摘要:從預(yù)備熱處理、淬火及回火、深冷處理、表面強(qiáng)化處理等方面分析評述了提高Cr12MoV鋼模具壽命的熱處理工藝措施。

　　關(guān)鍵詞:冷作模具鋼;熱處理;壽命

　　中圖分類號:TG162.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-3814(2004)10-0046-03

　　Cr12MoV鋼是目前國內(nèi)廣泛使用的冷作模具鋼之一。 該鋼具有淬透性好、硬度高且耐磨、熱處理變形小等優(yōu)點 ,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 ,熱處理因素影響最大 ,約占 50% [1,2]。 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

　　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 ,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[3]?；蛟诰庸で霸黾右坏勒{(diào)質(zhì)工序[4]。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[5]。

　　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ebb提高20%,Tk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[6]。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(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57～58HRC,模具壽命達(dá) 2000多件 ,達(dá)到了進(jìn)口模具水平[7]。

　　2 改進(jìn)淬火及回火

　　Cr12MoV鋼最終硬化處理分為“一次硬化處理”和“二次硬化處理”。一次硬化處理是指低溫淬火 (～1000℃)與低溫回火(～200℃);二次硬化處理是指高溫淬火(～1100℃ )與高溫回火(～500℃ )。研究與實踐表明 ,Cr12MoV鋼經(jīng)一次硬化處理后,硬度高(60～62 HRC)、耐磨、晶粒細(xì)小、韌性好、淬火變形小,且殘留奧氏體(AR)量適度,是較佳的常規(guī)強(qiáng)韌化處理工藝。

　　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,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Cr12MoV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[8]。Cr12MoV鋼經(jīng)800～850℃預(yù)熱 ,1020～1050℃加熱淬火,2次160～180℃低溫回火,使用效果較好[9]。

　　如果Cr12MoV鋼未改鍛 ,采用固溶雙細(xì)化處理[3],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℃×10min擴(kuò)氮、260℃×4h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數(shù)量級[10]。文獻(xiàn)[11]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。等溫時得到7%～10%的B下與M的復(fù)相組織 ,具有最佳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[12,13] ,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AR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 [2,13] ,從而顯著提高其力學(xué)性能和模具壽命,屬于簡單易行的強(qiáng)韌化熱處理工藝。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TK 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[14]。

　　(2) Cr12MoV鋼經(jīng)1030℃淬火,100℃回火 ,-160℃深冷處理 2 h,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1～2 HRC,ebb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[15]。

　　(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M16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[16]。

　　(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[17]。

　　(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57.5 HRC) ,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 ,全部為磨損正常失效 [18]。

　　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℃×1h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℃×1h 回火 ,再經(jīng)232℃×1h 回火后空冷 ,硬度 59.5HRC,收縮率為0.0002% [19]。Cr12MoV鋼經(jīng) 1040℃真空加熱淬火 , 200℃回火后 ,沖模外徑普遍減小60～80μm,已無拋光余量 (真空處理前僅留 0.02 mm加工余量) ,經(jīng)-196℃×4min深冷處理 ,外徑普遍增大100μm;再經(jīng) 230℃回火 ,外徑又減小 10～ 20μm,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[12]。

　　4 表面強(qiáng)化處理

　　模具的表面處理方法很多 ,新的處理技術(shù)也不斷涌現(xiàn) ,但對 Cr12MoV 鋼模具而言 ,應(yīng)用較多的主要有滲氮及其多元復(fù)合滲、硬化膜沉積技術(shù)等。

　　(1)滲氮及多元復(fù)合滲Cr12MoV鋼1110℃淬 火、540℃回火2次 ,經(jīng) 520～540℃滲氮2～6h 后 ,表面硬度1042HV0.1,心部硬度 62.5 HRC; 980℃淬火、180℃回火 ,滲氮 2～6h后表面硬度1120 HV0.1,心部硬度 53 HRC。 耐磨性提高45%～67% [20]。

　　將Cr12MoV鋼的滲氮工藝和淬火、回火結(jié)合起來的復(fù)合強(qiáng)韌化處理 [10]得到細(xì)小彌散的B下與M的復(fù)相組織 ,以及少量的AR,心表力學(xué)性能過渡均勻,滲層深度達(dá) 300μm,使模具壽命大幅度提高。

　　在滲氮的同時滲入硫(S)和氧(O) ,模具表面不僅具有高的硬度、耐磨、減摩及抗膠合能力,而且能加速N的滲入,提高經(jīng)濟(jì)效益。Cr12MoV鋼經(jīng)1020℃淬火、 560℃回火 ,然后在 550℃進(jìn)行 2h的離子 O、S、N共滲 ,滲層厚度為 0.16～0.18mm,表面硬度為1000～1200HV。Cr12MoV鋼牙膏管冷擠沖頭采用此工藝處理后 ,平均壽命3.5萬件 ,提高 3.5倍[21]。

　　對Cr12MoV鋼先進(jìn)行等離子滲氮 ,然后再采用等離子S、N、C共滲工藝 ,在其表面形成具有一定硬度梯度的硫化物層+ 滲氮層的復(fù)合表面層 ,能顯著提高其耐磨性及抗咬合性能 ,摩擦系數(shù)降低 2/3[22]。

