Cr12MoV模具鋼應(yīng)用的主要問題和熱處理研究進展

1、黃石市東鑫特鋼有限公司，專業(yè)生產(chǎn)工模具鋼，百年大冶特鋼技術(shù)。QQ：Cr12MoV模具鋼應(yīng)用的主要問題與熱處理研究進展1引言+f氐溫近20年來，我國模具工業(yè)發(fā)展非常迅速，尤其是近幾年模具需求一直以每年 15%左右的速度快速增長，國民經(jīng)濟的高速發(fā)展對模具工業(yè)提出了越來越高的 要求，也為其發(fā)展提供了強大的動力。Cr12MoV岡屬于高耐磨微變形冷作模具鋼, 其特點是具有高的耐磨性、淬透性、微變形、高熱穩(wěn)定性、高抗彎強度，僅次 于高速鋼，是沖模、冷鐓模等的重要材料，其消耗量在冷作模具鋼中居首位。 該鋼雖然強度、硬度高，耐磨性好，但其韌度較差，對熱加工工藝和熱處理工 藝要求較高，處理工藝不當(dāng)，很容易造成模

2、具的過早失效。Cr12MoV岡常用的加工工藝是：下料一鍛造一球化退火一機械加工一淬火 回火一平磨一線切割加工一組裝。質(zhì)艸Cr12MoV岡碳化物級別應(yīng)不大于2級.其化學(xué)成分要求見表1。1 CrlMV訓(xùn):報分(i1.45-L7Or加熱溫度始鍛溫度終溫度&50*900IQWTIOO ltX鍛件終鍛后應(yīng)立即打標(biāo)記并隨爐緩冷（爐膛溫度700C ），嚴(yán)禁空冷或放置在潮濕 的地面上冷卻。為便于后續(xù)加工，鍛件在冷卻后，應(yīng)在 2432 h內(nèi)進行退火處 理.一般采用等溫球化退火。3熱處理工藝3. 1預(yù)處理由于Crl2MoV鋼含有高碳高鉻，其內(nèi)部組織碳化物多，特別是一些形狀不規(guī)則的 碳化物，這些碳化物的邊緣呈尖角狀

3、，尖角的存在極易造成應(yīng)力集中而增加淬 火開裂、磨裂的危險。必然會造成模具的早期脆性損壞。因此，需要對Crl2MoV鋼進行預(yù)處理，預(yù)處理一般有正火、退火、調(diào)質(zhì)、高溫回火、高溫固溶處理+高溫回火預(yù)處理工藝等，其目的是為了改善毛坯的組織.使鋼的淬透性增加，有 利于改善鋼的切削加工性能，為后續(xù)的熱處理工藝做好組織準(zhǔn)備.3. 1. 1球化退火鍛造后最常用的預(yù)先熱處理是球化退火。以便獲得細(xì)小、均勻的球形碳化物分 布。完全退火將使Cr12Mo鋼形成網(wǎng)狀碳化物，而且在最終的淬火、回火過程中 仍能保持，這將使其脆性增加而不能使用。球化退火工藝如圖2所示。球化退火后的組織為索氏體型珠光體+粒狀碳化物，硬度為207

4、255HB.83 卜 870CAcf *8ior720-OTC豈 SftMOOh：鼻I MlI I爐冷 W3(rc/h 疑Wh207-255HB時剛b3. 1. 2調(diào)質(zhì)處理當(dāng)鍛件的碳化物偏析比較嚴(yán)重，常規(guī)球化退火工藝效果不理想時，可采用鍛后 調(diào)質(zhì)處理，即鍛后稍作停留或在精加工前增加一道調(diào)質(zhì)工序，也可利用鍛后余熱 直接進行球化退火或循環(huán)球化退火，調(diào)質(zhì)處理后鍛件能獲得均勻細(xì)致的索氏體 組織，不僅可保證工件最后淬火具有均勻的硬度，而且有利于淬火后減小工件 的變形，增加工件的尺寸穩(wěn)定性。Cr12MoV岡的調(diào)質(zhì)處理工藝見圖3。時閭/mm與球化退火相比，采用高溫調(diào)質(zhì)工藝更有利于碳化物形態(tài)的改變，這是因為高

