高速钢模具的热处理解析

 　　某纺织厂使用的500mm×1200mm、材质为W18Cr4V的冷挤压模具，生产工艺是：锻造！机加工！热处理。在挤压10＃钢工件几十件后，在凸模的细圆头端处发生断裂。模具的非正常失效严重影响生产的正常进行，为此，根据模具的技术要求，对断口进行了宏观分析，并对模具断口附近进行化学成分、硬度、金相组织等分析。

　　1理化检验1.1宏观检验该模具断裂部位距圆头处大约24mm，断口未被机油污染。在凸模中心孔部位明显裂成4块，仔细观察断口可以发现断口有较长的放射状条纹（图2中A处），裂纹起始于中心孔并向内扩展，裂纹周围未见氧化脱碳，花样较粗大，系快速扩展的脆性断裂。

　　1.2化学成分分析在失效模具上取样用光谱仪进行化学成分分析。该材料成分基本符合GB／T9943－1998要求，但杂质元素含量偏高。

　　1.3金相检验在中心孔裂纹部位取金相试样，在显微镜下观察，其显微组织为隐针马氏体热处理、焊接等领域的科研与教学工作；电话：13938483493；E－mail：ljbjohn＠163.com C Mn Si Cr W Mo V S、P实测值国标值0.71 0.7￣0.8 0.32≤0.4 0.33≤0.35 4.1 3.8￣4.4 17.9 17.5￣19 4.92 4.75￣5.75 1.1 1.0￣1.4 0.031≤0.03表1高速钢的化学成分（质量分数，％）480 830 1275 600 350 560温度／℃30 15 4 90 60二次时间／min

　　高速钢模具的热处理工艺示意图W18Cr4V高速钢冷挤压模具的宏观断口Material＆HeatTreatment材料热处理（6）晶碳化物＋二次碳化物，马氏体级别为1级。未见回火不足现象，热处理工艺正常。共晶碳化物呈带状分布，不均匀度为7级，见图3。另外，从图中可以看出显微组织的晶粒度大小不均。

　　1.4硬度试验在裂纹附近取样进行硬度试验，测得硬度值分别为60.8、62.4、60.4HRC，平均硬度值为61.2HRC，符合技术要求。

　　2结果分析上述检验结果表明，失效件的显微组织尚属正常，且裂纹周围未见氧化物脱碳现象，表明裂纹产生于热处理之后。碳化物不均匀度如此之高显然是由原材料冶金质量所致，同时也说明锻造工艺不当，未能将碳化物打碎。碳化物相硬而脆，是脆性相，当棱角状碳化物堆集在模具中时，切割基体成为应力集中源，导致该模具脆裂损坏而早期失效。

　　总的来说，棱角状碳化物是原材料中存在的异常碳化物；碳化物局部堆集，使该区合金元素富集，导致回火不均匀。上述的两个原因共同作用促使模具早期失效。

　　3结论（1）碳化物带状分布导致淬火晶粒度粗细大小不均。由于碳化物聚集处有大量未溶解碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，则晶粒细而非碳化物堆集处的未溶解碳化物数量少，不能阻碍奥氏体晶粒的长大，则此处晶粒粗大。碳化物不均匀分布导致力学性能和畸变各向异性。

　　（2）碳化物粗大及棱角状易造成碳化物剥落。因碳化物堆集处附近晶粒粗大，降低了材料的力学性能，同时该处存在较大组织应力，服役时在外力作用下，造成碳化物剥落，导致工模具早期失效。

　　裂纹处显微组织×400残留应力退火一般机械制品于加工面总是免不了会有残留应力的存在，若制品未经适当应力退火处理，在不当的暴露于热源（例如阳光、热引擎等）变形的现象，另外由于残余应力经常高度集中在某一局部区域，例如表面、焊接区等，因此会局部降低制品的机械强度。为避免这些问题，我们必须采用残余应力退火处理。

　　此处理是将制品缓慢而均匀地加热至一低于相变点的温度，然后在此温度保温一段时间，再缓慢而均匀的逐步冷却下来，在此过程中重要的是必须保持制品各区域的冷却速度相同，否则冷却后，由于各区冷却速率的差异，会再度造成残余应力的出现。此点对复杂形状之制品尤其严重。

　　由于残留应力退火是利用原子在高温有微小潜变的现象，来重组原子位置以消除应力的存在。

　　因此材料的退火温度随材料之高温潜变能力不同而有所变化。一般对耐潜变之材料（例如低合金钢），所用的退火温度为595￣675℃，但高铬合金钢则在900￣1065℃。我们可视情况需要，利用较低的温度与较长的时间，达到与短时间、高温度下处理的相同效果。

来源：中国模具网

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