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一、 原材料

材料名稱：Cr12MoV

前言：Cr12MoV 鋼是典型的模具鋼，大量應(yīng)用在冷作模具上。它經(jīng)熱處理后性能的優(yōu)劣，直接影響模具的壽命和精度，最終影響硅鋼片零件尺寸的一致性，因此研究Crl2MoV鋼的熱處理工藝是提高模具壽命和精度、確保硅鋼片零件質(zhì)量的 研究課題。

二、化學(xué)成份

三、Cr12MoV鋼的性能

1、Cr12MoV鋼是目前國內(nèi)廣泛使用的冷作模具萊氏體鋼之一。組織中有大量共晶碳化物。為了碎化、細(xì)化共晶碳化物，把粗大的枝晶狀共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均勻性，細(xì)化碳化物的粒度，一般在使用中都需要進(jìn)行鍛造和預(yù)先熱處理，以減少碳化物的不均勻分布，為后續(xù)淬火、回火提供優(yōu)良的原始組織。

該鋼具有淬透性好、硬度高且耐磨、熱處理變形小等優(yōu)點(diǎn), 常用于制作那些承受重負(fù)荷、生產(chǎn)批量大、形狀復(fù)雜的冷作模具, 如冷沖、壓印、冷鐓、冷擠壓模等。但該鋼的顯著缺點(diǎn)是脆性大, 常常導(dǎo)致模具的早期失效。因此, 如何提高其強(qiáng)韌性, 防止模具過早斷裂失效, 是該鋼用戶經(jīng)常遇到且需要解決的問題。模具失效分析表明, 熱處理因素影響 ,約占50% 。本文在已有研究的基礎(chǔ)上, 針對熱處理生產(chǎn)中影響Cr12MoV鋼性能的諸因素, 分析評述了提高其模具壽命的熱處理工藝方法和措施。

1、改進(jìn)預(yù)備熱處理

通過改變預(yù)備熱處理使碳化物尖角的局部溶解;而且,溶入基體的碳化物在隨后高溫回火過程中再度均勻彌散析出,使碳化物的形態(tài)、大小及分布得到改善,有利于提高模具的強(qiáng)韌性.例如,Cr12MoV鋼增加一道調(diào)質(zhì)工序(1100℃加熱淬火+700℃回火)后進(jìn)行1000℃淬火及 200～220℃回火處理,不僅使碳化物的粒度、形狀、分布及球化程度較常規(guī)工藝處理有顯著改善,而且性能上Rbb提高20%,Ak值提高15%。用此工藝處理的Cr12MoV鋼落料模,凸凹模刃口件總壽命達(dá)150萬次,壽命提高5倍。失效后取樣金相檢查,碳化物不均勻度為 1級^.軋絲機(jī)上用于軋制梯形絲杠的Cr12MoV鋼軋絲模,采用常規(guī) 1020℃淬火、250℃回火,模具壽命只有幾百件,都是脆性斷裂失效。在精加工前增加一道調(diào)質(zhì)工序Cr12MoV屬于高碳高鉻萊氏體鋼。碳化物含量高,且常呈帶狀或網(wǎng)狀不均勻分布,其形狀、大小及分布對鋼的性能影響很大, 尤其大塊狀尖角碳化物對鋼基體的割裂作用較大, 往往成為疲勞斷裂的策源地。經(jīng)過改鍛, 碳化物被擊碎, 偏析狀況得到有效改善, 但其形態(tài)還不理想, 且鍛后硬度也偏高。因此Cr12MoV鋼鍛后常采用球化退火作為預(yù)備熱處理,以獲得均勻、細(xì)小的球形碳化物, 降低硬度, 改善切削加工性能, 同時(shí)為后續(xù)淬火做好組織準(zhǔn)備.當(dāng)常規(guī)球化退火工藝效果不理想時(shí), 可采用鍛后調(diào)質(zhì)處理, 即鍛后稍作停留,讓奧氏體回復(fù)和開始再結(jié)晶, 然后立即淬火,700～750℃回火。或在精加工前增加一道調(diào)質(zhì)工序。也可利用鍛后余熱直接進(jìn)行球化退火或循環(huán)球化退火。Cr12MoV鋼一般淬火溫度為 1000～1040℃,而調(diào)質(zhì)的淬火溫度可達(dá)1120℃,高的溫度一方面促進(jìn)了較小碳化物的完全溶解,另一方面也促進(jìn)了大塊碳化( 850℃預(yù)熱、1120℃加熱淬油、760℃高溫回火),然后在1020℃加熱230℃分級淬火、400℃回火2次, 硬度為 57～58 HRC,模具壽命達(dá)2000多件, 達(dá)到了進(jìn)口模具水平。Cr12MoV鋼最終硬化處理分為“一次硬化處理”和“二次硬化處理”。