5、的加熱溫度促進碳化物進一步溶解，原來在低溫下不能溶解的、略大的一些碳化 物可以進一步溶解。一些更大些碳化物也會發(fā)生尖角微溶現(xiàn)象，因為碳化物尖 角處曲率半徑小，與其接近的固溶體碳濃度高，而與平面處（曲率半徑大）相接近的固溶體濃度低，在高溫下碳的擴散過程加劇，必然引起碳的擴散而打破平 衡，導(dǎo)致尖角處的滲碳體溶解，并在平面處析出，使尖角處發(fā)生鈍化（曲率半徑相對變大）。這種尖角形態(tài)的消失或緩解可減輕碳化物呈尖角時易造成應(yīng)力集中 的不利影響。再則高溫下融入碳化物增多，完全溶解了的碳化物在高溫回火過 程中以極細(xì)粒狀均勻析出，又進一步減輕了碳化物存在的不利影響，因均勻分 布的極細(xì)粒狀碳化物不會造成應(yīng)力集中而

6、大大降低了鋼的脆性，增強了韌度， 所以Crl2MoV鋼制模具增加高溫調(diào)質(zhì)工序是提高模具強韌度的重要環(huán)節(jié)。3. 1. 3高溫固溶+高溫回火 對于大型的Crl2MoV鋼冷作模具，還可采用高溫固溶處理 +高溫回火預(yù)處理工藝 （又叫雙重固溶球化處理），其工藝如圖4所示。iioo-iisorI對鍛造模塊直接進行兩次固溶處理，即在鍛造高溫固溶細(xì)化處理后，再進行一 次加熱固溶球化處理，可使球化過程加速，同時又可使碳化物的大小、形狀及 分布得到改善，為最終熱處理提供了良好的組織準(zhǔn)備。3. 1. 4幾種預(yù)處理工藝的比較比較了球化退火、調(diào)質(zhì)處理、高溫固溶淬火 +高溫回火、高溫調(diào)質(zhì)處理這幾種預(yù) 處理工藝的球化效果，

7、發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫固溶淬火十高溫回火和球化退火處理后，碳 化物顆粒細(xì)小，分布均勻彌散，高溫固溶淬火 +高溫回火的球化效果最好。高溫 調(diào)質(zhì)處理得到的碳化物也很細(xì)小，但碳化物的分布效果不如球化退火和高溫固 溶淬火+高溫回火2種工藝?yán)硐?。高溫固溶淬?高溫回火+980C淬火+240r回火 是Cr12Mo鋼最佳強韌化熱處理工藝，在保證硬度較高的條件下，其沖擊功值可達(dá) 3. 04 J比原工藝（球化退火+980C 淬火+210r回火）的沖擊功值1. 69J提高了 80%。3. 2熱處理工藝分類I 102 卜 103冗Cr12MoV岡一般有3種熱處理工藝：一次硬化處理方法（如圖5所示），采用低溫 淬火低溫回火。即9

8、501000r加熱淬火，200r回火；二次硬化處理方法， 采用高溫淬火高溫回火，即1 100 r左右加熱淬火，500-520 r回火；中溫淬 火中溫回火工藝，即1 030 r左右加熱淬火，400r左右回火。方法可獲高硬 度及較高韌度，但抗壓強度低；方法可獲較高硬度及抗壓強度，韌度也好； 方法可獲較高硬度和抗壓強度，強韌度適中。哄fg師嚴(yán)瞥6卜血時間/ h圖5 次硬化處理方法一次硬化處理方法是米用較低的淬火溫度進行淬火。然后進行1-2次低溫回火。選用較低的淬火溫度，晶粒較細(xì)，鋼的強度和韌度較好，鋼的硬度和耐磨性高， 熱處理變形較小。一般淬火液選用淬火油或硝鹽浴，采用單液淬火，也可采用 雙液分級淬

9、火。鋼中的殘留奧氏體量在 20%左右，回火溫度一般為160200ro 回火時間為2-4h，回火以2次為宜，這樣在機加工過程中工件不易開裂。二次硬 化處理方法是采用較高的淬火溫度進行淬火，然后進行多次高溫回火。達(dá)到二 次硬化的目的。經(jīng)二次硬化處理，鋼有較高的紅硬性、耐磨性和回火穩(wěn)定性， 但強度和韌度會稍降低。一般淬火液選用淬火油或硝鹽浴，采用單液淬火或雙 液分級淬火。淬火溫度高，淬火后鋼中有大量殘留奧氏體，硬度比較低，但采用較高的溫度（490-520 C）回火后，工件硬度也可以提高到6062 HRC硬度的 提高主要是由于殘留奧氏體在回火過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。回火一般以3次為宜。二次硬化處理適合于工

