毕业设计（论文）-不同堆放方式的Cr12MoV冷漠具钢脉冲退火后的组织、性能分析.doc

河南科技学院2009届本科毕业论文论文题目: 不同堆放方式的Cr12MoV冷模具钢脉冲退火后的组织、性能分析 DIFFERENT FORMS OF Cr12MoV COLD STACKED DIE STEEL PULSE ANNEALED ORGANIZATION,PERFORMANCE ANALYSIS学生姓名：刘晓明 所在院系： 机电学院所学专业： 机电技术教育导师姓名： 王焕琴完成时间：2009 年 6 月1 日河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书题目名称：不同堆放方式的Cr12MoV冷漠具钢脉冲退火后的组织、性能分析学生姓名刘晓明所学专业机电技术教育班级052指导教师姓名王焕琴所学专业机械制造职称教授完成期限 2008年1月20日至2009年5月20日一、论文（设计）主要内容及主要技术指标1.主要内容：利用脉冲电流对材料进行改性处理，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，又降低加热温度、缩短保温时间、细化晶粒、已形成共识。但工件在炉中加热时若放置的放置的方法、方式不同时，脉冲电流的大小是否在每个工件上均相同？每个工件上加热温度是否相同？经脉冲热处理后每个工件内部晶粒大小是否理想？机械性能（主要指硬度）是否理想等？目前还没有看到有关报道。这些问题和疑问，则是本次毕业设计要解决的主要难点。所以毕业设计的主要内容是：采用7根Cr12MoV冷漠具钢、长100mm的试样单层平放、双层堆放、三层堆放、9根4层堆放、11根5层堆放，通过改变脉冲电流的大小，观察Cr12MoV冷漠具钢经过球化退火处理后对组织和性能的影响。并与普通热处理在性能和组织上加以区别。2.主要技术指标：1）硬度值测定；HBS210以下；2）把普通金相显微组织与脉冲金相显微组织进行对比分析。二、毕业论文（设计）的基本要求1 毕业设计（论文）一份：有300字左右的中英文摘要，正文后有15篇左右的参考文献，正文中要引用5篇以上文献，并注明文献出处。论文总字数在6000字以上。2 有不少于3000汉字的与本课题有关的外文翻译资料。3 毕业设计总字数在10000字以上。4. 中期检查一份；5. 成绩表一份。三、毕业论文（设计）进度安排1.2008年12月12日-12月16日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。2. 2009年2月15-2月27日（第1-2周），指导教师审核开题报告和设计方案。3. 2009年2月28日-4月24日（第3-10周），毕业设计单元部分设计。4. 2009年4月25-5月1日（第11周），毕业设计中期检查。5. 2009年5月2-5月22日（第12-14周），设计仿真、程序调试、线路板制作调试，整理、撰写毕业设计报告。6. 2009年5月23-6月5日（第15-16周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表学生姓名刘晓明班级机教052指导教师王焕琴论文（设计）题目不同堆放方式的Cr12MoV冷模具钢脉冲退火后的组织、性能分析 目前已完成任务(1) 制定毕业设计计划(2) 查找相关文献(3) 完成毕业论文开题报告是否符合任务书要求进度：符合尚需完成的任务1继续对论文材料进行组织和整理；2按照论文提纲，有步骤有计划的开展论文工作，存在问题要及时与老师沟通；3 对已完成的论文内容进行检查审核，力求把问题降到最少；4到规定的时间完成论文初稿；5 根据指导老师的指导意见和全部材料完成论文；能否按期完成论文（设计）：能存在问题和解决办法存在问题资料不足，对论文主题的研究不够透彻，且相关的理论知识还不够全面；各种条件有限，结果与预期效果有点差距。拟采取的办法继续查找资料，加强对相关理论知识的理解和掌握。指导教师签 字日期 年 月 日教学院长（主任）意 见 负责人签字： 年 月 日毕业论文（设计）开题报告题目名称：不同堆放方式的Cr12MoV冷模具钢脉冲退火后的组织、性能分析学生姓名刘晓明专业机电技术教育班级052一、选题的目的意义本课题是采用脉冲电流对材料进行改性处理，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，又降低加热温度、缩短保温时间、细化晶粒、已形成共识。本课题的研究意义在于通过实验可以证明利用脉冲电场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。这就是本次实验的真正目的。