机械设计制造及其自动化论文探讨脉冲电流对Cr12MoV冷漠具钢球化退火组织和性能的影响

PAGE22PAGE1本科毕业论文论文题目:探讨脉冲电流对Cr12MoV冷漠具钢球化退火组织和性能的影响DiscussiononpulsecurrentimpactonthespheroidizingorganizationandperformanceoftheCr12MoVcoldmoldingtoolsteel学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：完成时间：目录1绪论 22探讨脉冲电流对Cr12MoV冷漠具钢组织和性能分析 52.1研究Cr12MoV冷模具钢球化退火的主要目的 52.2Cr12MoV冷模具钢的化学成分（%）表1所示 52.3Cr12MoV冷模具钢的常规球化退化工艺 53实验原理 64实验准备 74.1实验材料 74.2实验仪器 84.2.1与脉冲电场发生器连接的放置工件的装置 94.2.2制作SXZ—25—12高温箱式电阻炉的炉门 94.2.3预磨机 94.2.4金相试验抛光机 104.2.5金相显微镜 104.3实验过程 105工艺过程 116金相显微试样的制备 126.1金相显微试样的制备 126.2金相试样制备 137脉冲处理技术 137.1电脉冲原理 137.2脉冲电流对金属组织变形的影响 147.3电脉冲对材料力学的影响 158实验结果与分析 168.1加热温度对钢组织性能的影响 168.2加热温度对力学性能的影响 188.3组织转变过程图 198.4电脉冲对组织形态的影响 20结论及存在问题 20参考文献 22谢辞 23探讨脉冲电流对Cr12MoV冷漠具钢球化退火组织和性能的影响摘要：本课题是采用脉冲加热温度对Cr12MoV冷模具钢进行改性处理，是国内近年来尝试的一种新型热处理工艺，它在改善其切削加工性能的同时，又缩短保温时间、细化晶粒。本课题的研究意义再于通过实验可以证明利用加热温度对材料进行改性处理可以提高对材料的利用率，还可以延长产品的使用寿命和抗疲劳强度，更重要的是让产品的失效率降到最低。该实验是在脉冲电流作用下,观察Cr12MoV冷模具钢球化退火组织的变化行为。研究结果表明,采用脉冲电流作用于Cr12MoV冷模具钢退火,可明显改善该钢碳化物的形态和分布，在相同的等温温度下,可以缩短Cr12MoV冷模具钢的球化退火时间。关键词:Cr12MoV冷模具钢脉冲电流球化退火DiscussiononpulsecurrentimpactonthespheroidizingorganizationandperformanceoftheCr12MoVcoldmoldingtoolsteelABSTACTThistopicadoptspulseheatingtemperaturetocarryonchangingorganizestructureoftheCr12MoVcoldmoldingtoolsteel,itisanewhotprocessingcraftinthedomesticinrecentyears,Itcanimprovecuttingprocessfunctionthecoldmoldingtoolsteel,andthenshortenheatpreservationtimeandgrainrefinement.TheresearchmeaningofthistopicisthatthroughexperimentscanprovethatusingheatingtemperaturechangedorganizestructureoftheCr12MoVcoldmoldingtoolsteelcanimprovetheutilizationofmaterialsandtoextendtheservicelifeofproductsandanti-fatigue,evenmoreimportantistominimizethefailurerateofproducts.BytheactionofPulseelectriccurrent,thestructureoftheCr12MoVcoldmoldingtoolsteelduringspheroidizingannealingwasstudiedinthispaper.Theresultsshowthatduringtheprocessofannealing,thecarbideπsshapeanddistributionintheCr12MoVcoldmoldingtoolsteelcouldbeimprovedobviouslybytheactionofPulseelectriccurrent,andtheannealingtimecouldbeshortedunderthesametemperature.KEYWORDS:TheCr12MoVcoldmoldingtoolsteel,Pulseelectriccurrent,Spheroidizingannealing1绪论随着我国加入WTO，我国模具工业的发展将面临新的机遇和挑战。