10、作溫度較高（400500r）且承受載荷不大或淬火后表面 需要滲氮的模具。采用較低溫度淬火 +貝氏體等溫處理工藝，可使晶粒細(xì)小。提 高模具的抗彎強度和韌度，延長模具使用壽命。一般情況下，C12M 0鋼強度高、塑性低，而下貝氏體組織卻具有較高強度和韌度，下貝氏體斷裂韌度比回火馬 氏體高。最終熱處理時常用貝氏體等溫處理，模具得到較多的下貝氏體，割裂 了原奧氏體晶粒，使隨后形成的針狀馬氏體細(xì)化。下貝氏體易在未溶碳化物與 基體的界面處形成。本身韌度也較好，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展，脆斷幾率減小，使強韌度增加。采用中溫淬火低溫回火，使模具獲得了較高硬度和韌度，同時獲得了

11、高強度， 從而保證了模具壽命。由于中溫加熱可完全奧氏體化，而合金元素未完全熔于 奧氏體內(nèi)，避免得到過飽和馬氏體。采用低溫回火可保證工件所需硬度，二次 回火可使淬火應(yīng)力充分消除。深冷處理在提高模具鋼的力學(xué)性能和延長模具 壽命方面效果顯著，屬于簡單易行的強韌度處理工藝。工模具鋼的深冷處理可 以在淬火和回火工序之間進行或在淬火回火后進行。當(dāng)深冷處理在淬火后立即 進行時，一方面發(fā)生殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，另一方面熱力學(xué)不穩(wěn)定的馬 氏體將析出大量微細(xì)的碳化物，鋼的硬度升高，韌度有所下降。淬火回火后再 進行深冷處理，殘留奧氏體已經(jīng)在回火過程中完成了轉(zhuǎn)變，鋼的硬度只略有升 高或保持不變，由于大量的細(xì)小分散

12、的碳化物由馬氏體中析出，降低了馬氏體 的過飽和度和內(nèi)應(yīng)力，改善了鋼的韌度。次硬化處理結(jié)合深冷處理一般用于 要求獲得高的硬度、良好的韌度及變形較小的模具，如復(fù)雜的凹模、凸模等。二次硬化處理結(jié)合深冷處理一般用于要求獲得高的紅硬性、高的耐磨性、需要 滲氮、工作溫度較高、承受載荷不大的模具。二次硬化處理時，Cr12MoV鋼在同一溫度下淬火后的模具進行一 78C冷處理后，只需在480C回火一次，硬度便可 達(dá)60-62HRC減少了回火次數(shù)，可縮短工藝時間10-15h，節(jié)約電能30%50%, 取得明顯經(jīng)濟效益。Crl2MoV鋼凹模進行液氮深冷加高溫回火處理，使凹模的平 均使用壽命從9. 2萬次提高到84.

13、3萬次，且中間刃磨次數(shù)從1班2次，提高到2 班1次。對一些體積比較大或無法鍛造的模具，可采用固溶雙細(xì)化處理，固溶雙細(xì)化工藝是完全利用熱處理方法，通過高溫固溶使碳化物細(xì)化、棱角圓整化， 通過循環(huán)細(xì)化使奧氏體晶粒超細(xì)化。固溶雙細(xì)化熱處理工藝為：1 130 C真空加熱淬火（高溫固溶）+760 C高溫回火+960C真空加熱淬火（細(xì)化晶粒）+最終熱處 理，工藝曲線見圖6。時間1 130 C高溫淬火。既促進了較小碳化物的完全溶解，也促進了大顆粒碳化物溶 解，鋒利尖角溶成圓角，從而使未溶的碳化物數(shù)量變少。粒度趨于一致。形態(tài) 趨于球粒狀。高溫回火可使高溫淬火后的殘留奧氏體分解，溶入基體的碳化物 再度均勻彌散析

14、出，使碳化物的形態(tài)、大小及分布得到改善。隨后進行的960 C低溫淬火及最終熱處理，使碳化物的粒度、形狀分布及球化程度進一步得到改 善，同時也使晶粒非常細(xì)小。固溶雙細(xì)化處理后的模具使用壽命大大高于傳統(tǒng) 工藝制造的模具（大于2倍），其原因是模具塑性和韌度同步上升。模具鋼經(jīng)真空熱處理后有良好的表面狀態(tài)，變形小，模具表面硬化比較均勻。 主要原因是真空加熱時，模具鋼表面呈活性狀態(tài)，不脫碳，不產(chǎn)生阻礙冷卻的 氧化膜。在真空下加熱，鋼的表面有脫氣效果，因而具有較高的力學(xué)性能，爐 內(nèi)真空度越高，抗彎強度越高。真空淬火后，鋼的斷裂韌度有所提高，模具壽 命比常規(guī)工藝普遍提高。采用高溫鹽浴快速加熱淬火（1 200

