摘要：分析了Cr12钢冷冲模在工作过程中产生裂纹的原因，提出了优化锻造方法、防止裂纹产生的工艺措施。
关键词：冷冲模；裂纹；锻造工艺；优化

一、概述

Cr12钢是典型的冷作模具钢，广泛用于冷冲模、拉拔模、螺丝滚模等。

湘潭市家用电器厂吊风扇转子硅钢片冲模采用Cr12钢制成。该模具主要由凸凹模组成，安装在600kN的冲压机床上，将材料为D21，厚度为0.5mm的硅钢片冲压成吊风扇转子片。

该模具设计硬度为58～62HRC，实际测得的硬度为60～62HRC，符合设计要求，在正常情况下，模具可冲制20万件以上。然而该模具上机后使用不到9000次，便产生由冲头带出凹模槽孔边崩块，下机后将模具刃磨，再次上机，崩块继续产生，并且在模具外缘出现裂纹，在继续冲制过程中，裂纹迅速扩展，不到2万次就形成了图1所示形状的裂纹，使模具失效而无法使用。

图1冷冲模的裂纹

二、冲模热处理与锻造生产工艺

1.热处理工艺

退火时，加热至850～870℃保温4h后，随炉冷至730～740℃，保温4～5h后，随炉冷至500℃出炉空冷。淬火加热至980℃保温后油淬，随后在180℃回火3h。

2.锻造工艺

锻造坯料选用φ120mm的轧材，在500kg的空气锤上进行，始锻温度为1050℃，终锻温度为820℃。

锻造生产时采用轴向镦拔法，即沿钢料的轴向，进行不变换方向的往复镦粗与拔长，其工艺过程如图2所示。

图2 轴向镦拔示意图

三、裂纹产生的机理分析

在裂纹的前端、中部和末端取样进行金相显微分析(其显微组织分别见图3、图4、图5)，发现材料显微组织不理想，粗细不匀的碳化物呈条带状分布。正是这种条带状分布的碳化物影响了材料的力学性能。首先条带状碳化物区是一个脆弱区，其强度很低，塑性韧性很差，不能承受大的冲击力，裂纹很容易从这里产生。其次裂纹一旦出现，又很容易沿着带状碳化物区扩展，因为该区脆性大，并且容易产生应力集中现象，所以这种带状碳化物区又是裂纹扩展的根源所在。这种裂纹的扩展是周期性的，当已产生的裂纹表面因滑移而变成疲劳裂纹时，裂纹的前端会变得重新尖锐，在下一次加载时又继续扩展。这样，不断加载、裂纹不断扩展，最后导致模具报废。

图3裂纹始端显微组织(×200)

图4裂纹中部显微组织(×200)

图5裂纹末端显微组织(×200)

出现这种带状碳化物的原因是因为Cr12钢属莱氏体钢，碳含量高，钢中含有大量合金碳化物，经轧钢厂轧制后，碳化物即成带状分布，且轧制后的型材直径越大，碳化物就越粗，带状分布就越严重。显然在模具制造过程中，锻造工序对改善带状组织起着决定性的作用。而热处理的淬火是采用一次硬化法(即低温淬火加低温回火)，在淬火加热温度下，大量碳化物不能溶于奥氏体，基本上保留了锻造后的分布特征。因此，热处理工艺无法消除带状组织。

分析锻造工艺可知：一是锻造设备吨位不够，二是锻造方法不合理。φ120mm直径的坯料，采用500kg的空气锤难以锻透，因为Cr12钢中含有大量的合金元素，变形温度高，变形抗力大，一般需选用相当于结构钢两倍吨位的锻锤来锻造。若锻锤吨位过小，打击力不够，变形只能发生在表面，中心部分的碳化物不能击碎。锻造方法采用轴向镦拔法，这种镦拔方式的主要缺点是端部开裂倾向大，在反复镦粗时，端面与砧面接触时间长，降温快，在拔长时易开裂(若此时产生的裂纹未发现，就有可能成为以后模具开裂的裂纹源)，而心部金属变形量小，心部组织没有多大改善，因此，心部组织的碳化物在锻造过程中未能重新分布，仍保留着轧制时分布的状态，这是造成模具开裂的根本原因。

四、锻造工艺的优化

1.选用合适的坯料直径和锻锤吨位

坯料直径越大，由于轧制时变形小，碳化物偏析越严重，碳化物颗粒也越粗大，因此将原来φ120mm的坯料改用φ80mm，以便得到原始碳化物分布较均匀的坯料。

原选用空气锤的吨位偏小，会使变形仅限于表面，内部碳化物得不到碎化，因此应适当加大空气锤吨位，可改用750kg空气锤，以便锻透，从而击碎中心碳化物。

2.采用多向镦拔法

多向镦拔法如图6所示，它是获得优质模具毛坯的一种较好的锻造方式，锻造变形均匀，易锻透，组织能得到全面改善，可使碳化物细碎且分布均匀，彻底消除了轧制时形成的带状组织。

图6 多向镦拔示意图

3.适当提高锻造比

适当提高锻造比，可使碳化物不均匀度级别降低，采用多向镦拔法，其总的镦拔次数应在6～8次。总锻造比不少于15。

4.避免锻造裂纹

锻打时不宜过重，以免锻造变形时产生锻造裂纹而形成裂纹源。要勤倒角，以避免温差和附加应力引起角裂。另外锻造时要仔细观察，如发现裂纹应及时铲除，以消除裂纹源。