Cr12型模具钢制造冷冲模具零件的工艺质量控制

优胜编程龚老师

Cr12型模具钢制造冷冲模具零件的工艺质量控制：

Cr12型冷作模具钢具有高的淬透性和韧度，淬火变形很小的特点，经热处理后具有高的硬度、强度、耐磨性。广泛用于制造截面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的各类冷作模具零件。但是，由于Cr12型冷作模具钢含碳量高，导热性差，对锻造加工工艺与热处理工艺要求较高，对机械加工也有一定要求，如工艺处理不当，很难保证模具零件质量，造成模具的过早失效。本文拟就Cr12型冷作模具钢制造冷冲模具零件工艺过程分析，探讨其工艺质量控制。

1、 原材料

原材料状态，钢厂提供的原材料应为退火状态。

钢中碳化物的不均匀分布，如带状、网状、大颗粒、大块堆集等使钢材机械性能呈现各向异性，降低了钢材的强度、塑性、韧性。在锻造过程中，Cr12型冷作模具钢碳化物不均匀程度较严重，则由于碳化物集中处碳和合金元素大量集中，钢材塑性降低，容易开裂。

Cr12型冷作模具钢碳化物均匀度应符合相应要求。

对于要求较高的冷冲模具零件坯料，必要时进行磁粉探伤，保证钢材无原始裂纹。

2、 锻造

（1）加热

Cr12型冷作模具钢锻造温度范围较小，加热时容易发生过热、过烧。

由于Cr12型冷作模具钢具有高含碳量，导热性差，加热速度过快，坯料会开裂，应严格按加热规范要求加热。

一般加热规范，最稳妥的加热是分段加热，即将坯料低温装炉，缓慢加热，再快速升温、保温，坯料均匀热透后出炉锻造。单件生产时，可采用炉门预热的方法，表面温度升到一定温度时，再装入高温炉膛加热至始锻温度。

（2）锻造

锻造时,要严格控制始锻和终锻温度。

对于Cr12型冷作模具钢应根据原材料状态和对锻件的要求，通过镦拔锻造，确定合理的镦拔次数，以达到规定的碳化物均匀度级别，同时根据模具的受力情况考虑锻件内部的纤维方向，锻造时尽量减少碳化物分布的方向性。Cr12型冷作模具钢经常使用的变形方法除了轴向反复镦拔及径向十字镦拔外，有时还采用三向镦拔。其中三向镦拔锻造综合了轴向镦拔及径向镦拔的优点，能更大程度地打碎钢中碳化物和消除其方向性。

锻造时，锻造比2～3为宜。拔长进给量每次不少于原始毛坯直径或边长的2／3，下压量应均匀一致、决不能在坯料表面造成任何硬性压痕，翻转也应勤快均匀，要坚决避免坯料的同一部位受到反复锤击，以防锤击变形能量变成很大的热能，使金属局部升温，过热、引起开裂，同时严格执行轻—重—轻锻造法（始锻温度轻击，中间温度重击，终锻温度轻击）。

锻造设备的吨位选择应合适，以便锻造时可以锻透，击碎坯料中心碳化物。

（3）冷却

终锻后应随炉冷却（炉膛温度700℃缓冷）或放入石棉灰中冷却。

严禁空冷或放置在潮湿的地面上冷却，防止内应力产生锻件裂纹。

3、 热处理

（1）预先热处理

Cr12型冷作模钢锻后应进行球化退火。目的是细化锻后模具钢内部粗大的晶粒，为后续热处理作好组织准备。

球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。因此，Cr12型冷作模具钢不可将锻后球化退火热处理工序省略，

避免淬火裂纹的产生，影响模具零件质量和使用寿命。

当锻件的碳化物偏析比较严重，常规球化退火工艺效果不理想时，可采用锻后调质处理，即锻后稍作停留或在精加工前增加一道调质工序。调质处理后锻件能获得均匀细致的索氏体组织，不仅可保证工件最后淬火具有均匀的硬度，而且有利于淬火后减小工件的变形，增加工件的尺寸稳定性。

对于大型的Cr12型冷作模具钢冷作模具，还可采用高温固溶处理+高温回火预处理工艺(又叫双重固溶球化处理)。对锻造模块直接进行两次固溶处理，即在锻造高温固溶细化处理后，再进行一次加热固溶球化处理，可使球化过程加速，同时又可使碳化物的大小、形状及分布得到改善，为最终热处理提供了良好的组织准备。