15、C保溫10min）。由于快速加熱導(dǎo)致相變點升 高，奧氏體晶粒不易長大，可以細(xì)化晶粒，提高強韌度。由于保溫時間短，在 工件表面達(dá)到淬火溫度時.工件心部尚處于相變點以下.因而可適當(dāng)減少殘留 奧氏體量，減少淬火變形，還可獲得比普通淬火較大的淬硬層深度，有利于提 高模具使用壽命。3. 3熱處理工藝參數(shù)的選擇3. 3. 1預(yù)熱Cr12MoV岡在淬火加熱時需要根據(jù)模具的尺寸大小和復(fù)雜程度進行2次以上的預(yù)熱。以減少模具內(nèi)外的溫差，降低材料的內(nèi)應(yīng)力，有效地改善碳化物的分布形 態(tài)，為淬火時組織和性能的最佳配合創(chuàng)造條件，有效地提高模具使用壽命。如 果在淬火操作時未按材料要求進行預(yù)熱，會使粗大的碳化物組織未能溶入奧

16、氏 體中，影響熱處理后碳化物的重新分布。導(dǎo)致模具產(chǎn)生殘留應(yīng)力，促進了裂紋 的產(chǎn)生與擴展。通過在特定溫度充分預(yù)熱X j在最佳強韌配合淬火溫度區(qū)間（1 0001040C）淬 火?？墒笴r12Mo回火馬氏體細(xì)小、碳化物細(xì)小且均勻分布，不僅為模具淬火作 了組織準(zhǔn)備。而且特定溫度預(yù)熱形成大量高度彌散均勻分布的形核.為有效地 控制殘留奧氏體量提供了條件，從而有利于提咼模具使用壽命。3. 3. 2淬火A函點下Cr12MoV淬火加熱規(guī)范決定了奧氏體的實際晶粒度及碳化和合金元素的固溶度.對馬氏 體的形態(tài)及回火的性能（硬度、強度、塑性、回火穩(wěn)定性、淬火回火時的體積變 形）都有顯著的影響。當(dāng)加熱到Ac1溫度（約81

17、0C）以上時。原始組織索氏體和碳 化物轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和碳化物。隨著加熱溫度升高，合金碳化物繼續(xù)向奧氏體中 溶解.增加了奧氏體中C和Cr的濃度，淬火馬氏體的硬度增加，其耐磨性也越強, 沖擊韌度逐漸升高。但淬火溫度太高，奧氏體中合金元素含量增加，使 降。淬火組織中殘留奧氏體量增加，會導(dǎo)致硬度下降，沖擊韌度下降。鋼淬火溫度與沖擊韌度的關(guān)系見圖7,硬度、殘留奧氏體量與淬火溫度的關(guān)系見 _ dfe孔 兀2012009001000 1100岸火溫度和 軻 M如果鋼的晶粒越細(xì)小，其強度越高，塑性越好，沖擊韌度越高。隨著淬火加熱 溫度的升高，Cr12MoV岡的晶粒逐漸變小，在960r時出現(xiàn)峰值。隨后隨淬火溫 度

18、的升高。晶粒又會逐漸長大。這是因為隨淬火加熱溫度的升高。奧氏體的形 核率和長大速度均增大。但溫度較低時。形核率起主要作用，晶粒越來越細(xì)小.但 當(dāng)淬火溫度升高到一定值時，晶核的長大速度逐漸起主導(dǎo)作用，晶粒越來越粗 大。在960C左右出現(xiàn)了峰值。淬火后模具體積隨淬火溫度變化而變化。這是 由于殘留奧氏體量發(fā)生變化而引起的。淬火后鋼中的殘留奧氏體會使模具表面 尺寸減小，而淬火時馬氏體轉(zhuǎn)變會使模具尺寸增大。正確選擇淬火溫度，殘留 奧氏體可以部分甚至全部抵消淬火時馬氏體轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的尺寸增大。使變形量 最小甚至無變形。加熱溫度控制在1 025 5C。先在820r的中溫中預(yù)冷2min, 然后將工件放置到已經(jīng)預(yù)

