Cr12MoV模具钢应用的主要问题和热处理研究进展

1、黄石市东鑫特钢有限公司，专业生产工模具钢，百年大冶特钢技术。QQ：Cr12MoV模具钢应用的主要问题与热处理研究进展1引言+f氐温近20年来，我国模具工业发展非常迅速，尤其是近几年模具需求一直以每年 15%左右的速度快速增长，国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的 要求，也为其发展提供了强大的动力。Cr12MoV冈属于高耐磨微变形冷作模具钢, 其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度，仅次 于高速钢，是冲模、冷镦模等的重要材料，其消耗量在冷作模具钢中居首位。 该钢虽然强度、硬度高，耐磨性好，但其韧度较差，对热加工工艺和热处理工 艺要求较高，处理工艺不当，很容易造成模

2、具的过早失效。Cr12MoV冈常用的加工工艺是：下料一锻造一球化退火一机械加工一淬火 回火一平磨一线切割加工一组装。质艸Cr12MoV冈碳化物级别应不大于2级.其化学成分要求见表1。1 CrlMV训:報分(i1.45-L7Or加热温度始锻温度终温度&50*900IQWTIOO ltX锻件终锻后应立即打标记并随炉缓冷（炉膛温度700C ），严禁空冷或放置在潮湿 的地面上冷却。为便于后续加工，锻件在冷却后，应在 2432 h内进行退火处 理.一般采用等温球化退火。3热处理工艺3. 1预处理由于Crl2MoV钢含有高碳高铬，其内部组织碳化物多，特别是一些形状不规则的 碳化物，这些碳化物的边缘呈尖角状

3、，尖角的存在极易造成应力集中而增加淬 火开裂、磨裂的危险。必然会造成模具的早期脆性损坏。因此，需要对Crl2MoV钢进行预处理，预处理一般有正火、退火、调质、高温回火、高温固溶处理+高温回火预处理工艺等，其目的是为了改善毛坯的组织.使钢的淬透性增加，有 利于改善钢的切削加工性能，为后续的热处理工艺做好组织准备.3. 1. 1球化退火锻造后最常用的预先热处理是球化退火。以便获得细小、均匀的球形碳化物分 布。完全退火将使Cr12Mo钢形成网状碳化物，而且在最终的淬火、回火过程中 仍能保持，这将使其脆性增加而不能使用。球化退火工艺如图2所示。球化退火后的组织为索氏体型珠光体+粒状碳化物，硬度为207

4、255HB.83 卜 870CAcf *8ior720-OTC岂 SftMOOh：鼻I MlI I炉冷 W3(rc/h 疑Wh207-255HB时刚b3. 1. 2调质处理当锻件的碳化物偏析比较严重，常规球化退火工艺效果不理想时，可采用锻后 调质处理，即锻后稍作停留或在精加工前增加一道调质工序，也可利用锻后余热 直接进行球化退火或循环球化退火，调质处理后锻件能获得均匀细致的索氏体 组织，不仅可保证工件最后淬火具有均匀的硬度，而且有利于淬火后减小工件 的变形，增加工件的尺寸稳定性。Cr12MoV冈的调质处理工艺见图3。时闾/mm与球化退火相比，采用高温调质工艺更有利于碳化物形态的改变，这是因为高

5、的加热温度促进碳化物进一步溶解，原来在低温下不能溶解的、略大的一些碳化 物可以进一步溶解。一些更大些碳化物也会发生尖角微溶现象，因为碳化物尖 角处曲率半径小，与其接近的固溶体碳浓度高，而与平面处（曲率半径大）相接近的固溶体浓度低，在高温下碳的扩散过程加剧，必然引起碳的扩散而打破平 衡，导致尖角处的渗碳体溶解，并在平面处析出，使尖角处发生钝化（曲率半径相对变大）。这种尖角形态的消失或缓解可减轻碳化物呈尖角时易造成应力集中 的不利影响。再则高温下融入碳化物增多，完全溶解了的碳化物在高温回火过 程中以极细粒状均匀析出，又进一步减轻了碳化物存在的不利影响，因均匀分 布的极细粒状碳化物不会造成应力集中而

6、大大降低了钢的脆性，增强了韧度， 所以Crl2MoV钢制模具增加高温调质工序是提高模具强韧度的重要环节。3. 1. 3高温固溶+高温回火 对于大型的Crl2MoV钢冷作模具，还可采用高温固溶处理 +高温回火预处理工艺 （又叫双重固溶球化处理），其工艺如图4所示。iioo-iisorI对锻造模块直接进行两次固溶处理，即在锻造高温固溶细化处理后，再进行一 次加热固溶球化处理，可使球化过程加速，同时又可使碳化物的大小、形状及 分布得到改善，为最终热处理提供了良好的组织准备。3. 1. 4几种预处理工艺的比较比较了球化退火、调质处理、高温固溶淬火 +高温回火、高温调质处理这几种预 处理工艺的球化效果，

