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如何改进高碳高铬冷作模具钢Cr12MoV的热处理工艺
  • 作者:admin
  • 发布时间:11-11-08 15:57
  • 点击数:87
  • 文章来源:东莞市锐鑫特殊钢材有限公司

    Cr12MoV钢是目前国内广泛使用的冷作模具钢之一。该钢具有淬透性好硬度高且耐磨、热处理变形小等优点,常用于制作那些承受重负荷、生产批量大、形状复杂的冷作模具,如冷冲、压印、冷镦、冷挤压模等。但该钢的显著缺点是脆性大,常常导致模具的早期失效。因此,如何提高其强韧性,防止模具过早断裂失效,是经常遇到且急需解决的问题。
    在生产中,对Cr12MoV钢一般有两种不同的热处理工艺,即一次硬化法淬火和二次硬化法淬火。由于我们对冷作模的热硬性要求不高,所以采用了一次硬化法淬火。Crl2MoV钢采用一次硬化法淬火,淬火温度一般取1030~1050℃。但在实践中发现,使用该温度淬火,模具的使用寿命不太理想。模具失效分析表明,热处理因素影响最大,约占50%。东莞市弘超模具科技有限公司技术中心在已有研究的基础上,针对热处理生产中影响Cr12MoV钢性能的诸多因素,分析评述了提高其模具寿命的热处理工艺方法和措施。

⒈Cr12MoV 属于高碳高铬莱氏体钢。碳化物含量高,且常呈带状或网状不均匀分布,其形状、大小及分布对钢的性能影响很大,尤其大块状尖角碳化物对钢基体的割裂作用较大,往往成为疲劳断裂的策源地。经过改锻,碳化物被击碎,偏析状况得到有效改善,但其形态还不理想,且锻后硬度也偏高。因此Cr12MoV 钢锻后常采用球化退火作为预备热处理,以获得均匀、细小的球形碳化物,降低硬度,改善切削加工性能,同时为后续淬火做好组织准备。当常规球化退火工艺效果不理想时,可采用锻后调质处理,即锻后稍作停留,让奥氏体回复和开始再结晶,然后立即淬火,700~750℃回火。或在精加工前增加一道调质工序。                        

⒉Cr12MoV钢一般淬火温度为1000~1040℃,而调质的淬火温度可达1120℃,高的温度一方面促进了较小碳化物的完全溶解,另一方面也促进了大块碳化物尖角的局部溶解;而且,溶入基体的碳化物在随后高温回火过程中再度均匀弥散析出,使碳化物的形态,大小及分布得到改善,有利于提高模具的强韧性。

⒊Crl2MoV钢经-196℃×12h深冷处理后的力学性能数据表明:在相同热处理工艺条件下,经深冷处理比未深冷处理的抗断裂应力,HRC值都有较大提高,特别是冲击韧性提高0.7倍以上。
Crl2MoV钢经-170℃,保温时间分别选l~12 h,未深冷与深冷12h的力学性能对比,其中以保持12 h为最佳。Crl2MoV钢深冷处理后的耐磨性,冷冲模具的正常失效形式主要是冲击磨损失效,故试验采用冲击磨损试验机,测定不同参数的磨损量,对比深冷处理后的效果,结果表明,深冷试样的磨损量明显低于未深冷的试样,即耐磨性提高,在相同的热处理和磨损次数条件下,经深冷处理的抗冲击磨损性能明显提高。
    深冷处理可以促使马氏体(M)数量增加,残余奥氏体晶粒变小。有资料指出,为了使裂纹不易产生,可以采取减小晶粒直径形成的工艺方法。www.hongchao-dg.cn深冷处理细化了奥氏体晶粒,改变了金属断裂过程中的能量吸收状态,导致钢的强韧性提高。通过TEM观察,发现在原淬火马氏体晶粒内部有直径为3~6nm的微细碳化物弥散析出,主要分布在马氏体的孪晶带上。由于微细碳化物的析出过饱和固溶体(M体)的轴比降低,即减少了马氏体晶格畸变能,因此有利于提高钢的韧性。微细碳化物的弥散分布还有利于弥散强化作用。
    深冷处理不仅提高了钢的强韧性、耐磨性、模具寿命,而且能稳定模具尺寸,改善加工精度及表面质量,挽救一些尺寸超负公差的零件。所以可得出以下结论:
⑴、深冷处理可提高Crl2MoV钢的强度、韧性和耐磨性;
⑵、强度的提高是由于点缺陷密度的增加和残余奥氏体细化的结果;
⑶、耐磨性和韧性的提高是由于颗粒为3~6 nm微细碳化物析出的结果。