我国模具工业从起步到飞跃发展，历经了半个多世纪，近几年来，我国模具技术有了很大发展，模具水平有了较大提高。大型、精密、复杂、高效和长寿命模具又上了新台阶。大型复杂冲模以汽车覆盖件具为代表，我国主要汽车模具企业，已能生产部分轿车覆盖件模具。我国的模具工业的发展，日益受到人们的重视和关注。正由于模具行业的技术进步，模具水平得以提高，模具国产化取得了可喜的成就。历年来进口模具不断增长的势头有所控制，模具出口稳步增长。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。九十年代，我国模具工业进人了快速发展时期，极大地促进了模具钢生产、应用技术的进步。通过引进先进的设备和技术，已经能够生产高质量的模具钢，有些钢种的冶金质量已达到国际先进水平，并有少量出口，在国际上享有一定的声誉。但是，我国模具钢生产、应用的总体水平仍然较低，存在许多长期没有解决的问题。国产模具钢绝大多数是电炉钢，钢的成分偏析大，纯净度低，碳化物级别偏高，疏松级别超标，模块的纵横向性能相差悬殊。模具钢材料利用率低，原因是钢材中圆棒料占85%以上，锯料、改锻中消耗量大；模块、扁钢、板材等品种很少，精品、制品更少。模具钢改锻效果差，绝大多数改锻仅以模坯达到形状、尺寸为目的，忽视组织改善，以致模坯中仍保留超级别的碳化物和不利的流线分布。模具选材和热处理不当也是模具钢应用中一个突出问题。模具设计、制造者不熟悉材料和热处理，热处理技术人员不熟悉模具工况条件，常常造成选材或热处理工艺不与模具相匹配。此外，热处理工艺执行不严，热处理设备和工艺落后，操作不当造成模具变形、开裂，是普遍存在的。调查表明，模具因选材和热处理不当造成早期失效者占70%左右。表面处理在模具上的应用，除渗碳、渗氮外，其它扩渗处理（渗非金属，渗金属）应用很少，镀膜和喷涂处理应用更少。一些应用又常因种类和工艺选择不当，达不到预期效果，甚至不但无益，反而有害，成为模具钢应用技术中一个薄弱环节。模具的用途很广，各种模具的工作条件差别很大，所以，制造模具用材料范围很广，在模具材料中应用最广的当属模具钢。从—般的碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、高速工具钢、不锈耐热钢直到适应特殊模具需要的马氏体时效钢以及粉末高速钢、粉末高合金模具钢等。模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料成型用模具钢三大类。其中冷作模具钢主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成型的模具。如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具钢的范围很广，从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。模具工业迅速发展。模具工业的高要求，对模具材料的性能和使用寿命等提出了更高的要求。模具材料方面，由于对模具寿命的重视，优质模具钢的应用有较大进展。因此世界各国的模具钢生产企业及研发机构，不断开发模具钢新材料和采用新的生产技术，以适应模具工业的发展。随着热处理技术的进步，人们对模具钢材料的性能有了越来越多，越来越高的要求，而提高材料性能，开发新的材料常常离不开新的工艺、新方法。模具在的加工工艺路线中，退火热处理具有承上启下的作用，它能细化晶粒、均匀组织，降低钢的硬度，提高塑性，又能为最终热处理做好组织上的准备。然而由于传统常使用的诸如普通球化退火、等温球化退火等方法，存在着生产周期长、加热温度高、保温时间长等问题，很难达到工模具钢理想的使用性能要求，往往给经济生产带来一定的影响。经查阅资料发现，电脉冲处理技术正是这样一种新兴的工艺，目前采用脉冲电场对材料进行改性处理，已是国内外近年来尝试的一种新型热处理工艺。如何通过电脉冲球化退火获得理想的球化体组织，在降低硬度，改善切削加工性能的同时，又能降低球化退火的加热温度、缩短保温时间，成为亟待解决的问题。以此作为出发点，本次毕业设计的主要目的为：尝试采用正交实验法找出模具钢，理想的电脉冲球化退火的热处理参数，以加快国内热处理技术的改革与发展很有必要。Cr12MoV钢是一种应用广泛的冷作模具钢,具有高硬度、高强度、高耐磨性和淬火变形小等优点，属高碳高铬类莱氏体钢。本次毕业设计以Cr12MoV冷作模具钢作为试验原材料,拟用在等温球化热处理工艺的基础上，加上电脉冲这一新型工艺,以期达到保证良好球状珠光体组织的同时，可以在降低硬度，改善切削加工性能和综合机械性能，又能降低球化退火的加热温度，并缩短冷模具钢球化退火的保温时间,提高热处理效率。2探讨脉冲电流对Cr12MoV冷漠具钢组织和性能分析2.1研究Cr12MoV冷模具钢球化退火的主要目的通过球化退火处理使Cr12MoV冷模具钢组织中的碳化物以细小、球状的形态弥散分布在基体中。但传统的球化退火工艺，由于加热温度高、保温时间长或工艺复杂，使球化退火工艺过程的效率大为降低。