7、发现经高温固溶淬火十高温回火和球化退火处理后，碳 化物颗粒细小，分布均匀弥散，高温固溶淬火 +高温回火的球化效果最好。高温 调质处理得到的碳化物也很细小，但碳化物的分布效果不如球化退火和高温固 溶淬火+高温回火2种工艺理想。高温固溶淬火+高温回火+980C淬火+240r回火 是Cr12Mo钢最佳强韧化热处理工艺，在保证硬度较高的条件下，其冲击功值可达 3. 04 J比原工艺（球化退火+980C 淬火+210r回火）的冲击功值1. 69J提高了 80%。3. 2热处理工艺分类I 102 卜 103冗Cr12MoV冈一般有3种热处理工艺：一次硬化处理方法（如图5所示），采用低温 淬火低温回火。即9

8、501000r加热淬火，200r回火；二次硬化处理方法， 采用高温淬火高温回火，即1 100 r左右加热淬火，500-520 r回火；中温淬 火中温回火工艺，即1 030 r左右加热淬火，400r左右回火。方法可获高硬 度及较高韧度，但抗压强度低；方法可获较高硬度及抗压强度，韧度也好； 方法可获较高硬度和抗压强度，强韧度适中。哄fg师严瞥6卜血时间/ h图5 次硬化处理方法一次硬化处理方法是米用较低的淬火温度进行淬火。然后进行1-2次低温回火。选用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强度和韧度较好，钢的硬度和耐磨性高， 热处理变形较小。一般淬火液选用淬火油或硝盐浴，采用单液淬火，也可采用 双液分级淬

9、火。钢中的残留奥氏体量在 20%左右，回火温度一般为160200ro 回火时间为2-4h，回火以2次为宜，这样在机加工过程中工件不易开裂。二次硬 化处理方法是采用较高的淬火温度进行淬火，然后进行多次高温回火。达到二 次硬化的目的。经二次硬化处理，钢有较高的红硬性、耐磨性和回火稳定性， 但强度和韧度会稍降低。一般淬火液选用淬火油或硝盐浴，采用单液淬火或双 液分级淬火。淬火温度高，淬火后钢中有大量残留奥氏体，硬度比较低，但采用较高的温度（490-520 C）回火后，工件硬度也可以提高到6062 HRC硬度的 提高主要是由于残留奥氏体在回火过程中转变为马氏体。回火一般以3次为宜。二次硬化处理适合于工

10、作温度较高（400500r）且承受载荷不大或淬火后表面 需要渗氮的模具。采用较低温度淬火 +贝氏体等温处理工艺，可使晶粒细小。提 高模具的抗弯强度和韧度，延长模具使用寿命。一般情况下，C12M 0钢强度高、塑性低，而下贝氏体组织却具有较高强度和韧度，下贝氏体断裂韧度比回火马 氏体高。最终热处理时常用贝氏体等温处理，模具得到较多的下贝氏体，割裂 了原奥氏体晶粒，使随后形成的针状马氏体细化。下贝氏体易在未溶碳化物与 基体的界面处形成。本身韧度也较好，可通过自身塑性变形而缓解应力集中， 有助于降低裂纹萌生及扩展，脆断几率减小，使强韧度增加。采用中温淬火低温回火，使模具获得了较高硬度和韧度，同时获得了

11、高强度， 从而保证了模具寿命。由于中温加热可完全奥氏体化，而合金元素未完全熔于 奥氏体内，避免得到过饱和马氏体。采用低温回火可保证工件所需硬度，二次 回火可使淬火应力充分消除。深冷处理在提高模具钢的力学性能和延长模具 寿命方面效果显著，属于简单易行的强韧度处理工艺。工模具钢的深冷处理可 以在淬火和回火工序之间进行或在淬火回火后进行。当深冷处理在淬火后立即 进行时，一方面发生残留奥氏体向马氏体的转变，另一方面热力学不稳定的马 氏体将析出大量微细的碳化物，钢的硬度升高，韧度有所下降。淬火回火后再 进行深冷处理，残留奥氏体已经在回火过程中完成了转变，钢的硬度只略有升 高或保持不变，由于大量的细小分散

12、的碳化物由马氏体中析出，降低了马氏体 的过饱和度和内应力，改善了钢的韧度。次硬化处理结合深冷处理一般用于 要求获得高的硬度、良好的韧度及变形较小的模具，如复杂的凹模、凸模等。二次硬化处理结合深冷处理一般用于要求获得高的红硬性、高的耐磨性、需要 渗氮、工作温度较高、承受载荷不大的模具。二次硬化处理时，Cr12MoV钢在同一温度下淬火后的模具进行一 78C冷处理后，只需在480C回火一次，硬度便可 达60-62HRC减少了回火次数，可缩短工艺时间10-15h，节约电能30%50%, 取得明显经济效益。Crl2MoV钢凹模进行液氮深冷加高温回火处理，使凹模的平 均使用寿命从9. 2万次提高到84.