2、改進(jìn)淬火及回火

Cr12MoV鋼經(jīng)過改鍛及預(yù)處理,碳化物的粒度、形狀、分布得到改善, 但還是有個(gè)別碳化物尺寸較大且有棱角,降低了鋼的斷裂韌性。如果一次硬化處理時(shí),在特定溫度如 800℃左右充分預(yù)熱,使不均勻分布的碳化物特別是大塊尖角形碳化物不斷分解、擴(kuò)散,有利于形成大量高度彌散分布的形核中心, 使隨后淬火時(shí)有利于形成高度彌散分布的細(xì)粒碳化物, 能有效提高鋼的強(qiáng)韌性和模具使用壽命。如Cr 12MoV  鋼經(jīng)特定溫度預(yù)熱,1000℃淬火、200℃回火, 組織為細(xì)針狀回火馬氏體+ 均勻彌散分布的碳化物+ 少量小塊狀碳化物及少量 AR ,使其拉絲模的壽命提高近 1倍 。

Cr12MoV鋼經(jīng)800～ 850℃預(yù)熱,1020～ 1050℃加熱壽命, 屬于簡單易行的強(qiáng)韌化熱處理工藝。例如:

(1) Cr12MoV鋼經(jīng)1030℃加熱淬火,180℃回火,-196℃深冷處理, 再 200℃回火, 其AK值比常規(guī)熱處理提高21%,使扇形沖壓模具的壽命提高 1.5 ～ 2倍。

( 2 ) Cr12MoV鋼經(jīng)1030℃淬火,100℃回火,

-160℃深冷處理 2h ,500℃回火兩次,與常規(guī)處理相比,其沖擊韌度變化不大,硬度提高1～2HRC,Rbb提高約5%,耐磨性大幅度提高,可使M12螺母冷鐓模壽命提高2倍 。

( 3 ) Cr12MoV鋼1060℃淬火并深冷處理后, 400℃回火硬度仍可保持60 HRC;而常規(guī)淬火后,要保持60HRC 的硬度,回火溫度不能超過 200℃。采用1060℃淬火,-196℃深冷處理和400℃回火的M 16淬火,2 次160～180℃低溫回火,使用效果較好。

如果Cr12MoV鋼未改鍛,采用固溶雙細(xì)化處理,即 500℃及 800℃左右二級預(yù)熱,1100～1150℃固溶處理,淬入熱油或等溫淬火,750 ℃高溫回火, 機(jī)加工后 960℃加熱油冷后進(jìn)行最終熱處理, 也可使碳化物細(xì)化、棱角圓整化, 晶粒細(xì)化。

Cr12MoV鋼強(qiáng)韌性不足, 還與淬火溫度較高, 奧氏體晶粒較大, 使隨后淬火后的馬氏體粗大有關(guān)。如果Cr12MoV 鋼通過低溫加熱, 等溫淬火,先形成適量的的B下組織, 割裂了原奧氏體晶粒,使隨后形成的針狀M 細(xì)化; 且B下易在未溶碳化物與基體的界面處形成,本身韌性也較好,可通過自身塑性變形而緩解應(yīng)力集中,有助于降低裂紋萌生及擴(kuò)展,脆斷幾率減小,使強(qiáng)韌性增加。例如Cr12MoV 鋼經(jīng) 520℃×12 h 預(yù)滲氮、1000 ℃×10 min擴(kuò)氮、260℃×4 h 等溫淬火, 并于230℃×2h回火的復(fù)合強(qiáng)韌化處理,得到適量的B下與 M 的復(fù)相組織, 擴(kuò)氮層顯微硬度達(dá)900～1000HV,心表硬度過渡均勻, 可使模具壽命提高一個(gè)數(shù)量級。 針對Cr12 鋼也提出了在 850℃預(yù)熱、1030 ℃加熱、280℃等溫淬火、200℃回火的復(fù)相強(qiáng)韌化處理工藝。等溫時(shí)得到 7%～ 10% 的B下與M的復(fù)相組織, 具有 的耐磨性與沖擊韌度的搭配, 使 Cr12 鋼自行車把節(jié)頭冷鐓模壽命提高 3～4倍, 對Cr12MoV鋼同樣有借鑒意義。

3、增加深冷處理

Cr12MoV鋼經(jīng)常規(guī)1020～1040℃淬火,AR量較多,約30%左右,硬度、耐磨性不足,且易出現(xiàn)磨削裂紋,使模具提早破壞。深冷處理過程中, 由于A R 轉(zhuǎn)變成M ,以及超細(xì)碳化物析出, 使鋼的硬度、沖擊韌度及耐磨性都得以提高,從而顯著提高其力學(xué)性能和模具

