cr12mov钢冲模工艺研究进展

cr12mov钢冲模工艺研究进展

1碳化物偏析造成的构造困难近20年来，中国的软件业发展迅速，尤其是近年来，每年的软件需求迅速增加，每年约占15%。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钢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,很容易造成模具的过早失效。Cr12MoV钢常用的加工工艺是:下料※锻造※球化退火※机械加工※淬火+低温回火※平磨※线切割加工※组装。Cr12MoV钢碳化物级别应不大于2级,其化学成分要求见表1。Cr12MoV钢属于高碳高铬钢,含碳量和含铬量高,形成了大量的碳化物和高合金度的马氏体,使钢具有高硬度、高耐磨性。Cr12MoV钢中的钼增加钢的淬透性并且细化晶粒钒能细化晶粒增加韧度又能形成高硬度的VC,以进一步增加钢的耐磨性。铬又使钢具有高的淬透性和回火稳定性。由于Cr的大量存在,钢液结晶时析出的大量共晶碳化物(主要是硬度很高的铬铁复合碳化物(Fe,Cr)7C3)极为稳定,常规热处理无法细化,即使经压延后,在较大规格钢材中,仍保留明显的带状或网状碳化物,碳化物分布不均匀,而带状或网状碳化物区是一个脆性区,其塑性、韧度差,不能承受大的冲击力,裂纹很容易在这里萌生与扩展,往往成为裂纹产生的主要原因。较大的碳化物周围常常有空洞、位错等缺陷汇聚,在交变负荷的作用下,这些缺陷进一步聚集和扩展便可萌生疲劳裂纹。碳化物偏析严重,在碳和合金元素富集的区域,钢的熔点降低,易导致模具热处理时过热,使碳和合金元素在奥氏体中溶解度减少,降低淬火后的硬度,且导致碳合金元素富集区与贫乏区之间产生大的组织应力,从而增大模具热处理后的变形量。为了碎化、细化共晶碳化物,把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性,细化碳化物的粒度,一般Cr12MoV使用时都需要进行锻造和预先热处理,以减少碳化物的不均匀分布,为后续淬火、回火提供优良的原始组织。另外,通过添加微量锌元素进行变质处理,会加速共晶碳化物热处理粒化的动力学过程,促进了共晶碳化物的粒化。目前导致Cr12MoV这种高碳、高铬钢模具损坏的因素很多,但主要的还是锻造工艺和热处理工艺造成的。线切割加工有时也会引起模具开裂。碳化物的不均匀与残留应力的分布是影响模具使用寿命的决定因素。2雕塑2.1共晶温度的影响Cr12MoV钢导热性差,锻造温度较窄,加热速度不能太快,加热要均匀。一般锻造最好选择在单相区进行。较高的锻造温度易于塑性变形,但Cr12MoV钢共晶温度较低(约1150℃),稍不注意就会发生过热和过烧。过低的开锻温度使得开停锻温度范围变窄相应要增加变形火次过低的终锻温度会产生加工硬化,产生内外裂纹。终锻温度如选在Acm线以上,则会在锻后的冷却过程中,沿着晶界析出二次网状渗碳体,这将使得锻件的力学性能大为下降。如选在Acm和A1线之间的温度区间锻造,由于塑性变形的机械破坏作用,可使析出的二次网状渗碳体呈弥散状。Cr12MoV的终锻温度应控制在Acm线以下、A1线以上50~100℃。2.2cr12mov钢的铸造工艺在锻造方法上,对于Cr12MoV这样的高碳高铬钢,一般的轴向镦粗、拔长法使坯料心部的变形量不大,无法完全消除组织中的带状碳化物和粗大、不均匀的碳化物组织,用这样的坯料制成的模具会产生组织的不均匀和力学性能的各向异性,增加淬火裂纹和使用脆断的倾向。一般应采用变向锻造法(包括十字镦拔法和三向镦拔法),而且要严格按照正确的锻造操作规程进行。镦拔的次数应视碳化物不均匀的级别和对锻件碳化物不均匀级别的要求而定。操作过程中应严格执行“二轻一重”的锻造方法,在保证击碎碳化物的同时防止裂纹产生。拔长进给量每次不少于原始毛坯直径或边长的2/3,下压量应均匀一致,决不能在坯料表面造成任何硬性压痕,翻转也应勤快均匀,要坚决避免坯料的同一部位受到反复锤击,以防锤击变形能量变成很大的热能,使金属局部升温、过热,引起开裂。Cr12MoV钢的锻造加热曲线如图1所示,其锻造工艺如表2所示。锻件终锻后应立即打标记并随炉缓冷(炉膛温度700℃),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24~32h内进行退火处理,一般采用等温球化退火。3加热设备3.1造成模具早期脆性损坏由于Cr12MoV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,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Cr12MoV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产品碳化物产品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Cr12MoV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207~255HB。3.1.2增加工件的变形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钢的调质处理工艺见图3。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大大降低了钢的脆性,增强了韧度,所以Cr12MoV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双重固溶球化法对于大型的Cr12MoV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。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高温固溶退火+高温调质法文献比较了球化退火、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,发现经高温固溶淬火+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+980℃淬火+240℃回火是Cr12MoV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3.04J,比原工艺(球化退火+980℃淬火+210℃回火)的冲击功值1.69J提高了80%。