13、3万次，且中间刃磨次数从1班2次，提高到2 班1次。对一些体积比较大或无法锻造的模具，可采用固溶双细化处理，固溶双细化工艺是完全利用热处理方法，通过高温固溶使碳化物细化、棱角圆整化， 通过循环细化使奥氏体晶粒超细化。固溶双细化热处理工艺为：1 130 C真空加热淬火（高温固溶）+760 C高温回火+960C真空加热淬火（细化晶粒）+最终热处 理，工艺曲线见图6。时间1 130 C高温淬火。既促进了较小碳化物的完全溶解，也促进了大颗粒碳化物溶 解，锋利尖角溶成圆角，从而使未溶的碳化物数量变少。粒度趋于一致。形态 趋于球粒状。高温回火可使高温淬火后的残留奥氏体分解，溶入基体的碳化物 再度均匀弥散析

14、出，使碳化物的形态、大小及分布得到改善。随后进行的960 C低温淬火及最终热处理，使碳化物的粒度、形状分布及球化程度进一步得到改 善，同时也使晶粒非常细小。固溶双细化处理后的模具使用寿命大大高于传统 工艺制造的模具（大于2倍），其原因是模具塑性和韧度同步上升。模具钢经真空热处理后有良好的表面状态，变形小，模具表面硬化比较均匀。 主要原因是真空加热时，模具钢表面呈活性状态，不脱碳，不产生阻碍冷却的 氧化膜。在真空下加热，钢的表面有脱气效果，因而具有较高的力学性能，炉 内真空度越高，抗弯强度越高。真空淬火后，钢的断裂韧度有所提高，模具寿 命比常规工艺普遍提高。采用高温盐浴快速加热淬火（1 200

15、C保温10min）。由于快速加热导致相变点升 高，奥氏体晶粒不易长大，可以细化晶粒，提高强韧度。由于保温时间短，在 工件表面达到淬火温度时.工件心部尚处于相变点以下.因而可适当减少残留 奥氏体量，减少淬火变形，还可获得比普通淬火较大的淬硬层深度，有利于提 高模具使用寿命。3. 3热处理工艺参数的选择3. 3. 1预热Cr12MoV冈在淬火加热时需要根据模具的尺寸大小和复杂程度进行2次以上的预热。以减少模具内外的温差，降低材料的内应力，有效地改善碳化物的分布形 态，为淬火时组织和性能的最佳配合创造条件，有效地提高模具使用寿命。如 果在淬火操作时未按材料要求进行预热，会使粗大的碳化物组织未能溶入奥

16、氏 体中，影响热处理后碳化物的重新分布。导致模具产生残留应力，促进了裂纹 的产生与扩展。通过在特定温度充分预热X j在最佳强韧配合淬火温度区间（1 0001040C）淬 火。可使Cr12Mo回火马氏体细小、碳化物细小且均匀分布，不仅为模具淬火作 了组织准备。而且特定温度预热形成大量高度弥散均匀分布的形核.为有效地 控制残留奥氏体量提供了条件，从而有利于提咼模具使用寿命。3. 3. 2淬火A函点下Cr12MoV淬火加热规范决定了奥氏体的实际晶粒度及碳化和合金元素的固溶度.对马氏 体的形态及回火的性能（硬度、强度、塑性、回火稳定性、淬火回火时的体积变 形）都有显著的影响。当加热到Ac1温度（约81

17、0C）以上时。原始组织索氏体和碳 化物转变为奥氏体和碳化物。随着加热温度升高，合金碳化物继续向奥氏体中 溶解.增加了奥氏体中C和Cr的浓度，淬火马氏体的硬度增加，其耐磨性也越强, 冲击韧度逐渐升高。但淬火温度太高，奥氏体中合金元素含量增加，使 降。淬火组织中残留奥氏体量增加，会导致硬度下降，冲击韧度下降。钢淬火温度与冲击韧度的关系见图7,硬度、残留奥氏体量与淬火温度的关系见 _ dfe孔 兀2012009001000 1100岸火温度和 轲 M如果钢的晶粒越细小，其强度越高，塑性越好，冲击韧度越高。随着淬火加热 温度的升高，Cr12MoV冈的晶粒逐渐变小，在960r时出现峰值。随后随淬火温 度

