轴承滚柱冷镦凹模失效分析及其预防对策
作者： 徐少红
(广东工贸职业技术学院 , 广东 广州 510510)
摘要：针对用Cr12MoV制造的轴承滚柱冷镦凹模寿命短的问题，分析了其失效的形式及原因。提出了提高凹模寿命的措施：锻造，采用预先热处理退火、调质、去应力退火工艺，改进淬火、回火工艺，增加表面处理工艺等。
关键词：轴承滚柱; 冷镦模；Cr12MoV钢；失效分析；预防对策
引言
某厂用来冷镦轴承滚柱的凹模，工作时凹模承受的压力为1600kN，冷镦成形速度为72件/min，被冷镦的坯料为GCr15，其硬度为170~207HBS。凹模普遍存在着使用寿命短的问题，如小规格凹模的寿命为3000粒，大型凹模有时只镦数十粒就报废。凹模用Cr12MoV制造，其热处理为1100℃加热油淬火，510℃回火两次，每次1.5h，回火后硬度在60HRC以上。
1 凹模的失效分析
凹模的失效形式主要有擦伤，掉块和开裂三种。
擦伤是由于坯料对凹模型腔壁的剧烈摩擦，造成不同程度伤痕。掉块即凹模表面成片剥落。
一般裂纹起源于擦伤严重处，以及由掉块而引起的尖角部位。也有的裂纹从内腔壁一直延伸到外表面，穿透整个腔壁。对裂纹断口扫描发现裂纹一侧为摩擦所造成的光滑区，右侧为木纹状条带区，木纹状区的微观形貌为准解理和韧窝的混合。
凹模表面擦伤和开裂是导致凹模失效的主要形式，凹模的硬度过高，韧性不足，又是导致开裂的主要原因。Cr12MoV钢中含有大量的一次碳化物是降低凹模寿命的根本原因。
2预防对策
提高凹模的寿命可以降低模具修理成本和待机的生产损失，对提高生产率有很大的经济效果。在实际生产中，我们可以通过增加或改进热处理生产工艺使凹模的寿命成几倍或几十倍的增长。
2．1锻造
Cr12MoV钢在热处理前采用锻造工序。锻造的目的是使碳化物细化并均匀分布，从而提高钢的韧性，降低脆性开裂。
锻造时预热温度为800~850℃，加热温度1050~1100℃，始锻温度1000~1050℃，终锻温度850~900℃。始锻时要轻打，随后（1000~950℃）可逐渐重打，锻后缓冷。
对于热轧圆钢中碳化物分布不均匀，呈带状、网状及块状分布，钢材性能各向异性者，为打碎碳化物，消除性能的各向异性，材料要采用轻一重一轻双十字锻造，反复镦拔，使锻坯中心和边缘的碳化物级别一致（≤3级）。
2.2 采用预先热处理工艺
预先热处理工艺可以细化晶粒，改善组织，提高力学性能；消除残余内应力，减少后续加工中的变形和开裂。
2.2.1退火
Cr12MoV钢锻后进行等温球化退火，工艺为：850~870℃×2~4h，炉冷至740~760℃×4~6h，炉冷至≤500℃出炉空冷，硬度为207~255HBS，金相组织为索氏体型的珠光体和均匀的碳化物。
2.2.2调质
小型模具可直接进行锻热调质。大多数模具为保证得到均匀的索氏体组织必须进行调质处理。830℃预热，1080~1100℃加热油冷；760~800℃×3~4h高温回火。批量大时可在退火炉中进行；批量小时可在中温盐浴炉中进行，保温时间按1min/mm计算。硬度为18~25HRC。
2.2.3去应力退火
粗加工后，半精加工前还需要进行一次去应力退火。630~680℃×3~4h，炉冷至≤500℃出炉空冷；亦有采用400℃×2~3h去应力处理者。
2．3 改进淬火、回火工艺
2.3.1 普通淬火、回火工艺
Cr12MoV钢模具采用1030~1050℃淬火和400℃回火新工艺，热处理后硬度为58~60HRC，具有很高的多冲断裂抗力，可使寿命提高两倍以上。
2.3.2等温淬火工艺
Cr12MoV钢在盐浴炉加热，500~600℃预热，升至800~850℃保温时间按1h左右，再升温到1020~1040℃保温102 min ，250~270℃×3h硝盐等温，空冷至室温；然后200~250℃×1h回火。与原工艺比，硬度和强度并不降低，而韧度却提高1倍以上。凹模使用寿命提高3~4倍。等温淬火工艺见图1。
图1 凹模等温淬火工艺曲线
2.4 增加表面处理工艺
2.4.1 Cr12MoV钢冷镦凹模渗硼 + 渗硫复合处理
Cr12MoV钢冷镦凹模经粉末法渗硼，渗硼成分（质量分数）：B4C3% + KBF43% + SiC93%。850℃×3h渗硼，升温至980℃，保温一定时间后，水冷淬火，可获得16~22μm的连续Fe2B层，硬度1186~1465HV0.1。200℃×2h回火。180~200℃×6~8h液体渗硫（硫96% + 二硫化钼4%），可获得10μm左右的以FeB为主的渗S层。
经上述处理的模具获得了减摩层、硬化层和过滤层的三层复合组织，可显著提高模具抗粘着磨损抗力，模具寿命比常规热处理提高10倍，比渗硼淬火处理提高寿命4~5倍。
2.4.2 Cr12MoV钢凹模渗钒处理及气体氮碳共渗处理
Cr12MoV钢凹模经渗钒处理或气体氮碳共渗处理后使用寿命均提高几倍，见表1。
表1 凹模经表面处理后的使用寿命 （Cr12MoV钢）
处 理 工 艺 使用寿命（粒） 寿命提高（倍）
淬火处理
1050℃加热260℃分级10分
520℃回火二次 1061
气体氮碳共渗
520℃×4h 4320 3~3
盐浴渗钒
920℃加热4h
1000℃油淬220℃回火二次 3842 2~8
2.5其它措施
2.5.1对因设计不良、加工不当等引起凹模寿命降低的情况，必须加以改进。如加大凹模拐角处的圆角等，以防止热处理时产生局部应力集中，导致凹模工作时凹模易开裂。
2.5.2热处理终了、成品磨加工后，进行低温时效处理。
参考文献：
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[2]李泉华.热处理技术400问解析[M].北京：机械工业出版社，2002.
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The Failure Analysis of Cold Punching Mould of Roller Bearing and Countermeasures in Prevention
XU Shao-hong
(Guangdong Vocational College of Industry & Commerce, Guangzhou, 510510, China)
Abstract: The cold punching mould of roller bearing which manufactured by Cr12MoV steel has a shorter life, the form of failure and failure reason are analyzed. Some measures that can prolong its life are proposed, such as forging, pre-annealing heat treatment, Quenched and tempered, stress relieving techniques, improving quenching, tempering process, increasing surface treatment processes and so.
Key words: Roller bearing; Cold punching mould; Cr12MoV steel; Failure analysis; Preventive Measures
作者简介：徐少红（1965—）女，江苏扬州人，广东工贸职业技术学院，高级讲师，1987年华东工学院（现南京理工大学）机械制造系学士，在职硕士，研究方向：机械制造。