因此采用一种加快碳化物球化速度，提高球化退火工艺效率的新方法，探讨一种在脉冲电场作用下对Cr12MoV冷模具钢球化退化的新工艺，本次毕业设计主要是利用往届毕业生对Cr12MoV冷模具钢正交实验的最优结果，与本次毕业设计的实验—探讨脉冲电流对Cr12MoV冷漠具钢球化退火组织和性能的影响的实验结果进行比较和分析，得出最优的实验结果。2.2Cr12MoV冷模具钢的化学成分（%）表1所示：表1Cr12MoV冷模具钢化学成分材料C％Si％Mn％Cr％P％S％Cr12MoV1.45~1.70≤0.040≤0.04011.5-13.0≤0.03≤0.032.3Cr12MoV冷模具钢的常规球化退化工艺由于本次试验设计是在普通球化退火的基础上加上电脉冲工艺来做的，所以必须对常规的工艺路线图了解清楚，在加脉冲的时候，注意缩短加热温度后的保温时间和等温保温时间。以此为参考设计出电脉冲下的球化退火热处理新工艺路线图。在传统热处理当中经常用的Cr12MoV冷模具钢退火热处理工艺路线如图1所示。图1Cr12MoV冷模具钢普通球化退化工艺路线图3实验原理退火是应用非常广泛的一种热处理。在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火经常作为预先热处理工序，安排在铸造或锻造之后、切削（粗）加工之前，用以消除关一工序所带来的某些缺陷，为接下来的工序作准备。例如在铸造或锻造等热加工以后，钢件中不但存在残余应力，而且组织粗大不均匀，成份也有偏析。这样的钢件，机械性能低劣，淬火时也容易造成变形或开裂。经过适当退火可使钢件的组织细化，成份均匀，应力消除，从而改善机械性能并为以后的淬火作好准备。同时经过退火后还可以使钢件硬度达到170～190HBS左右，而且比较均匀，从而改善了钢件的切削性能。根据钢的成份和工艺目的不同，退火操作可分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火等。球化退火主要应用于过共析碳钢及合金工具钢（如制造刀具、量具、冷模具用钢等），一般情况下过共析钢的组织为层片状的珠光体秘网状的二次渗碳体组成，不仅珠光体本身较硬，而且由于网状渗碳体的存在，更增加了钢的硬度和脆性。这不仅给切削带来困难，而且还会引起淬火时产生变形和开裂。为克服这一点，在热加工之后必须安排一道球化退火工序，使网状二次渗碳体及珠光体中的层片状渗碳体都发生球化，变成球状（粒状）的渗碳体，即“球化体”。其主要目的是为了降低硬度，改善切削加工性，细化均匀组织提高材料的力学性能，并为以后的淬火热处理做好准备。球化退火是应用于过共析钢及合金工具钢的一种退火方法。将钢加热到Ac1(20～30℃)然后缓冷下来。随炉冷却到略低于Ar1(20～40℃)的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。和普通球化退火相比，球化退火目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。4实验准备4.1实验材料目前，我国模具选材用钢较为广泛，除了工具钢（碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢）外，还有轴承钢、弹簧钢、调质钢、渗碳钢、不锈钢等，钢种达数十种之多，但常用的只有二十余种，而用量最多的只有八种：Cr12、Cr12MoV、CrWMn、3Cr2W8V、5CrMnMo、SCrNiMo、45、40Cr。据统计，这八个钢号年用量占我国模具钢年总用量的80%。根据老师的指导和自己认真的查找资料，统计资料表明，因选材和热处理工艺不当，造成模具早期失效的情况约占失效总数的70%。因此，合理选材，正确制订热处理工艺，对于延长模具使用寿命起着关键作用。综合考虑材料来源、价格等因素，国内常用Cr12系列钢制作为常用冷作模具钢。Cr12系列钢主要有Cr12、Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV等3种，其中以Cr12MoV和Cr12,应用最为广泛。材料具有高的淬透性、强度和耐磨性，但它们属于莱氏体钢，含有大量的一次、二次碳化物，且偏析很大。最终在导师的审核通过的情况下，选用的试验材料是常用冷模具钢中的Cr12MoV冷模具钢属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、冷镦模的重要材料，其消耗量在冷作模具钢中居于首位。Cr12MoV冷模具钢有较高的含碳量，且加入少量Mo、V，因此在其他性能相当的情况下有较好的热加工性，较好的冲击韧性和较好的碳化物分布，此钢多用于制造冷切剪刃、切边模、量规、拉丝模、挤压成型模、搓丝板、丝锥、螺纹滚模以及要求高耐磨的冲压模等模具。模具在生产过程中的使用寿命取决于选用的材料及热处理的性能，一般合金工具钢的淬透性好，热处理后的性能均比碳素工具钢好，即使使用这种优质的模具钢，由于热处理工艺、原材料碳化物分布形态。Cr12MoV钢是我国刀具材料的主选钢种，由于其卓越的性能，已发展应用到模具工业，成为制造高精度、高耐磨冷作模具，以及制造温挤、热挤、塑料等模具的理想材料。