整个基体的完整性，无形中把整个基体分割成许多小部分，使得组织的均匀性有了很大的差异（在网状及其边缘，碳和合金元素大量富集，而离网状稍远处，碳和合金元素贫乏），这样在热处理或机加工时，基体组织与网状碳化物之间产生巨大的应力差，从而使两者之间分离开来，随着组织应力进一步释放，进而向四周扩展，当应力不断加大到一定程度时，就容易导致整个模具开裂。

另外，模具材料在淬火时要控制入炉温度，多段预热，并在淬火后及时进行回火等，以减少和消除材料的组织应力，防止模具材料的变形和开裂。

7. 分析结论

从上述检验及分析可以看出，试样中共晶碳化物呈网状分布、共晶碳化物不均匀度5级属于超标，不合格；材料中碳化物偏析严重，局部区域碳化物堆积，其导热性和变形率与周围基体有很大差异，并且容易引起该部位组织过热，故在锻打时形成锻造裂纹，在其后的热处理过程中该裂纹进一步延伸扩展，最终导致该模具在热处理后的精（机）加工过程中产生开裂。

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