摘要:从预备热处理、淬火及回火、深冷处理、表面强化处理等方面分析评述了提高Cr12MoV钢模具寿命的热处理工艺措施。

　　关键词:冷作模具钢;热处理;寿命

　　中图分类号:TG162.4文献标识码:A文章编号:1001-3814(2004)10-0046-03

　　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 ,是该钢用户经常遇到且需要解决的问题。模具失效分析表明 ,热处理因素影响最大 ,约占 50% [1,2]。 本文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。

　　1 改进预备热处理

　　Cr12MoV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[3]。或在精加工前增加一道调质工序[4]。也可利用锻后余热直接进行球化退火或循环球化退火[5]。

　　Cr12MoV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。

　　例如,Cr12MoV钢增加一道调质工序 (1100℃加热淬火+700℃回火)后进行1000℃淬火及200～220℃回火处理 ,不仅使碳化物的粒度、形状、分布及球化程度较常规工艺处理有显著改善 ,而且性能上ebb提高20%,Tk值提高15%。用此工艺处理的Cr12MoV钢落料模 ,凸凹模刃口件总寿命达 150万次 ,寿命提高5倍。 失效后取样金相检查 ,碳化物不均匀度为1级[6]。轧丝机上用于轧制梯形丝杠的Cr12MoV钢轧丝模 ,采用常规1020℃淬火、 250℃回火 ,模具寿命只有几百件 ,都是脆性断裂失效。在精加工前增加一道调质工序(850℃预热、1120℃加热淬油、760℃高温回火) ,然后在1020℃加热 230℃分级淬火、400℃回火2次,硬度为57～58HRC,模具寿命达 2000多件 ,达到了进口模具水平[7]。

　　2 改进淬火及回火

　　Cr12MoV钢最终硬化处理分为“一次硬化处理”和“二次硬化处理”。一次硬化处理是指低温淬火 (～1000℃)与低温回火(～200℃);二次硬化处理是指高温淬火(～1100℃ )与高温回火(～500℃ )。研究与实践表明 ,Cr12MoV钢经一次硬化处理后,硬度高(60～62 HRC)、耐磨、晶粒细小、韧性好、淬火变形小,且残留奥氏体(AR)量适度,是较佳的常规强韧化处理工艺。

　　Cr12MoV钢经过改锻及预处理,碳化物的粒度、形状、分布得到改善 ,但还是有个别碳化物尺寸较大且有棱角,降低了钢的断裂韧性。如果一次硬化处理时,在特定温度如800℃左右充分预热 ,使不均匀分布的碳化物特别是大块尖角形碳化物不断分解、扩散,有利于形成大量高度弥散分布的形核中心 ,使随后淬火时有利于形成高度弥散分布的细粒碳化物 ,能有效提高钢的强韧性和模具使用寿命。如Cr12MoV钢经特定温度预热 ,1000℃淬火、200℃回火,组织为细针状回火马氏体+均匀弥散分布的碳化物+少量小块状碳化物及少量AR,使其拉丝模的寿命提高近1倍[8]。Cr12MoV钢经800～850℃预热 ,1020～1050℃加热淬火,2次160～180℃低温回火,使用效果较好[9]。

　　如果Cr12MoV钢未改锻 ,采用固溶双细化处理[3],即500℃及800℃左右二级预热,1100～1150℃固溶处理 ,淬入热油或等温淬火,750℃高温回火,机加工后960℃加热油冷后进行最终热处理 ,也可使碳化物细化、棱角圆整化,晶粒细化。

　　Cr12MoV钢强韧性不足,还与淬火温度较高,奥氏体晶粒较大,使随后淬火后的马氏体粗大有关。如果Cr12MoV钢通过低温加热,等温淬火,先形成适量的的B下组织,割裂了原奥氏体晶粒,使随后形成的针状M细化;且B下易在未溶碳化物与基体的界面处形成,本身韧性也较好,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,使强韧性增加。例如Cr12MoV钢经520℃×12 h预渗氮、1000℃×10min扩氮、260℃×4h等温淬火 ,并于230℃×2h回火的复合强韧化处理,得到适量的B下与M的复相组织,扩氮层显微硬度达900～1000HV ,心表硬度过渡均匀,可使模具寿命提高一个数量级[10]。文献[11]针对Cr12钢也提出了在850℃预热、1030℃加热、280℃等温淬火、200℃回火的复相强韧化处理工艺。等温时得到7%～10%的B下与M的复相组织 ,具有最佳的耐磨性与冲击韧度的搭配 ,使Cr12钢自行车把节头冷镦模寿命提高3～4倍,对Cr12MoV钢同样有借鉴意义。