3.2次硬化处理Cr12MoV钢一般有3种热处理工艺:(1)一次硬化处理方法(如图5所示),采用低温淬火低温回火,即950~1000℃加热淬火,200℃回火;(2)二次硬化处理方法,采用高温淬火高温回火,即1100℃左右加热淬火,500~520℃回火;(3)中温淬火中温回火工艺,即1030℃左右加热淬火,400℃左右回火。方法(1)可获高硬度及较高韧度,但抗压强度低;方法(2)可获较高硬度及抗压强度,韧度也好;方法(3)可获较高硬度和抗压强度,强韧度适中。一次硬化处理方法是采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火。钢中的残留奥氏体量在20%左右。回火温度一般为160~200℃,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℃)回火后,工件硬度也可以提高到60~62HRC,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作温度较高(400~500℃)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,C12MoV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。文献介绍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。一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-78℃冷处理后,只需在480℃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。文献报道,Cr12MoV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84.3万次,且中间刃磨次数从1班(8h)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:1130℃真空加热淬火(高温固溶)+760℃高温回火+960℃真空加热淬火(细化晶粒)+最终热处理,工艺曲线见图6。1130℃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出,使碳化物的形态、大小及分布得到改善。随后进行的960℃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。文献报道,采用高温盐浴快速加热淬火(1200℃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发热工艺参数的选择3.3.1热处理热处理对模Cr12MoV钢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,在最佳强韧配合淬火温度区间(1000~1040℃)淬火,可使Cr12MoV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,从而有利于提高模具使用寿命。3.3.2热处理对cr12mov钢模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810℃)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Ms点下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。Cr12MoV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图8。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钢的晶粒逐渐变小,在960℃时出现峰值。随后随淬火温度的升高,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960℃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。文献报道,加热温度控制在1025±5℃,先在820℃的中温中预冷2min,然后将工件放置到已经预热至350~400℃的两块钢板之间,并在压力机上加压,随即进入260℃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。文献报道,淬火保温时间对Cr12MoV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6~10s/mm。Cr12MoV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℃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高温、高温回收工艺影响财产力学性能Cr12MoV钢回火目的是充分消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。Cr12MoV钢的回火一般分低温回火与高温回火,低温回火一般是170~180℃×2h,硬度可达60~62HRC,高温回火一般是500~520℃×2h,模具硬度可达到59~61HRC。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500℃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开裂现象减少。Cr12MoV钢属高碳高合金钢,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℃的加压回火;如孔径缩小,可采用420~520℃回火,以增大孔径尺寸。4线切割加工工艺优化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