（2）热处理

Cr12型冷作模具钢一般有三种热处理工艺：

①一次硬化处理方法，采用低温淬火低温回火，即950~1000℃加热淬火，200℃回火。

②二次硬化处理方法，采用高温淬火高温回火，即1100℃左右加热淬火， 500~520℃回火。

③中温淬火中温回火工艺，即1030℃左右加热淬火，400℃左右回火。

方法①可获高硬度及较高韧度，但抗压强度低；方法②可获较高硬度及抗压强，韧度也好；方法③可获较高硬度和抗压强度，强韧度适中。

深冷处理在提高模具钢的力学性能和延长模具寿命方面效果显著，属于简单易行的强韧度处理工艺。深冷处理可以在淬火和回火工序之间进行或在淬火回火后进行。

模具钢经真空热处理后有良好的表面状态，变形小。在真空下加热，钢的表面有脱气效果，因而具有较高的力学性能，炉内真空度越高，抗弯强度越高。真空淬火后，钢的断裂韧度有所提高，模具寿命比常规工艺普遍提高。

模具除了要求基体具有足够高的强韧性外，还要求表面具有高硬度、耐磨、耐蚀和低的摩擦系数、抗疲劳性能等。这些性能的改善，可以通过表面处理技术，如表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的化学成分、组织结构及应力状态等。模具的表面处理方法很多，新的处理技术也不断涌现，但对Cr12型冷作模具钢模具而言，应用较多的主要有渗氮(N)及多元复合渗、硬化膜沉积技术等。

4、 机械加工

Cr12型冷作模具钢普通机床加工要求与一般材料相同，需要注意磨削加工磨削速度过大，冷却条件差等因素会导致磨削表面过热，引起表面软化、硬度降低，或由于热应力而产生磨削裂纹。

模具零件先由普通机床加工出坯件，再由线切割完成模具刃口或型腔加工时，需要注意的问题是线切割中的工件变形与加工表面应力的改变。

工件经热处理淬硬后进行线切割时，由于去除大面积金属或切断，破坏了材料的内部残留应力的相对平衡状态，在应力重新分布的过程中，局部会产生高应力，从而产生较大的变形。残留应力引起的变形不但影响工件的加工尺寸，局部的高应力还可能造成材料产生裂纹甚至开裂而报废。

线切割加工后，模具表面的残留拉应力作用深度有限，只有几十个微米，不会使模具整体开裂，即线切割加工后模具表面的残留拉应力不会是引起模具开裂的主要原因。但是模具的使用寿命不仅与基体的强韧度有关，而且与模具工作表面的组织、显微裂纹和残留应力的分布有密切的关系。模具线切割表面的熔凝层富集了较多残留奥氏体，再淬火层主要为淬火马氏体，线切割变质层会使模具工作表面的强度与韧度降低。模具在使用中，表面会产生高温使淬火马氏体、残留奥氏体分解、转变，引起附加应力与变质层中存在的残留拉应力叠加，使微裂纹易于形成，并加速微裂纹的扩展。

为控制线切割加工工艺质量，主要采取如下措施：

(1)合理安排线切割工序次序，因线切割加工可能使模具零件经淬火后产生应力集中，造成模具零件开裂或变形时，应将线切割加工安排在淬火后进行。

(2)预开工艺腔。对于硬度要求较高、型腔几何形状复杂的凸、凹模，可在工件热处理淬火前先机加工成型孔，适当留下加工余量，预留穿丝工艺孔。淬火前预先开工艺腔可以改善淬火时的表里温差，有利于冷却，使切割部位有足够的硬度，淬硬层加深，改变内应力分布，有效防止线切割时开裂。根据模具形状，尽量将工艺孔加大，也有利于内应力的释放。

(3)改进设计结构，避免凹角。将凹角改为圆弧过渡，会消除热处理时应力集中的现象，消除了淬火隐性裂纹，防止线切割时裂纹的产生。

(4)合理选用线切割加工工艺参数。在满足一定生产效率的前提下，尽可能采用低电流、低切割速度、小脉宽和低线速，可以有效减小线切割时的应力，防止裂纹的产生。

(5)补充回火。在线切割后立即进行补充回火，一方面消除线切割过程中形成的附加应力，同时也改善线切割表层的白亮组织。补充回火温度可低于模具回火温度20~40℃，回火时间一般为3~5 h，对防止线切割模具在存放或使用中开裂、保持模具日后使用中尺寸的稳定性和使用寿命都极有好处。

(6)表面处理。模具表面喷丸，可消除线切割后模具表面变质层，改善微观组织和表面应力分布，使之由拉应力转变为压应力。采用表面挤压、珩磨或抛光等工艺，也能改善微观组织、改善表面应力的分布。

5、结语

Cr12型冷作模具钢制造冷冲模具零件的工艺质量控制，涉及原材料选购、锻造、热处理、机械加工等方方面面，上述工艺过程一般都不在一个厂家完成，作为模具设计、制造者很难在工艺加工过程中亲临现场监督、控制工艺质量，这就要求在材料采购、委外加工时，重点考察生产厂家工艺水平、设备能力、员工情况、管理口碑等，使得模具零件在制造过程中确保各工序的工艺质量，获得高质量的模具，为模具寿命的提高奠定坚实的基础。