Cr12MoV系列钢网状共晶碳化物通过普通的热处理很难消除，必须在锤上反复镦拔，才能使其细化、均匀。但锻后应进行球化退火，目的是降低硬度、消除应力、细化均匀组织，而且还可以减少最终热处理的变形和开裂倾向。处理后组织为珠光体和粒状碳化物。通过资料查出Cr12MoV冷模具钢的临界温度Ac1（钢在加热时珠光体向奥氏体转变的实际温度线）的温度是810℃，Acm（钢在加热时渗碳体向奥氏体溶解的理论温度线）的温度835℃。Ar1（冷却时奥氏体向珠光体转变的实际温度线）的温度是755℃。根据球化退火规范，确定奥氏体化加热温度是830～850℃，等温温度是720-740℃。Cr12MoV冷模具钢的临界温度表2。表2Cr12MoV冷模具钢的临界温度临界点Ac1AcmAr1Arcm温度（近似∕℃）810835755770本次实验所用的材料Cr12MoVCr12冷模具钢，是与老师研究后决定的，老师帮助我联系好购买材料的厂家，然后我利用周末的时间去厂家进行购买，到那之后，我与老师联系看看需要购买多大规格的材料试样，最后我们决定购买直径为10mm规格的Cr12MoV冷模具钢试样。由于一些原因原来实验室的设备上一些零件丢失，我在这次购买材料时，我还购买了以下材料：铁丝、石棉、石棉板等。4.2实验仪器考虑到热处理试验后还要对磨出材料的金相组织，除了捆绑工件的铁丝，钳子等工具之外，还要有进行粗磨时的各种型号的砂纸，抛光液，及40%的销酸侵蚀液和用来堵箱式电阻炉炉门的耐火材料板。本试验选用主要的试验仪器设备有以下几种：SXZ—25—12高温箱式电阻炉如图2所示脉冲电场发生器，放大器及导线HR—1500洛氏硬度测试机预磨机和金相试验抛光机和金相显微镜试验过程经过老师的指导选取脉冲电压为800伏，脉冲频率是50HZ，通电脉冲时间是5min。.4．2．1与脉冲电场发生器连接的放置工件的方式在本次毕业设计的实验中，我做的题目中所用的脉冲发生器是大功率的，为了不让其他因素对实验有影响，所以我用两根铁丝分别绑在试件的两端，然后放进电阻炉里加热，将两根铁丝露在电阻炉的外面，以便通脉冲电流。如图2图2箱式电阻炉连接方式示意图4、2、2制作SXZ—25—12高温箱式电阻炉的炉门由于原有炉门的保温性不太好，所以在这次毕业设计实验中，我的任务比较重，所有的实验所用的材料和设备上所需要补充的，我都要亲手去做，就说这个炉门吧，我用了快三天的时间才把它做出来，具体的步骤是这样的，我先把炉门的具体尺寸测量出来，然后按尺寸进行裁剪。刚开始裁的时候尺寸把握的不到位裁坏几个，由于实验中要用到两个SXZ—25—12高温箱式电阻炉，所以必须做出两个完全配合的两个炉门，所用的材料是石棉，石棉中含有玻璃丝，不小心弄到身上会很难受的，这是必须注意的。4、2、3预磨机预磨机是一种湿式磨光机，它利用各种不同粒度的抗水砂纸，对各种金属及其合金的试样进行抛光。采用本预磨机，除以机械磨光代替手工操作提高制备试样的效率以外，还能完全除去试样切割过程中产生的塑性变形和表面加热痕迹，供进一步抛光后进行组织的显微测定。预磨机在工作时，将清水不断注入旋转的磨盘中，抗水砂纸在下面的水因离心力的作用被抛出盘外，砂纸在大气压的作用下可以自由地伸缩从而紧贴在磨盘上，因而无须将砂纸粘结或夹紧，使用及更换十分方便。预磨机由铝铸件构成的底座、磨盘、和塑料压制的磨光罩及盖等基本部件组成，底座上安装有两个磨盘，可供两人同时操作。4.2.4金相试验抛光机金相试验抛光机适用于对经磨光后的金属材料进行抛光，可获得光亮如镜的金属表面，供在显微镜下观察与测定金相组织。抛光机由焊接支架、工作台面、抛光盘、抛光织物、抛光罩及开关盒等基本元件组成。工作台面上安装有两个抛光盘，可供两人同时操作，使用十分方便。两台电动机都置于工作台面下部，通过固定片与台面连接。固定抛光盘用的锥套通过螺钉与电动机轴相连。抛光织物通过套圈紧固在抛光盘上，电动机的起停可分别由安装在开关盒上的开光进行控制，电机起动后，便可用手对试样施加压力在转动的抛光盘上进行抛光。抛光过程中加入的抛光液可通过固定在台面上的塑料盘中的排水管排出。抛光罩及盖可防止灰尘及其它杂物在机器不使用是落在抛光盘上而影响使用效果。4.2.5金相显微镜金相显微镜是主要用来观察金相组织的专业仪器，同时可以观察不透明物体表面的状态。具有稳定性好、成像清晰、分辨率高、视场大而平坦的特点。鉴别和分析各种金属和合金的组织结构，可以广泛地应用在工厂或实验室进行铸件质量的鉴定。原材料的检验或原材料处理后金相组织的研究分析等工作。实验过程球化退火时要综合考虑炉子大小，装炉量，工件尺寸等因素对试验误差的影响，有关手册中的经验公式可供参考。退火冷却温度对碳化物形状基本影响不大，可是对碳化物的弥散程度；冷却速度大，其弥散程度也大。一般生产中多选用20℃～50℃/h的冷却速度，冷却到500℃～600℃后出炉空冷。将材料切割成Ф10mm×100mm的试样5根，其每根重量为0.065Kg.试验用设备为箱式加热电炉和脉冲电场发生器。选取脉冲电压为800V，频率为50Hz。