精品纪念币用GCr15模具钢失效原因及改进措施

来源：现代模具作者：发布时间：2008-02-29

关键字：模具失效|GC15模具钢|冷冲模具

　　摘要：贵金属纪念币用Gr15冲模在短期使用后表面常出现裂纹，导致模具失效，通过分析表明：基体中的组织晶粒较粗大、不均匀，且其内碳化物形态异常是导致模具失效的主要原因。经过双细化工艺处理后，能有效地提高了÷GCr15钢制冷冲模的寿命。

　　冷冲模具是生产精品纪念币的保障，中国金币总公司下属的深圳国宝造币有限公司以GCr15作为印模材料，采用常规热处理淬火+回火工艺时, 由于韧性不足，在制造某熊猫纪念币过程中，模具表面局部位置常出现裂纹，导致模具失效。为了消除模具缺陷，生产出合格纪念币，需要对失效冲模压印中出现的微裂纹产生原因进行分析，摸索双细化处理工艺对GCr15模具钢组织的影响，为提高其使用寿命提供依据。

　　1 失效模具检测分析

　　1.1 GCr15原材料分析

　　通过化学分析法检验，该GCr15的化学成分(wt%)为：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。图1给出了GCr15原材料的组织形貌，由图可见，该原材料组织晶粒较粗大且均匀性较差，其内部碳化物形态各异，呈现球状、方形，棒状等多种形态。另外，对GCr15原材料进行了沿直径方向的硬度测试，图2给出了从边缘到心部的硬度分布图。结果表明，GCr15原料从边缘到心部，其硬度呈现单调下降趋势，边缘硬度为195HV，心部硬度为184HV，边部硬度稍高于心部。

　　1.2 失效模具外观

　　用此材料在深圳国宝金币公司通过常规的淬火-回火工艺制作的熊猫纪念币模具，在使用一段时间后，模具表面位于“熊猫尾部”处常出现明显的裂纹，导致模具失效。图3(a)给出了用蔡司金相显微镜观察到的失效模具表面的主裂纹形貌，发现该裂纹长约1000μm，沿着图案向边缘而扩展，主裂纹接近图案表面处宽约40μm，裂纹尖端宽约10μm。同时发现主裂纹周边存在许多二次裂纹，这些细裂纹并不沿着原始的裂纹扩展，而是生成新的分叉(见图3(b)) 。

　　1.3 失效模具组织类型

　　通过对失效模具的金相显微组织观察，由图4(a)和(b)可以发现该模具的组织类型为回火马氏体组织+碳化物颗粒，同时存在少量隐针马氏体和细针马氏体，基本属于正常GCr15钢淬火加回火组织，只是晶粒较为粗大，均匀性相对较差，且碳化物分布不均，这正是模具过早失效的主要原因。

　　2 GC15模具钢改进措施

　　2.1 改进思路

　　本试验的总体思路为：降低钢种偏析程度，细化晶粒，改善碳化物形态及分布，从而提高模具钢使用寿命。一般的双细化处理工艺为：先将GCr15钢在1050℃加热固溶，之后淬入400~430℃等温槽内，等温转变成下贝氏体组织，然后进行短时间等温球化退火(即640~650℃×150min)，即可获得超细化的球状碳化物[1-2]。碳化物明显细小，外形圆整，分布均匀，碳化物带状偏析已基本消除或减轻。经循环淬火、回火后的组织以板条马氏体为主，约有15%的残余奥氏体，其余为碳化物。这样使碳化物和晶粒同时细化(即双细化处理)的效果，提高了钢的强韧性，防止早期脆断[3-4]。

　　2.2 双细化工艺制度

　　本试验制定的双细化工艺制度如图5所示，首先在1050℃左右进行固溶化处理，其目的是把大量形态各异的碳化物全部溶入奥氏体中，亚稳定的共晶体碳化物也可全部或部分熔解，并使成分均匀化。固溶均匀化后，将工件毛坯淬入沸水中获得马氏体组织。之后将淬火后的工件在640℃进行60min的等温球化退火，获得粒状组织，然后再进行机械加工和最终热处理。这样获得的球粒状组织粒度虽然稍粗，但颗粒均匀而且圆整，硬度也比较适中，易于机械加工。

　　淬火温度一般选择在Ac1～Acm之间，在这个温度范围内能获得较细小的奥氏体晶粒、含碳量较低的隐晶马氏体，和均匀分布在马氏体基体上的细小的未溶碳化物的组织。这种组织机械性能良好。如果淬火加热温度太高，奥氏体晶粒就会粗大，得到粗片状马氏体，显微裂纹增多，增大脆性，增大淬火开裂倾向;同时由于碳化物溶解过多，淬火后钢种残留奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。如果淬火温度太低，则可能得到非马氏体组织[5]。本试验将钢以较快的加热速度通过相变温度范围，在较低的奥氏体化温度下做短时间的保温，奥氏体新的晶核(起始晶核)将不会长的很大，在冷却后再重复加热，每循环一次，奥氏体的晶粒尺寸就相应的减小一些。本试验采用了三次淬火处理，分别为860℃+40min淬油，840℃+30min淬油820℃+30min淬油，之后采用160℃+90min回火。

　　2.3 双细化处理后的效果

　　图6给出了经过双细化处理的GCr15模具钢的组织形貌，可见，经双细化处理后，GCr15的晶粒得到了充分的细化。同时钢中的碳化物也得以细化且弥散分布，另外，增加了位错马氏体的数量以及呈片状分布在板条马氏体间及片状马氏体周围的残余奥氏体量，从而有效地提高GCr15钢的强韧性，达到了提高GCr15模具钢的使用寿命的目的。