　　在滲氮或復(fù)合滲表面處理中,加入適量的稀土元素,不僅能提高滲速 ,而且能優(yōu)化表面滲層的組織結(jié)構(gòu),改善表面的物理化學(xué)性能 ,強(qiáng)化表面 ,是延長模具壽命的新途徑[1]。

　　( 2)硬化膜沉積技術(shù)硬化膜沉積技術(shù)目前應(yīng)用較成熟的有CVD、PVD、電火花涂敷等。CVD、PVD由于設(shè)備原因成本較高 ,只在一些精密、長壽命模具上應(yīng)用。 電火花表面涂敷由于方法簡單 ,效果好 ,因而實際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。Cr12MoV鋼制落料及拉伸復(fù)合凹凸模經(jīng) 980℃淬火 ,400℃回火 ,硬度為48HRC,通過對模具刃口用WC電極進(jìn)行電火花強(qiáng)化 ,涂層硬度達(dá) 1100HV以上 ,模具平均壽命10050件 ,比常規(guī)一次硬化處理提高9倍[23]。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] 鄒濟(jì)林.表面強(qiáng)化技術(shù)在模具型腔的應(yīng)用 [J].模具工業(yè) , 2001,(5): 44-47.

　　[2] 周敬恩 .模具材料選用、熱處理與使用壽命 [J].金屬熱處理 , 1999,(5): 1-9.

　　[3] 趙昌盛. Cr12系冷作模具斷裂失效分析 [J].金屬熱處理 , 2003,(1): 68-69.

　　[4] 陳浩杰 ,蔣志武. Cr12鋼模具調(diào)質(zhì)和低溫淬火處理 [J].金屬熱處理 , 1992, (8): 39-41.

　　[5] 姚月巖.高速鋼冷沖模熱處理工藝改進(jìn) [J].金屬熱處理 , 1992,(4): 54-55.

　　[6] 陳筱俊 .高碳高鉻冷作模具鋼裂紋淺析 [J].機(jī)械制造 , 1997, (6):25-26.

　　[7] 顧知武 . Cr12M oV 鋼制梯形絲杠軋絲模的強(qiáng)韌化處理 [ J].金屬熱處理 [ J], 1993, (4): 48-49.

　　[8] 鄒安全. Cr12MoV 模具鋼熱處理工藝試驗研究 [J].模具工業(yè) ,2001, (11): 55-57.

　　[9] 楊祖孝 . Cr12M oV 精密軋輥加工工藝 [ J].制造· 材料 , 2000, (4):38-39.

　　[10] 王傳雅 ,徐維 ,王莎莎 ,等. Cr12MoV模具鋼滲擴(kuò)氮中溫轉(zhuǎn)變復(fù)合強(qiáng)韌化 [J].特殊鋼 , 1995, (6): 26-31.

　　[11] 陳秋龍 ,楊安靜 ,林以佩 ,等 .Cr12冷作模具鋼下貝氏體 /馬氏體復(fù)相熱處理工藝研究 [J].金屬熱處理 , 1995, (9): 9-10.

　　[12] 王伊卿 ,張實誠.用深冷處理消除 Cr12MoV鋼沖模熱處理變形[J].金屬熱處理 , 1998, (11): 11-13.

　　[13] 王毓敏 .工模具鋼深冷處理探討 [J].金屬熱處理 , 1996, (3): 37-39.

　　[14] 孫佰文 ,張緒寺 . Cr12MoV模具鋼深冷工藝研究 [J].模具工業(yè) ,1991, (8): 51-54.

　　[15] 尹延國 ,袁根福.模具鋼的深冷處理 [ J].模具技術(shù). 1997, (3): 34-36.

　　[16] 佟曉輝 ,任平 . Cr12MoV鋼冷鐓模深冷處理與回火工藝 [J].模具工業(yè).1991,(12):50-52.

　　[17] 錢士強(qiáng) ,趙興堂.冷擠壓模具的深冷處理 [J].上海金屬, 1996,(5): 29-32.

　　[18] 高殿奎 ,劉艷色. Cr12MoV鋼凹模的熱處理工藝改進(jìn) [J].金屬熱處理 ,2002, (2):34-36.

　　[19] 尹熙武 .模具鋼的用途及發(fā)展 [J].四川冶金 , 1996, ( 4): 30-38.

　　[20] 佟曉輝 ,張志軍 ,徐楊.常用冷作模具鋼的氣體滲氮與耐磨性研究[J].金屬熱處理 , 1994, ( 9): 12-16.

　　[21] 盧金生,陳秀玉 ,顧敏 .模具鋼離子 O-S-N 共滲研究 [ J].金屬熱處理 , 1994, ( 2): 16-21.

　　[22] 張雙科 ,吳曉春 . Cr12MoV 鋼等離子S N C共滲摩擦磨損特研究[J].金屬熱處理, 2003, ( 4): 24-28.

　　[23] 高殿奎 .復(fù)合凹凸模失效分析與工藝改進(jìn) [J].金屬熱處理 ,2002,(8):55-57.

　　聲明：本文作者，曹光明 (濰坊學(xué)院機(jī)電工程系,山東濰坊261061);由德捷力高速鋼深冷處理網(wǎng)：www.szdjl，整理發(fā)布，如有侵權(quán)聯(lián)系刪除!