将脉冲电场发生器金属导线按顺序分别连接在预先做好的放置工件的装置的金属铁丝上，并把工件试样按不同的堆放方式放入放置工件的装置中，然后连同工件和装置一并装入箱式加热炉内加热至（830-850℃）经5min后施加脉冲5min，保温2-3h,随炉冷至（720-740℃）经5min后再加脉冲5min,保温3-4h,等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。然后按同样的加热方法实现施加脉冲电流不同时间的球化退火工艺，工艺曲线图如图3所示。图3Cr12MoV冷模具钢脉冲球化退化工艺曲线图本次实验的主要内容就是在不同的脉冲电流下，Cr12MoV冷模具钢脉冲球化退化的组织和性能分析，具体的电流大小有以下几种：一、3A；二、5A；三、7A；四、9A。这只是电流的要求不同，电流大小的不同将对在退火处理方面金属材料的组织有一定的影响。5工艺过程棒料放入炉中加热至850℃通电5min棒料放入炉中加热至850℃通电5min保温2-3h炉冷至750℃通电5min保温3-4h炉冷至500℃出炉空冷磨平抛光观察组织测试硬度把本次实验是用SXZ—25—12高温箱式电阻炉进行实验的，在进行实验之前所有的前序工序都的做好，比如工件的制备，电阻炉炉门的制作等等。在进行实验前还的检查电路是否接好？电路是否通电等一些问题，等这些问题都解决了，我就开始做实验，首先把工件放入到预先做好的装置中，然后把装好工件的装置放入到电阻炉内，接好电路，打开电源进行加热，并加热至850℃后，通入脉冲电场，时间为5min，随炉冷却至750℃后，再通入脉冲电场，时间为5分钟，保温3-4h，保温后随炉冷却至500℃左右出炉空冷，接下来就是对试样进行组织和硬度的观察和测试。现在我就对试样的组织观察和硬度的测试做以下陈述。我先把试样的表面在预磨机把进行预磨，磨好后再用金相试验抛光机进行抛光，接下就是在金相显微镜观察试样的组织，还要用HR—1500洛氏硬度测试机进行硬度测试，看看试样的硬度是否在规定的硬度值内。所有的工艺内容就这些，因为实验是多次才能完成的，然后按照同样的加热方法施加不同时间的脉冲电压球化退火工艺。6金相显微试样的制备利用金相显微镜，把专门制备的碳钢试样放大100～1500倍后进行观察，以研究内部组织和缺陷的方法，称为金相显微分析法。金相显微镜下所观察到的金相组织，称为“显微组织”（或“金相组织”）。金相显微分析可以显示金属材料内部的组织特征，测定金属晶粒的大小，鉴定金属中的非金属夹杂物，测定化学热处理渗层的深度，因此它是研究金属材料最基本的实验技术。6.1金相显微试样的制备金相显微分析时，要在金相显微镜下观察到所研究的金属材料的组织，必须将其制成专门的“金相显微试样”。金相显微试样的制备过程包括：取样、镶样、磨光、抛光、侵蚀等工序。6.1.1侵蚀钢铁材料常用的侵蚀剂为3～4%硝酸酒精溶液或4%苦味酸酒精沉沦。侵蚀时间应适当，时间太短则侵蚀不足，组织不能充分显示；时间过长，则试样表面过于发暗，组织也显示不清。侵蚀后应立即用清水冲洗，用吹风机吹干。这样制的金相试样即可在显微镜下进行观察。试样侵蚀后之所以能显示内部的组织，主要是侵蚀剂与试样表面之间产生了化学溶解作用及电化学作用。对于两相或两相以上的合金来说，侵蚀主要是一个电化学腐蚀过程。合金中的两个组成相具有不同的电极电位，在侵蚀剂中两相之间就形成了无数对“微电池”，具有较高正点位的相成为阴极，在正常电化学作用下不受侵蚀，保持原有的光滑平面；具有较高负电位的相成为阳极，而易迅速溶入侵蚀剂中，因此使试样表面呈凸凹不平。当光线照射到此凸凹不平的表面时，由于各处光线反射的程度不同，在显微镜下就能观察到不同的组织和相。6.2金相试样制备把做好的试样按以下工艺路线进行金属试样制备，在老师的帮助下用400X显微镜观察金相组织并拍照如图5所示：金相试样制备：取样→预磨（280#→600#→1000#）→抛光→水冲→侵蚀→水冲→吸干观察。通过查找资料，找出了在常规热处理中普通等温球化退火下的Cr12MoV的金相组织显微组织图如图4所示。图4普通等温球化退火的显微组织（400X）图5850℃电脉冲下球化退火组织（400X）7脉冲处理技术7.1电脉冲原理利用LC振荡电路原理，先用高压电源对一组电容器进行充电，将电容器与一个电感线圈及处理室的电极相连，电容器放电时产生的高频指数脉冲衰减波即加在两个电极上形成高压脉冲电场。按最简单的理解来说就是利用特定的高频高压变压器得到持续的高压脉冲电场。7.2脉冲电流对金属组织变形的影响20世纪90年代以来，人们开始研究脉冲电流对金属材料超塑性的影响。具有超塑性的金属材料的晶粒是等轴的，当受到外来拉力时，晶粒沿等轴晶界滑移，使金属材料具有超常的塑性。脉冲电流作用于合金的过程中，脉冲电流促进原子扩散,引起应力松弛，协调了晶界滑动，使空洞的形成和长大得到抑制。施加脉冲电流使晶内运动位错数量及阻力增加，导致流变应力增大。同时由于脉冲电流增大原子扩散速度，使晶界处位错的攀移速度增加，降低晶界处的应力集中，抑制晶界处空洞的形成和长大，避免了试样过早断裂。电脉冲处理技术在材料研究领域的应用与电迁移理论的发展密切相关[1]。