⒋增加调质处理模具除了要求基体具有足够高的强韧性外,还要求表面具有高硬度、耐磨、耐蚀和低的摩擦系数、抗疲劳性能等。这些性能的改善,单靠材料的整体热处理效果有限,也不经济,而通过表面处理技术,如表面涂覆、表面改性或复合处理技术,改变模具表面的化学成分、组织结构及应力状态等,往往可以收到事半功倍的效果。模具的表面处理方法很多,新的处理技术也不断涌现但对Cr12MoV钢模具而言,应用较多的主要有渗氮(N)及多元复合渗、硬化膜沉积技术等。
⑴、渗氮及多元复合渗。渗氮由于与模具钢的淬火工艺有良好的协调性,处理温度低,渗后不用急冷,模具变形极小,渗层硬度高、耐磨,抗疲劳,因此应用较早且广泛。
Cr12MoV钢1110℃淬火、540℃2次回火,经520~540℃渗氮2~6h后,表面硬度1042HV0.1,心部硬度775HV0.05(62.5HRC);980℃淬火、180℃回火,渗氮2~6h后表面硬度1120HV0.1,心部硬度563HV0.05(53HRC),耐磨性提高45%~67%。
    将Cr12MoV钢的渗氮工艺和淬、回火结合起来的复合强韧化处理可得到细小弥散的B下与M的复相组织,以及少量的Ar,心表力学性能过渡均匀,渗层深度达300μm,使模具寿命大幅度提高。
在渗氮的同时,同时渗入硫(S)和氧(O),模具表面不仅具有高的硬度、耐磨,减摩及抗咬合能力,而且能加速N的渗入,提高经济效益。Cr12MoV钢经真空1020℃淬火、560℃回火,然后在550℃进行时间为2h的离子O、S、N共渗,渗层厚度为0.16~0.18mm,表面硬度为1000~1200HV。如某日用化工厂用此工艺生产Cr12MoV钢牙膏管冷挤凸模,平均寿命3.5万件,是真空淬火回火处理的3.5倍,是离子渗氮处理的2倍。
    对Cr12MoV钢先进行等离子渗氮,然后再采用等离子S、N、C共渗工艺,在其表面形成具有一定硬度梯度的硫化物层+渗氮层的复合表面层,能显著提高其耐磨性及抗咬合性能,摩擦系数降低2/ 3。
    在渗氮或复合渗表面处理中,加入适量的稀土元素,不仅能提高渗速,而且能优化表面渗层的组织结构,改善表面的物理化学性能,强化表面,是延长模具寿命的新途径。
⑵、硬化膜沉积技术。硬化膜沉积技术目前应用较成熟的有CVD、PVD、电火花涂敷等。CVD、PVD由于设备原因成本较高,只在一些精密、长寿命模具上应用;电火花表面涂敷由于方法简单,效果好,因而实际生产中应用较为广泛。
    采用PVD 技术在模具表面沉积TiN涂层,工艺性能好,原材料易得,无腐蚀和无染,且涂层硬度高,与基体结合牢固,在工业上得到了一定应用。TiN涂层可显著提高模具钢热处理后在常温下的耐磨性能、较低冲击能量冲击下的抗冲击磨损性能、减摩性能,抗疲劳失效能力,以及耐高温(500℃)性能等。
    采用离子注入技术在模具表面注入N+、WC等,可以有效地提高模具的硬度、耐磨性及疲劳强度。用渗硼和新型的等离子体浸没式氮离子注入技术(PSⅢ)对Cr12MoV 钢进行复合处理,可以在模具表面制备出含有立方氮化硼的表面硬化层,硬度高达48GPa ,并具有优良的摩擦性能。采用高能离子注渗WC技术,在一定深度的表层内形成碳化钨富集的高耐磨层,其耐磨性比硬质合金稍差,但具有很好的硬度、红硬性及强韧性。该工艺具有不氧化、不变形、表面粗糙度无变化等优点,只是设备造价高,限制了工业应用。
    利用电火花表面涂敷对模具表面进行强化,能显著提高表面的硬度、耐磨性及耐蚀性。电火花强化后可进行磨削加工,不影响强化层的硬度及耐磨性。一般经强化后,模具寿命可提高数倍。Cr12MoV钢落料及拉伸复合模经980℃淬火,400℃回火,硬度为48HRC,通过对模具刃口用WC电极进行电火花强化,涂层硬度达到1100HV以上,模具平均寿命10050件,比1040℃淬火+180℃×2h回火处理提高9倍。
    近年来,随着工业用大功率激光器的价格下降及激光应用技术的日趋成熟,模具表面的激光淬火、激光涂敷技术也有了较大发展。模具采用激光表面淬火后可获得细马氏体和弥散分布的碳化物颗粒,清除网状组织,并获得最大硬化层深度以及最大硬度。Cr12MoV钢凹模采用激光表面淬火,激光硬化层深0.12mm,硬度达到1200HV,寿命由冲压2万件提高到10~12万件,提高4~6 倍。激光涂覆是用激光在模具表面覆盖一层薄的具有一定性能的涂覆材料,如金属或合金、化合物及其混合物等,以改善表面性能。激光涂敷技术是目前比较热门的研究方向,但距离大规模实际应用还需要做大量的研究工作。

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