基體強韌化熱處理提高精密沖壓模具使用壽命的研究＊

鄒春雷，于 航，谷金波，遲宏宵，周 健，任慧遠

（1.大連思泰博模具技術有限公司，遼寧大連 116600；2.鋼鐵研究總院有限公司特殊鋼研究院，北京 100081）

1 引言

隨著制造業和模具工業的快速發展，用戶對模具使用壽命的要求日益提升。模具壽命的長短，直接影響著用戶生產成本和整體生產效率，因此如何提高模具的使用壽命越來越得到關注。本文旨在不提高用戶材料成本的前提下，通過改變熱處理工藝提升模具的使用壽命。Cr12Mo1V1 鋼是一種高碳高合金冷作模具鋼，具有高強度、高耐磨性、高淬透性等特點，被廣泛用于精密沖壓模具。近年來，通過改善材料基體的強韌性進而提高使用零部件壽命得到廣泛應用。如在高碳軸承鋼種通過“雙細化”熱處理工藝，可大幅改善軸承鋼材料基體的強韌性[1～3]，實現軸承鋼的接觸疲勞壽命和軸承使用壽命大幅提升[4～5]。本文利用該技術，研究該技術在同樣高碳模具鋼中的應用效果，為該工藝在相關領域的應用提供一定參考。

2 試樣制備與試驗方法

模具用材料為正常工業生產的Cr12Mo1V1 扁鋼。以某型號汽車電磁護板精密沖壓模具為對象（見圖1），開展基體強韌化熱處理技術在精密沖壓模具的應用研究，研究該工藝對模具使用壽命的影響。傳統的熱處理工藝模具編號為DC-1#。選用相同批次的Cr12Mo1V1 材料，進行基體強韌化工藝熱處理，模具編號為DC-2#。在相同的沖床上將兩副模具投入使用，監測對比兩種模具的最終使用壽命情況。同時隨爐熱處理沖擊韌性、抗彎強度毛坯料進行力學性能測試。傳統的熱處理工藝為1,030℃淬火+480℃×2h+490℃×2h+400℃×2h共3次回火（DC-1#）?；w強韌化熱處理工藝為1,050℃油冷+1,030℃淬火+480℃×2h+490℃×2h+400℃×2h 共3 次回火（DC-2#）。采用JBN-30B 型擺錘試驗機測量試樣的無缺口沖擊功。按照GB/T 232-2010標準，采用WE-50型電子萬能試驗機測量試樣的抗彎強度。

3 試驗結果及分析

3.1 基體強韌化熱處理工藝對硬度的影響

圖2 所示為采用基體強韌化熱處理工藝和傳統熱處理工藝的熱處理硬度對比，從圖2 可以看出，基體強韌化熱處理過程中，第一次1,050℃淬火后硬度為63HRC，經過第二次1,030℃淬火后硬度增加到65HRC，與傳統1,030℃淬火后的硬度相當。經過回火后，基體強韌化熱處理試樣硬度比傳統熱處理硬度略降低了0.6～0.8HRC，幾乎相當，滿足該模具硬度≥58HRC 的技術要求。DC-2#熱處理工藝首先采用1,050℃奧氏體化，在此過程中鋼中碳化物將發生溶解，表現為碳化物顆粒尺寸的總體減小和碳化物含量的減少；合金元素由碳化物逐步溶入鋼的奧氏體基體中[6～7]，同時使奧氏體產生均勻化。以上現象隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長效果更顯著，但是奧氏體化溫度和時間又不能過高，否則將發生奧氏體晶粒異常粗大。DC-2#熱處理工藝首先采用相對較高的1,050℃奧氏體化能夠有效改善碳化物和奧氏體的狀態。隨后再次進行1,030℃淬火后以及高溫回火后，和傳統一次淬火的硬度幾乎變化不大。

3.2 基體強韌化熱處理工藝對力學性能的影響

圖3所示為采用基體強韌化熱處理工藝和傳統熱處理工藝的沖擊韌性和抗彎強度對比，從圖3可以看出，經基體強韌化熱處理后的試驗鋼無缺口沖擊功達到27.9J，相對于傳統熱處理沖擊功22.8J，提升了約22%。同時，抗彎強度的變化趨勢與沖擊韌性基本一致，經基體強韌化熱處理后的試驗鋼的抗彎強度同時提升。一般來講，沖擊韌性及抗彎性能與組織的均勻性提升有很大關系。碳化物在基體內的堆集，易產生碳化物剝落，高應力下，這些區域裂紋的形成和擴展傾向大大增加[8]。顯然，雙淬火熱處理工藝下，高的一次淬火溫度和二次淬火促進了碳化物的溶解，從而使未溶碳化物數量變少，粒度趨于一致，形態趨于球粒狀，改善了Cr12Mo1V1 模具鋼共晶碳化物不均勻度，導致高應力下裂紋的形成和擴展的傾向性大大降低，是提高沖擊韌性和抗彎強度的重要原因。綜上，通過采用基體強韌化熱處理工藝，可實現Cr12Mo1V1模具鋼在硬度幾乎無變化的前提下，實現沖擊韌性和抗彎強度同時提升。

3.3 基體強韌化熱處理工藝對模具使用壽命的影響

兩副模具制造完成后，在同一臺沖床上進行生產，沖床型號為200t 的低速沖床，沖床的生產節拍為35 沖次/min。首先，安排DC-1#模具上機生產，在2個月后，模具生產了400萬模次后報廢。模具的主要失效形式為凹模過度磨損失效。后續，安排DC-2#模具上機生產，在3 個月后，模具生產了520 萬模次后，因凹模尺寸變形超差報廢?？梢钥闯?，通過采用新型基體強韌化熱處理工藝，通過改善模具力學性能，能夠有效提高模具的使用壽命，使用壽命提高約30%。

4 結論

（1）對Cr12Mo1V1冷作模具鋼采用雙淬火基體強韌化熱處理工藝，可實現Cr12Mo1V1模具鋼在熱處理硬度基本保持不變的情況下，沖擊韌性提升約22%，抗彎強度提升約12%。

（2）采用基體強韌化熱處理的汽車電磁護板精密沖壓模具，能夠有效提高模具的使用壽命約30%，模具的抗磨損和崩韌性能明顯改善。