表面处理对提高模具钢Cr2使用寿命的影响

电机用硅钢片冷冲压冲裁凸模为保持刃口锋利,要求凸模必须具有高的硬度和耐磨性,技术要求HRC60～64。原使用材料为Cr12。该材料制作的凸模在使用过程中常出现批裂和折段，为此对Cr12钢凸模进行了失效分析，提出了用表面处理Cr12钢代替含碳2.2%的Cr12钢制作凸模。

1 Cr12钢凸模失效分析

选取劈裂和折断的20副凸模进行失效分析。其中9副为折断，11副为劈裂；宏观分析可见，20副凸模在断裂前没有明显的塑性变形，其尺寸和形状与没断裂的凸模相同，可见，属于脆性断裂。折断的断口有的与在弯曲实验机上压弯的断口相同，有少量的贝壳花样；而劈裂的断口上，都有可见的贝壳花样，属于疲劳断裂。而折断是由于工作时凸模发生偏斜出现弯矩而造成的疲劳或瞬时断裂。断裂凸模抽样化学分析，结果如下表

根据对凸模的组织和力学性能检验可知：经最终热处理后，凸模硬度很高，但碳化物颗粒粗大，分布不均匀，致使凸模的强韧性不足，冲裁工作中因凹模、凸模的不同心或操作不当使凸模在剪切时出现偏斜产生弯矩，使凸模在弯曲侧出现拉应力，反复的冲裁作用及周期性的拉应力，使凸模在最大弯矩出萌生疲劳裂纹，经亚临界扩展而达到最后断裂，由于冲头属于杆件，弯曲时的弯矩很大，裂纹扩展很快，有的可出现瞬间折断。

2 凸模钢的选用和电火花强化

2.1  Cr2钢的成分和热处理

Cr12钢含2.2%C，含12%Cr，淬硬性高，属于莱氏体钢，共晶碳化物只有通过改锻才能击碎；而改锻很困难，所以Cr12钢中的共晶碳化物偏析严重，难于实现小、匀、圆，促成脆化倾向。

根据凸模的工作条件和失效分析选取Cr2钢制作凸模，Cr2钢含C0.95%～1.10%，含Cr1.30%～1.65%，属于低合金模具钢，相当于在T10A钢中加入1.5%的铬，铬使钢的淬透性提高，其临界淬透性直径Dc（油淬）=15～25mm，硅钢片冷冲凸模的有效厚度是10mm，可见选用Cr2钢制作凸模是完全可以淬透的。用Cr2钢制作的冷冲模采用840～850C油愣淬火，低温回火后有良好的韧性。

Cr2钢制作凸模的制造工艺流程为：

下料---锻造---球化退火---粗加工---调质---精加工---最终热处理---磨削

调质处理可以得到细球状碳化物，使碳化物实现小、匀、圆，提高凸模的韧性和疲劳强度。

最终热处理工艺为840～850℃油冷淬火，180～200℃回火。按上述工艺路线和热处理方法制作了20副Cr2钢凸模，其硬度平均值为HRC59.3，凸模的抗弯强度可达3000MPa以上，具有很高的强韧性。

2.2  Cr2钢凸模刃口的电火花强化

电火花放电强化是一种用扩散法形成化合物涂层的表面硬化技术。利用电火花放电时释放的能量使电极材料向基体金属工件进行扩散迁移以实现局部金属表面融化、获得硬质薄层化合物。电火花强化可显著提高表面层的硬度。

对经过最终热处理和磨削完的20副Cr2钢凸模刃口处进行了电火花强化，强化是在D9110A型电火花强化机上进行的，所用的电极材料是YG8。

凸模刃口变钝后，可以磨削修刃，为此，沿凸模下部外侧的四周进行了电火花强化以使凸模经多次磨削后刃口仍保留有强化层。

电火花强化后，强化层平均硬度为HV1150（HRC70以上）。为了消除凸模电火花强化而产生的残余拉应力，需经200回火处理。

现场使用考证表明：20副凸模没有1副出现折断或劈裂现象。平均使用寿命比Cr12钢凸模提高12.2倍

3 结论

凸模的折断和劈裂是因为Cr12钢中碳化物颗粒粗大且偏聚致使强韧性不足引起的。改用Cr2钢，简化了锻造工艺，调质后，实现了碳化物的小、匀、圆，使凸模经淬火+低温回火后具有较高的强韧性，电火花强化极大地提高了刃口的硬度和耐磨性，避免了折断和劈裂，使凸模冲裁寿命提高了12.2倍。