金属中的电迁移(Electromigration)或电输运(Electrotransport)现象早在19世纪就已经被发现，但是关于电流对金属材料组织和性能影响的研究直到近一个世纪之后才系统地开展起来。实验研究发现，电脉冲能够对金属材料的组织转变和性能产生诸多影响，脉冲电流处理可以使材料局部发生动态回复和动态再结晶，使晶粒在超塑变形中趋于等轴状态，从而改善材料的塑性。电脉冲处理能显著改善合金的塑性、韧性和强度。许多专家给予出上述现象的原因主要是由于电流通过金属时，电子流与位错间存在相互作用，相互的拖曳而使晶粒破碎，而达到，细化材料晶粒组织的目的，进而提高其塑性变形能力、韧性和强度。电脉冲对非晶合金晶化和金属材料再结晶的影响非晶合金中通过电流时，自由电子定向运动,通过与非晶中的原子发生碰撞，把动能传递给原子，使原子无规则热运动加剧。脉冲电流作用于非晶合金导致非晶结构弛豫，提供给非晶中原子额外冲力作用，使非晶中n型缺陷受到自由电子运动的周期性排斥，促进了空位的迁移与湮灭，提高基体金属相的形核率。许多的国内专家学者晁月盛，鄂洪儒等就高密度电脉冲对Fe2Si2B非晶合金晶化过程的影响进行了系列研究[3，4]。脉冲电流处理明显促进了非晶合金的晶化。再结晶的发生依赖位错的回复与原子扩散，脉冲电流能够影响材料中的位错运动和原子扩散，从而会对材料的再结晶过程产生影响。对超塑变形中的铝锂合金，施加脉冲电流。脉冲电流通过促进位错滑移和原子扩散，加快位错攀移进入晶界，增大亚晶角度，通过加快位错回复而加速再结晶形核和提高再结晶形核率。同时通过加速位错在晶界上的攀移及消失，减小形核界面两边的能量差而降低形核界面的迁移速率及再结晶核心的长大速率，进而减小完全再结晶的晶粒直径[5]。不仅塑性变形中的金属再结晶受到电脉冲的影响，单晶体经高密度脉冲电流处理后，其再结晶行为也产生了变化[6]。高密度电脉冲处理造成位错的局部湮灭会增大位错分布不均匀区域的位错密度梯度进而形成再结晶的晶核，并且由于位错在不同方向上进行的难易程度不同，导致晶粒各向长大尺寸有所区别。由于电脉冲作用时间短，新形成的晶核没有足够的时间长大，形成了尺寸较小的再结晶晶粒。因此，经脉冲电流处理后，在单晶体中形成了形状不同，尺寸较小的再结晶晶粒。脉冲电流处理可以使材料局部发生动态回复和动态再结晶,使晶粒在超塑变形中趋于等轴状态。电脉冲处理能显著改善合金的塑性、韧性和强度，目前一般认为上述现象的出现主要是由于电流通过金属时，电子流与位错间存在相互作用，拖曳位错运动，降低流变应力，进而提高其塑性变形能力，细化材料晶粒组织。正因为如此，才选用电脉冲这一新型的热处理工艺来进行本次的试验。7.3电脉冲对材料力学的影响H.Conrad等就脉冲电流对多晶金属和α2Ti疲劳性能的影响进行了研究。所得结果为，脉冲电流能够提高多晶金属的疲劳寿命。认为高密度脉冲电流处理对驻留滑移带(PSB)中的位错运动或次滑移带中的位错运动有影响，从而提高了滑移带的均匀性，脉冲电流对疲劳寿命的影响随所加应力的降低而增加。对α2Ti的低周疲劳来说，脉冲电流不仅能降低疲劳初期的软化速率，而且可以消除软化过程中的硬化峰，电脉冲增强了位错运动，促进了低能位错Patch结构的形成。含驻留滑移带的取向的疲劳金属单晶体经高密度脉冲电流处理后,PSB的分布状态趋于均匀，由于电脉冲处理明显改善了PSB-基体界面的应力集中状态,使驻留滑移带局部消失。电脉冲对金属材料性能的影响疲劳寿命的可能性进行了理论计算，得到了肯定的计算结果。金属材料的力学性能与材料的组分和晶粒度密切相关。一般来讲,细小而均匀的组织能够使材料在受力时有较好的协调变形能力，使材料获得很好的综合力学性能。因此提高材料综合力学性能的改性研究，多集中在细化、均匀化的材料组织，以及保持细化后组织的稳定性方面。实验研究发现，金属凝固过程中的脉冲电流处理能够改善组织的均匀性,细化凝固组织，并能在一定程度上改善材料中宏观缺陷的分布情况，从而提高材料的综合力学性能。周亦胄等就电脉冲处理对固体金属材料力学性能的影响进行了研究。实验发现，电脉冲处理可以细化低碳微合金钢的晶粒，且细化后的组织具有较好的热稳定性。晶粒细化后,钢的综合力学性能得到提高。冷加工经脉冲电流处理后，得到比常规等温退火处理更细更均匀的晶粒组织，其综合力学性能有所提高。另外，当前热处理技术主要是围绕着提高产品性能，节能、无氧化、减少公害、保护环境，减少零件变形，降低成本，提高经济效益等方面进行积极探索，并已取得了许多成果，出现了一些新型工艺。其中电脉冲就是新工艺当中被众多研究者关注的一种。因此电脉冲处理技术得到了许多材料科学工作者的关注，广泛地应用于材料的制备和性能改善。利用脉冲电场应用于热处理而成为新型的工艺应用。电脉冲热处理工艺参数在国内，到目前为止还正在探讨研究之中。但是由于脉冲电场的应用能使材料获得更好的机械性能，在国内外都受到了相关学者的研究兴趣。其相关热处理参数的优化也正在探讨之中。8实验结果与分析8.1加热温度对钢组织性能的影响钢在铸态下的原始组织对使用性能影响很大，其中碳化物分布不均匀起着重要作用。钢在热加工过程中，随着温度的升高，共晶碳化物被破碎，呈网状分布的碳化物变成颗粒状的碳化物并沿着变形方向延长产生了带状或片状碳化物。Cr12MoV冷模具钢的碳化物不均匀性包括网状共晶碳化物和带状或片状碳化物。