螺母六方冷鐓沖模的使用壽命比常規(guī)工藝處理的模具提高 8～ 9倍。

(4) Cr12MoV鋼經(jīng)1000℃加熱,300℃分級淬火,180℃回火2次,放入液氮中深冷處理,取出放入60～70℃熱水中急熱解凍,再在 150～ 200℃回火。經(jīng)此工藝處理的縫紉機(jī)校架冷擠壓凹模壽命為未經(jīng)深冷處理的 1.6 倍 。

( 5) Cr12MoV鋼硅鋼片冷沖凹模, 經(jīng) 1030℃淬火、180℃回火后, AR量較多, 硬度不夠( 僅為57.5HRC ),耐磨性不足,且易出現(xiàn)磨削裂紋。經(jīng)1100℃淬火、液氮深冷處理、520℃回火,能明顯降低AR量,平均硬度為 67.4HRC,耐磨性增加,凹模壽命由原來的 9.2萬次提高到 84.3萬次,全部為磨損正常 _。

深冷處理不僅提高了鋼的強(qiáng)韌性、耐磨性、模具壽命, 而且能穩(wěn)定模具尺寸,改善加工精度及表面質(zhì)量,挽救一些尺寸超負(fù)公差的零件。例如: Cr12MoV鋼淬火后冷到-196℃,然后升溫至室溫后馬上343℃×1 h回火,油冷硬度 63HRC,收縮率為0.0012%; Cr12MoV鋼淬火后冷到-196 ℃,升至室溫后于510℃×1h回火,油冷,再重復(fù)兩次-196℃、510℃×1 h回火,再經(jīng) 232℃×1 h 回火后空冷,硬度59.5HRC ,收縮率為 0.0002%。Cr12MoV鋼經(jīng)1040℃真空加熱淬火,200℃回火后, 沖模外徑普遍減小60～80Lm,已無拋光余量(真空處理前僅留 0.02mm加工余量),經(jīng)-196℃×4 min深冷處理, 外徑普遍增大100 Lm; 再經(jīng)230℃回火,外徑又減小10～20 Lm ,滿足了加工要求。沖模經(jīng)1000℃真空加熱淬火,200℃回火后外徑變化不大 。

四、通過不同熱處理工藝提高硅鋼片冷沖模使用壽命

Cr12MoV鋼制硅鋼片冷沖模的零件如圖一,外形（100X80X20）mm

1、工藝(一)

該冷沖模原來是在箱式高溫電爐處理的,工藝是600℃預(yù)熱60 min,1000℃加熱保溫30min,淬入400℃的硝鹽中10 min,冷卻至160℃保溫30min后，立即轉(zhuǎn)入180℃的熱油中進(jìn)行,時(shí)間為120 min,模具壽命可達(dá)到9.2萬次，見圖（二）

2、工藝(二)

冷沖模的真空熱處理工藝是850℃預(yù)熱50 min,1040℃加熱保溫30 min后淬油,工件入油后立即充普氮?dú)?.6X10⁵Pa,出爐后在普通油爐中180℃回火120 min兩次回火，見圖（三）

硅鋼片Cr12MoV鋼經(jīng)常規(guī)1040℃加熱保溫30 min后淬油后，Ar量較多，約占30%，硬度、耐磨性不足，且易出現(xiàn)磨削裂紋，使模具提早破壞。

3、工藝(三)

冷沖模經(jīng)過真空熱處理預(yù)熱處理860℃保溫50 min ,1100℃保溫30min氣冷,充氮至0.26MPa的壓力冷卻至50℃以下出爐空冷、180℃回火120min、液氮-196℃保溫50 min深冷處理、520℃保溫時(shí)間為90 min真空回火兩次，深冷處理過程中，由于Ar轉(zhuǎn)變成M，以及超細(xì)碳化物析出，使鋼的硬度、沖擊韌性及耐磨性都得以提高，Ar量明顯降低，平均硬度為65HRC，從而顯著提高了Cr12MoV鋼的力學(xué)性能和模具壽命，屬于簡單易行的強(qiáng)韌化熱處理工藝。壽命由原來的9.2萬次提高到84.3萬次，全部為磨損正常失效。

結(jié)論：經(jīng)三種工藝處理后的冷沖模的宏觀硬度雖然都可以達(dá)到62HRC以上，但工藝（三）經(jīng)真空熱處理后的冷沖模增加深冷處理不僅表面光亮而且還有一個(gè)突出的工藝效果，即冷沖模上4個(gè)￠8mm的定位孔變形很小，均在0.02mm以下，這樣經(jīng)真空熱處理后可不研修就可以使用，節(jié)約了工時(shí)，縮短了模具制造周期。而經(jīng)原工藝處理的冷沖模定位孔的變形量均0.05mm左右。真空熱處理還可以杜絕氧化，脫碳層的產(chǎn)生，保證了型腔邊緣等處的硬度，最終使模具壽命大大提高。