精品紀念幣用GCr15模具鋼失效原因及改進措施
摘要： 貴金屬紀念幣用Gr15沖模在短期使用后表面常出現裂紋，導致模具失效，通過分析表明：基體中的組織晶粒較粗大、不均勻，且其內碳化物形態異常是導致模具失效的主要原因。經過雙細化工藝處理后，能有效地提高了÷GCr15鋼制冷沖模的壽命。
冷沖模具是生產精品紀念幣的保障，中國金幣總公司下屬的深圳國寶造幣有限公司以GCr15作為印模材料，采用常規熱處理淬火+回火工藝時, 由于韌性不足，在制造某熊貓紀念幣過程中，模具表面局部位置常出現裂紋，導致模具失效。為了消除模具缺陷，生產出合格紀念幣，需要對失效沖模壓印中出現的微裂紋產生原因進行分析，摸索雙細化處理工藝對GCr15模具鋼組織的影響，為提高其使用壽命提供依據?！? 失效模具檢測分析 1.1 GCr15原材料分析 通過化學分析法檢驗，該GCr15的化學成分(wt%)為：C：1.03%，Mn：0.30%，Si：0.25%，P：0.012%，S：0.006%，Cr：1.55%，改成分符合GCr15成分要求。圖1給出了GCr15原材料的組織形貌，由圖可見，該原材料組織晶粒較粗大且均勻性較差，其內部碳化物形態各異，呈現球狀、方形，棒狀等多種形態。另外，對GCr15原材料進行了沿直徑方向的硬度測試，圖2給出了從邊緣到心部的硬度分布圖。結果表明，GCr15原料從邊緣到心部，其硬度呈現單調下降趨勢，邊緣硬度為195HV，心部硬度為184HV，邊部硬度稍高于心部。1.2 失效模具外觀 用此材料在深圳國寶金幣公司通過常規的淬火-回火工藝制作的熊貓紀念幣模具，在使用一段時間后，模具表面位于“熊貓尾部”處常出現明顯的裂紋，導致模具失效。圖3(a)給出了用蔡司金相顯微鏡觀察到的失效模具表面的主裂紋形貌，發現該裂紋長約1000μm，沿著圖案向邊緣而擴展，主裂紋接近圖案表面處寬約40μm，裂紋尖端寬約10μm。同時發現主裂紋周邊存在許多二次裂紋，這些細裂紋并不沿著原始的裂紋擴展，而是生成新的分叉(見圖3(b)) ?！?.3 失效模具組織類型 通過對失效模具的金相顯微組織觀察，由圖4(a)和(b)可以發現該模具的組織類型為回火馬氏體組織+碳化物顆粒，同時存在少量隱針馬氏體和細針馬氏體，基本屬于正常GCr15鋼淬火加回火組織，只是晶粒較為粗大，均勻性相對較差，且碳化物分布不均，這正是模具過早失效的主要原因?！? GC15模具鋼改進措施 2.1 改進思路 本試驗的總體思路為：降低鋼種偏析程度，細化晶粒，改善碳化物形態及分布，從而提高模具鋼使用壽命。一般的雙細化處理工藝為：先將GCr15鋼在1050℃加熱固溶，之后淬入400~430℃等溫槽內，等溫轉變成下貝氏體組織，然后進行短時間等溫球化退火(即640~650℃×150min)，即可獲得超細化的球狀碳化物[1-2]。碳化物明顯細小，外形圓整，分布均勻，碳化物帶狀偏析已基本消除或減輕。經循環淬火、回火后的組織以板條馬氏體為主，約有15%的殘余奧氏體，其余為碳化物。這樣使碳化物和晶粒同時細化(即雙細化處理)的效果，提高了鋼的強韌性，防止早期脆斷[3-4]。 2.2 雙細化工藝制度 本試驗制定的雙細化工藝制度如圖5所示，首先在1050℃左右進行固溶化處理，其目的是把大量形態各異的碳化物全部溶入奧氏體中，亞穩定的共晶體碳化物也可全部或部分熔解，并使成分均勻化。固溶均勻化后，將工件毛坯淬入沸水中獲得馬氏體組織。之后將淬火后的工件在640℃進行60min的等溫球化退火，獲得粒狀組織，然后再進行機械加工和最終熱處理。這樣獲得的球粒狀組織粒度雖然稍粗，但顆粒均勻而且圓整，硬度也比較適中，易于機械加工?！ 〈慊饻囟纫话氵x擇在Ac1～Acm之間，在這個溫度范圍內能獲得較細小的奧氏體晶粒、含碳量較低的隱晶馬氏體，和均勻分布在馬氏體基體上的細小的未溶碳化物的組織。這種組織機械性能良好。如果淬火加熱溫度太高，奧氏體晶粒就會粗大，得到粗片狀馬氏體，顯微裂紋增多，增大脆性，增大淬火開裂傾向;同時由于碳化物溶解過多，淬火后鋼種殘留奧氏體量增多，鋼的硬度和耐磨性降低。如果淬火溫度太低，則可能得到非馬氏體組織[5]。本試驗將鋼以較快的加熱速度通過相變溫度范圍，在較低的奧氏體化溫度下做短時間的保溫，奧氏體新的晶核(起始晶核)將不會長的很大，在冷卻后再重復加熱，每循環一次，奧氏體的晶粒尺寸就相應的減小一些。本試驗采用了三次淬火處理，分別為860℃+40min淬油，840℃+30min淬油820℃+30min淬油，之后采用160℃+90min回火?！?.3 雙細化處理后的效果 圖6給出了經過雙細化處理的GCr15模具鋼的組織形貌，可見，經雙細化處理后，GCr15的晶粒得到了充分的細化。同時鋼中的碳化物也得以細化且彌散分布，另外，增加了位錯馬氏體的數量以及呈片狀分布在板條馬氏體間及片狀馬氏體周圍的殘余奧氏體量，從而有效地提高GCr15鋼的強韌性，達到了提高GCr15模具鋼的使用壽命的目的。3 結論 GCr15模具鋼失效的主要原因是通過常規的淬火+回火的熱處理工藝沒有將成分不均勻的原材料晶粒以及其內部的碳化物充分細化所致?！ 〗涍^雙細化工藝處理后，細化了晶粒及其內部的碳化物, 增加了位錯馬氏體的數量, 同時也增加了呈片狀分布在板條馬氏體間及片狀馬氏體周圍的殘余奧氏體量, 從而有效地提高了GCr15鋼制冷沖模的壽命?！ ?
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