网状共晶碳化物存在使钢的强度和韧性明显降低。带状碳化物使钢材的力学性能和物理性能出现明显的各向异性。从普通退火工艺的显微组织（图4）上来看，Cr12MoV冷模具钢经常规工艺等温退火后，硬度为160～190HB左右。如图7所示的明显效果,采用加入电脉冲的新工艺，经850℃加热,750℃等温退火后，Cr12MoV冷模具钢显微组织碳化物效果明显提高且分布均匀细小，碳化物形状钝化，硬度降到180HB，甚至更低。相比而言是理想的球化退火组织。比常规退火后的硬度低，更有利于切削加工。完成了本次试验要求的任务。电脉冲球化退火工艺后Cr12MoV冷模具钢的硬度测试值如表3中所示。由表3中可知在本次试验中所要考核的硬度指标中出现极大值或极小值。由于本次实验的主要任务是在于脉冲电流不同的情况下，Cr12MoV冷模具钢在脉冲球化退火中的组织和性能的变化。现在我就举例说明这个问题，如图c、d、e、f所示的Cr12MoV冷模具钢在850℃下电脉冲球化退火的组织。图a毛坯工件图b普通球化退火图c脉冲电流3A处理图d脉冲电流5A处理图e脉冲电流7A处理图f脉冲电流9A处理对于图a来说，组织中的晶粒有些粗大，图b的组织中晶粒就有一定的变化，晶粒细化了很多，图c的组织中晶粒变化就更大，其中图d的组织中晶粒更均匀一些，比图e、图f更好。表3Cr12MoV普通等温球化退火处理和脉冲电场等温球化退火处理工艺参数对照表试件名称电流大小热处理方法加热温度℃保温时间min120-180保温温度℃730-750保温时间min180-240脉冲电压V脉冲频率Hz脉冲时间min硬度HBS160-190Cr12MoV毛坯试件191Cr12MoV普通处理850150750180800171Cr12MoV3A脉冲球化850150750180800505181Cr12MoV5A脉冲球化850150750180800505179Cr12MoV7A脉冲球化850150750180800505182Cr12MoV9A脉冲球化8501507501808005051838.2加热温度对力学性能的影响Cr12MoV冷模具钢经常规工艺等温退火后，硬度为191HB。由于Cr组织中存在大量的共晶碳化物、过共析钢碳化物和共析碳化物(在退火组织中约占15%～17%，在淬火组织中约占12%)。在冶金过程中,由于共晶碳化物沿奥氏体晶界呈网络状析出,颗粒粗大，在以后的轧制过程中碳化物网和晶粒会不同程度被破碎，沿轧制方向不同程度呈带状分布。一般情况下，轧压的变形量越大,碳化物的破碎作用愈显著,所以钢厂提供的轧材直径越小，碳化物的晶粒分布越均匀。大量实践证明，Cr12MoV冷模具钢中碳化物形态是影响钢的机械性能、工艺性能和实用性能的最重要因素之一。不均匀的碳化物分布将导致机械性能的降低，模具使用时容易产生折断、崩刃现象。采用改进的工艺，经840℃加热，720℃等温退火后,硬度降到183HB以下，比常规退火后的硬度低，更有利于切削加工。改进退火工艺后Cr12MoV冷模具钢的硬度测试结果如图6所示。由图6可见,加热温度在840℃附近，对应的硬度值最低，当温度高于940℃以后，随着退火加热温度的升高，钢的硬度值增加。这主要是由于随着加热温度的升高，未溶碳化物数量减少，造成720℃等温时，粒状碳化物析出数量也随之减少。从图4的金相组织分析也可以看到，当退火加热温度在840℃以下时，组织中析出的粒状二次碳化物的数量随加热温度的增加而增加，而且与常规退火相比，析出的粒状二次碳化物颗粒细小，数量多，碳化物分布也更均匀。当退火加热温度达到980℃时，大部分碳化物溶解，析出的粒状二次碳化物的数量急剧减少，奥氏体化温度越高，未溶碳化物越少，由于碳化物溶解导致球化困难，使球化效果变差。金属材料的力学性能与材料的组分和晶粒度密切相关。一般来讲，细小而均匀的组织能够使材料在受力时有较好的协调变形能力，使材料获得很好的综合力学性能。因此提高材料综合力学性能的改性研究，多集中在细化、均匀化的材料组织，以及保持细化后组织的稳定性方面。实验研究发现,金属凝固过程中的脉冲电流处理能够改善组织的均匀性，细化凝固组织,并能在一定程度上改善材料中宏观缺陷的分布情况，从而提高材料的综合力学性能[9]。周亦胄等就电脉冲处理对固体金属材料力学性能的影响进行了研究[10,11]。实验发现，电脉冲处理可以细化低碳微合金钢的晶粒，且细化后的组织具有较好的热稳定性。晶粒细化后，钢的综合力学性能得到提高。冷加工黄铜经脉冲电流处理后，得到比常规等温退火处理更细更均匀的晶粒组织，其综合力学性能有所提高。Cr12MoV冷模具钢锻件在电脉冲等温球化退火下，在退火加热过程中两段充分等温保温，大大改善了Cr12MoV冷模具钢中碳化物的形态与分布，从而为Cr12MoV冷模具钢加热淬火的最终组织和力学性能的优化奠定了基础;在此基础上，更进一步优化了Cr12MoV冷模具钢的组织和性能，进而使Cr12MoV冷模具钢拉丝模和冷冲模的使用寿命大大提高。图6加热温度极限变形图8.3组织转变过程图Cr12MoV冷模具钢经过加热获得奥氏体组织后，如果在不同的冷却条件下，最后得可使钢获得者得不同的力学性能。