18、的升高。晶粒又会逐渐长大。这是因为随淬火加热温度的升高。奥氏体的形 核率和长大速度均增大。但温度较低时。形核率起主要作用，晶粒越来越细小.但 当淬火温度升高到一定值时，晶核的长大速度逐渐起主导作用，晶粒越来越粗 大。在960C左右出现了峰值。淬火后模具体积随淬火温度变化而变化。这是 由于残留奥氏体量发生变化而引起的。淬火后钢中的残留奥氏体会使模具表面 尺寸减小，而淬火时马氏体转变会使模具尺寸增大。正确选择淬火温度，残留 奥氏体可以部分甚至全部抵消淬火时马氏体转变所产生的尺寸增大。使变形量 最小甚至无变形。加热温度控制在1 025 5C。先在820r的中温中预冷2min, 然后将工件放置到已经预

19、热至350-400 r的两块钢板之间，并在压力机上加压。 随即进入260r硝盐等温3h，最后空冷，不仅保证了孔径和孔距，而且表面平面 度也达到要求。淬火保温时间对Crl2MoV钢模具的变形影响较大。保温时间太短，溶入奥氏体的 合金元素量和碳化物较少，MS降低较少，奥氏体稳定性差，淬火后残留奥氏体 量少，使模具的变形增大。适当增加保温时间。可减少变形，但在盐浴炉中加 热不能超过610 S/ mm,Cr12Mo钢具有很高的淬透性，为了减少冷却过程中产 生的热应力，模具保温后可在830-840 r的盐浴炉中短时间等温，然后出炉在 缓冷箱中堆放空冷。3. 3. 3回火Crl2VloV钢回火目的是充分消

20、除热处理的残留应力。调整组织和硬度。淬火后 形成的马氏体属于高碳富铬的过饱和间隙固溶体，处于不稳定状态，回火时分 解，析出碳化物，转变为回火马氏体，使材料基体组织硬度降低。残留奥氏体 在回火过程中会分解，析出显微碳化物，在一定程度上弥补了马氏体回火转变 造成的硬度降低。淬火后钢的硬度会随回火温度的变化呈现先降低后增加的趋 势。回火温度过高时，残留奥氏体中析出的碳化物粗化，失去强化作用。导致 硬度下降。淬火后试样在不同温度下回火时，冲击韧度呈先降低后升高的趋势，这主要受 残留奥氏体分解的影响。回火过程中，随温度的升高，基体中残留奥氏体量逐 渐减少，析出碳化物增多，导致材料的冲击韧度降低。但回火温

21、度过高时，组 织中的碳化物有粗化、聚集的趋势。冲击韧度开始回升。Crl2MoV钢的回火一般分低温回火与高温回火。低温回火一般是 170180CX 2h，硬度可达 60-62HRC.高温回火一般是500-520Ex 2 h，模具硬度可达到59-61 HRC.如果 回火温度低(尤其是低温回火时)，模具的硬度较高。易导致回火不充分.使模 具中的残留应力较大.影响模具的使用寿命。适当提高回火温度，可保证模具 在硬度降低不多的情况下获得较好的韧度，降低模具的内应力，均匀热处理后 的显微组织，获得所需的力学性能。回火温度提高到500C时仍能保证模具硬度要求，而淬火残留应力也得到了有效消除，模具在线切割时的

22、开裂现象减少.Cr12MoV冈属高碳高合金钢，有二次硬化效应，其奥氏体稳定性好，淬火后残留 奥氏体较多，回火稳定性也好。如果在热处理过程中回火不足，材料中的残留 奥氏体量较多，残留奥氏体很软，组织不稳定，当模具承受摩擦、挤压变形和 冲击时,达一定条件会使残留奥氏体转变为极脆马氏体，导致材料的组织应力增 加，使材料脆性断裂的倾向明显增大。如果要求热处理时模具变形较小，可在 回火过程中靠改变回火温度来控制模具的尺寸。回火温度的确定要根据淬火后 残留奥氏体的量来决定。如淬火后的孔径增大，可采用 340-430 E的加压回火； 如孔径缩小，可采用420-520 E回火，以增大孔径尺寸。4模具线切割加工模具先由普通机床加工出坯件，再由线切割完成模具刃口或型腔加工。线切割 加工需要注意的问题是线切割中的工件变形与加工表面应力的改变。工件经热 处理淬硬后进行线切割时，由于去除大面积金属或切断，破坏了材料的内部残留 应力的相对平衡状态，在应力重新分布的过程中。局部会产生高应力。从而产 生较大的变形。残留应力引起的变形不但影响工件的加工尺寸。局部的高应力 还可能造成材料产生裂纹甚至开裂而报废。线切割加工后，Crl2MoV莫具表面的残留拉应力作用深度有限，只有几十个微米，不会使模具整体开裂，即线切割加 工后模具表面的残留拉应力不会