　　3 增加深冷处理

　　Cr12MoV钢经常规1020～1040℃淬火, AR量较多,约30%左右[12,13] ,硬度、耐磨性不足,且易出现磨削裂纹 ,使模具提早破坏。深冷处理过程中,由于AR转变成M,以及超细碳化物析出,使钢的硬度、冲击韧度及耐磨性都得以提高 [2,13] ,从而显著提高其力学性能和模具寿命,属于简单易行的强韧化热处理工艺。例如:

　　(1) Cr12MoV钢经1030℃加热淬火,180℃回火,-196℃深冷处理,再200℃回火,其TK 值比常规热处理提高 21% ,使扇形冲压模具的寿命提高1.5～2倍[14]。

　　(2) Cr12MoV钢经1030℃淬火,100℃回火 ,-160℃深冷处理 2 h,500℃回火两次 ,与常规处理相比,其冲击韧度变化不大,硬度提高1～2 HRC,ebb提高约5%,耐磨性大幅度提高 ,可使 M12螺母冷镦模寿命提高2倍[15]。

　　(3) Cr12MoV钢1060℃淬火并深冷处理后 ,400℃回火硬度仍可保持 60 HRC;而常规淬火后 ,要保持60HRC的硬度 ,回火温度不能超过200℃。采用1060℃淬火 ,-196℃深冷处理和400℃回火的M16螺母六方冷镦冲模的使用寿命比常规工艺处理的模具提高 8～9倍[16]。

　　(4)Cr12MoV钢经1000℃加热 ,300℃分级淬火 ,180℃回火2次 ,放入液氮中深冷处理 ,取出放入60～70℃热水中急热解冻 ,再在150～200℃回火。经此工艺处理的缝纫机校架冷挤压凹模寿命为未经深冷处理的1.6倍[17]。

　　(5)Cr12MoV钢硅钢片冷冲凹模 ,经1030℃淬火、180℃回火后 ,AR量较多,硬度不够(仅为57.5 HRC) ,耐磨性 不足 ,且易出现 磨削裂纹。经1100℃淬火、液氮深冷处理、520℃回火,能明显降低AR量,平均硬度为67.4HRC,耐磨性增加 ,凹模寿命由原来的9.2万次提高到84.3万次 ,全部为磨损正常失效 [18]。

　　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。例如:Cr12MoV钢淬火后冷到-196℃ ,然后升温至室温后马上343℃×1h回火,油冷 硬度63HRC,收缩率为0.0012% ;Cr12MoV钢淬火后冷到-196℃ ,升至室温后于510℃×1h回火,油冷 ,再重复两次 -196℃、 510℃×1h 回火 ,再经232℃×1h 回火后空冷 ,硬度 59.5HRC,收缩率为0.0002% [19]。Cr12MoV钢经 1040℃真空加热淬火 , 200℃回火后 ,冲模外径普遍减小60～80μm,已无抛光余量 (真空处理前仅留 0.02 mm加工余量) ,经-196℃×4min深冷处理 ,外径普遍增大100μm;再经 230℃回火 ,外径又减小 10～ 20μm,满足了加工要求。冲模经1000℃真空加热淬火,200℃回火后外径变化不大[12]。

　　4 表面强化处理

　　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及其多元复合渗、硬化膜沉积技术等。

　　(1)渗氮及多元复合渗Cr12MoV钢1110℃淬 火、540℃回火2次 ,经 520～540℃渗氮2～6h 后 ,表面硬度1042HV0.1,心部硬度 62.5 HRC; 980℃淬火、180℃回火 ,渗氮 2～6h后表面硬度1120 HV0.1,心部硬度 53 HRC。 耐磨性提高45%～67% [20]。

　　将Cr12MoV钢的渗氮工艺和淬火、回火结合起来的复合强韧化处理 [10]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、减摩及抗胶合能力,而且能加速N的渗入,提高经济效益。Cr12MoV钢经1020℃淬火、 560℃回火 ,然后在 550℃进行 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。Cr12MoV钢牙膏管冷挤冲头采用此工艺处理后 ,平均寿命3.5万件 ,提高 3.5倍[21]。

　　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[22]。

　　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[1]。

　　( 2)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。Cr12MoV钢制落料及拉伸复合凹凸模经 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 1100HV以上 ,模具平均寿命10050件 ,比常规一次硬化处理提高9倍[23]。

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　　声明：本文作者，曹光明 (潍坊学院机电工程系,山东潍坊261061);由德捷力高速钢深冷处理网：www.djlsl.cn，整理发布，如有侵权联系删除!