同样的钢，加热条件相同，但由于冷却条件不同，它们在性能上会产生明显的差别。将钢加热到奥氏体化后冷却到相变点以下的温度区域间内等温保持时，过冷奥氏体所发生的转变称为等温转变。如下图7可知在A1以上是奥氏体稳定区域，图中虚线左边的C线为过冷奥氏体转变的开始线，右边的为转变终了线，在两C线中间是过滤区，转变正在进行中。在等温转变图下方有两根水平线，Ms分别是上马氏体点，约230℃左右，Mz为下马氏体点，约50℃左右。在等温转变图上的“C”字曲线拐弯处（约550℃）俗称“鼻尖”，孕育期最短，此时奥氏体最不稳定，最容易分解。A——过冷奥氏体；P——珠光体；B——贝氏体；M——马氏体；A1——钢组织转变的临界点；Ms——马氏体开始转变点；Mf——马氏体转变结束点图7碳钢的奥氏体等温转变力学图（TTT曲线图）由于本实验是以球化退火的热处理作为研究对象的，所以在图中主要看的是在A1—550温度范围内。奥氏体等温分解为铁素休和渗碳体的片层状混合物—珠光体，及是奥氏体向珠光体转变。珠光体的力学性能主要取决于片层间距的大小。片层间距越小，则珠光体的塑性变形抗力越大，强度和硬度越高，同时塑性，韧性也有所改善。图6等温转变曲线,当试样快速冷至500℃左右时,形成了不稳定的过冷奥氏体。由于此时过冷度较大，过冷奥氏体的稳定性差，其内存储相当大的能量，快速加热至720℃时,这种能量在720℃被突然释放，加上此时转变温度较高，原子扩散速度较快，因此在较短的时间内完成了由过冷奥氏体面心立方晶格向铁素体体心立方晶格的转变及以未溶的碳化物颗粒为核心的碳化物的球化、聚集过程。在试验中还发现，对T10钢采用这种处理工艺，也可以得到很好的球化效果，在720℃等温都可以得到粒状组织，因此便于实际生产中应用。8.4电脉冲对组织形态的影响图4是常规的球化退火热处理后的显微组织，从图中可以看出珠光休颗粒细化程度较轻，碳化物依然粗大或局部存在带状或片状碳化物，还没有完全的球化。碳化物不均匀导致钢材的磨削性和研磨性差。为改善Cr12MoV冷模具钢中的碳化物不均匀性，人们对Cr12MoV冷模具钢浇铸工艺参数的优化和热加工工艺参数的优化作了大量的试验研究。本试验在严格控制Cr12MoV冷模具钢锻造工艺的基础上，对Cr12MoV冷模具钢锻件进行电脉冲下的球化退火热处理新工艺，获得了如图a、b、c、d所示的效果，经电脉冲等温球化退火的Cr12MoV冷模具钢显微组织为均匀分布的球状珠光体基体和在基体上均匀分布的颗粒合金碳化物及大量弥散分布的颗粒合金碳化物。通过两图对比可以看出经过加上电脉冲的热处理后，碳化物的球化程度、大小、形状和分布均得到不同程度的改善。加入800V、50Hz的脉冲电场，球化退火组织中球化效果明显提高且分布均匀、细小、碳化物形状钝化。短片状碳化物得到了消除和改善。在切削加工前采用电脉冲球化退火处理,使碳化物达到细小、均匀分布，以便进一步机加工成形。大大改善了Cr12MoV冷模具钢中碳化物的形态与分布。结论及存在问题实验结果表明，金属从高温到冷却的过程中的脉冲电流处理能够改善组织的均匀性，细化凝固组织，并能在一定程度上改善材料中宏观缺陷的分布情况，从而提高材料的综合力学性能[14]。在本试验中电脉冲处理可以细化合金钢的晶粒，且细化后的组织具有较好的热稳定性。晶粒细化后，得到比常规等温退火处理更细更均匀的晶粒组织，钢的综合力学性能得到提高。Cr12MoV冷模具钢在球化退火过程中施加脉冲电场，可以明显改善等温球化退火效果，在保证得到良好球状珠光体组织的前提下，使碳化物粒度、形状、分布得到了明显的改善，有利于使基体在淬火后获得马氏体和较好的强韧性，寿命将会得到明显提高。Cr12MoV冷模具钢电脉冲等温球化退火的加热温度可以选较低的加热温度，其保温时间3h减少到2.5h；等温加热温度可以取到720℃，其保温时间4h减少到3.5h。在整个施加脉冲电场球化退火过程中保温时间比常规处理减少4—6h。大大提高了等温球化退火的效率，缩短了生产周期,降低了成本，是一种值得深入研究并具有应用价值和广阔前景的合金工具钢等温球化退火新工艺。本试验存在的问题是在球化退火的组织显微上来看局部的碳化物还不是太均匀，产生的原因可能是在进行试验前原材料没有消除网状碳化物所致。在本次毕业设计中经查资料得知：在本次毕业设计试验中，经查资料得知：若是脉冲电流大小不同，其金相组织中晶粒大小和性能将各不相同。得出的结论是金相组织中的晶粒大小不同，金属材料的机械性能也不同。谢辞本论文设计在老师的严格要求和悉心指导下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，王老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议陈老师为我们制作了实验所用到的功率放大器等仪器，没有这样的关怀和帮助，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向王老师表示深深的感谢和崇高的敬意。在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予了我帮助和指导的所有老师表示由