19、熱至350-400 r的兩塊鋼板之間，并在壓力機上加壓。 隨即進入260r硝鹽等溫3h，最后空冷，不僅保證了孔徑和孔距，而且表面平面 度也達(dá)到要求。淬火保溫時間對Crl2MoV鋼模具的變形影響較大。保溫時間太短，溶入奧氏體的 合金元素量和碳化物較少，MS降低較少，奧氏體穩(wěn)定性差，淬火后殘留奧氏體 量少，使模具的變形增大。適當(dāng)增加保溫時間。可減少變形，但在鹽浴爐中加 熱不能超過610 S/ mm,Cr12Mo鋼具有很高的淬透性，為了減少冷卻過程中產(chǎn) 生的熱應(yīng)力，模具保溫后可在830-840 r的鹽浴爐中短時間等溫，然后出爐在 緩冷箱中堆放空冷。3. 3. 3回火Crl2VloV鋼回火目的是充分消

20、除熱處理的殘留應(yīng)力。調(diào)整組織和硬度。淬火后 形成的馬氏體屬于高碳富鉻的過飽和間隙固溶體，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，回火時分 解，析出碳化物，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，使材料基體組織硬度降低。殘留奧氏體 在回火過程中會分解，析出顯微碳化物，在一定程度上彌補了馬氏體回火轉(zhuǎn)變 造成的硬度降低。淬火后鋼的硬度會隨回火溫度的變化呈現(xiàn)先降低后增加的趨 勢?；鼗饻囟冗^高時，殘留奧氏體中析出的碳化物粗化，失去強化作用。導(dǎo)致 硬度下降。淬火后試樣在不同溫度下回火時，沖擊韌度呈先降低后升高的趨勢，這主要受 殘留奧氏體分解的影響?；鼗疬^程中，隨溫度的升高，基體中殘留奧氏體量逐 漸減少，析出碳化物增多，導(dǎo)致材料的沖擊韌度降低。但回火溫

21、度過高時，組 織中的碳化物有粗化、聚集的趨勢。沖擊韌度開始回升。Crl2MoV鋼的回火一般分低溫回火與高溫回火。低溫回火一般是 170180CX 2h，硬度可達(dá) 60-62HRC.高溫回火一般是500-520Ex 2 h，模具硬度可達(dá)到59-61 HRC.如果 回火溫度低(尤其是低溫回火時)，模具的硬度較高。易導(dǎo)致回火不充分.使模 具中的殘留應(yīng)力較大.影響模具的使用壽命。適當(dāng)提高回火溫度，可保證模具 在硬度降低不多的情況下獲得較好的韌度，降低模具的內(nèi)應(yīng)力，均勻熱處理后 的顯微組織，獲得所需的力學(xué)性能?；鼗饻囟忍岣叩?00C時仍能保證模具硬度要求，而淬火殘留應(yīng)力也得到了有效消除，模具在線切割時的

22、開裂現(xiàn)象減少.Cr12MoV岡屬高碳高合金鋼，有二次硬化效應(yīng)，其奧氏體穩(wěn)定性好，淬火后殘留 奧氏體較多，回火穩(wěn)定性也好。如果在熱處理過程中回火不足，材料中的殘留 奧氏體量較多，殘留奧氏體很軟，組織不穩(wěn)定，當(dāng)模具承受摩擦、擠壓變形和 沖擊時,達(dá)一定條件會使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)闃O脆馬氏體，導(dǎo)致材料的組織應(yīng)力增 加，使材料脆性斷裂的傾向明顯增大。如果要求熱處理時模具變形較小，可在 回火過程中靠改變回火溫度來控制模具的尺寸?；鼗饻囟鹊拇_定要根據(jù)淬火后 殘留奧氏體的量來決定。如淬火后的孔徑增大，可采用 340-430 E的加壓回火； 如孔徑縮小，可采用420-520 E回火，以增大孔徑尺寸。4模具線切割加工模具先由普通機床加工出坯件，再由線切割完成模具刃口或型腔加工。線切割 加工需要注意的問題是線切割中的工件變形與加工表面應(yīng)力的改變。工件經(jīng)熱 處理淬硬后進行線切割時，由于去除大面積金屬或切斷，破壞了材料的內(nèi)部殘留 應(yīng)力的相對平衡狀態(tài)，在應(yīng)力重新分布的過程中。局部會產(chǎn)生高應(yīng)力。從而產(chǎn) 生較大的變形。殘留應(yīng)力引起的變形不但影響工件的加工尺寸。局部的高應(yīng)力 還可能造成材料產(chǎn)生裂紋甚至開裂而報廢。線切割加工后，Crl2MoV莫具表面的殘留拉應(yīng)力作用深度有限，只有幾十個微米，不會使模具整體開裂，即線切割加 工后模具表面的殘留拉應(yīng)力不會