目前人们对电脉冲机理及规律还缺乏系统深入的认识，基础研究的不足制约了该技术的应用。这一技术的美好前景和研究上的不足使该技术领域更具魅力，并成为材料领域的新热点。该领域的研究将会向以下方向发展：（1）脉冲电流的研究将会受到更多的关注，并可望广泛应用于生产实际；（2）凝聚态物理及工业用电等跨学科研究人员将会被吸引到该领域中；（3）基础研究工作将会受到更多的重视，电脉冲的机制、规律和条件的研究将会有较大的突破；（4）研究经费投入会更大，研究装备的起点将更高。 对于利用脉冲电流改善材料组织的研究在国内外已经有一定的进展，但对于那些长期利用传统热处理的研究者或工作者来说在一定时间内是很难接受这种新的热处理方法，但我相信在不久的将来，利用脉冲电流改善材料组织的热处理方法会被人们所接受，并且还有很大的发展前景。二、国内外研究现状近20年来，国内外超快速加热技术发展很快，可以用来对金属材料进行表面强化处理。利用脉冲电流改善材料组织的研究一直很活跃, 如：利用脉冲电流细化Sn-Pb合金、铝合金的凝固组织，促进合金的超塑变形，对钢的损伤进行恢复，促进碳钢淬火裂纹的愈合等，这些研究都取得了不同程度的进展。人们分别用“交流磁场+稳恒磁场”、“稳恒磁场+交流电流”、旋转磁场、脉冲磁场对铝合金等金属材料凝固过程的细化效果进行了研究，以上的处理称为电磁场细化处理，它是近十几年才发展起来的新颖的金属凝固组织细化法。尤其是脉冲电流和脉冲磁场细化法，因其细化效果更明显、对样品无污染、操作简便，近年来受到人们的高度重视。但目前国内研究电脉冲作用所使用的装置多为非接触式产生稳态脉冲电流，而使用接触式产生非稳态电脉冲的装置，研究钢在固态相变过程中的组织变化，却鲜有报道。在外加物理场处理技术中，人们研究最多的是电流处理技术。国内外学者采用直流电流、交流电流、以及高强度脉冲电流处理金属熔体，从低熔点的锡铅合金、较高熔点的铝铜合金到高熔点的钢铁材料，进行了大量的研究工作，取得了许多研究成果。三、主要研究内容通过改变脉冲电流的大小，观察Cr12MoV冷漠具钢经过球化退火处理后对组织和性能的影响。 1脉冲电流的大小是否在每个工件上均相同？每个工件上加热温度是否相同？经脉冲热处理后每个工件内部晶粒大小是否理想？机械性能（主要指硬度）是否理想等？ 2通过实验结果与普通热处理在性能和组织上进行比较，得出结论。3通过学习有限元软件得出的结果与实验所得结果进行比较，得出结论。四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线1主要研究方法：（1）采用箱式电阻炉，接通脉冲电压（不断调节大小），改变工件堆放位置（采用7根Cr12MoV冷漠具钢、长100mm的试样单层平放、双层堆放、三层堆放、9根4层堆放、11根5层堆放）通过改变脉冲电流的大小，观察Cr12MoV冷模具钢经过球化退火处理后对组织和性能的影响。（2）金相显微下观察试样退火处理后组织和性能的变化； （3）并与普通热处理在性能和组织上加以区别。2主要技术指标：（1）硬度值测定；HBS210以下；（2）金相显微组织对比。五、主要参考文献与资料1唐勇，王建中，苍大强 . 电脉冲对高碳钢凝固组织的影响 , 钢铁研究学报1999(4):44472 佟晓辉:金属热处理 1990(8):143 邦武立郎等,日本金属学会会报,1975,V.14(9):084王民方,Cr12类钢冷作模具的热处理J.热加工工艺J,2005（5）：785訾炳涛,崔建忠，巴启先.特种制造与有色金属，2000，（4）：46 Obmori Y.otal:Metal Science 1974(1):3577潭家骏.金属材料及热处理专业知识解答.北京：国防工业出版社，19978 刘晓平，陈强，杨程.电脉冲改善金属材料组织的应用现状J.铸造设备研究，2005 （4）：51549 施平.机械工程专业英语.哈尔滨：哈尔滨工业出版社，200210李泉华.热处理应用技术.北京：机械工业出版社， 199911杨湄,Cr12冷作模具钢碳化物组织均匀性分析与改善J.新技术新工艺,2005(12): 334412王焕琴,杜家熙,马孝琴.机械工程材料与热加工,成都:电子科技大学出版社,200013Nakada M , shilhara Y. Flemings M. Modification of solidification structure by pulse electric dischargingJ . ISIJ International 199014黄卫东、丁国陆等.非稳态过程与凝固界面形态下选择J。材料研究学报，1995，9（3）：19315 Misra A K. J. Metall Trans,1985, 16(4): 135416班春燕，翠建忠，巴启先等.材料研究学报，2002，12（3）指导教师审批意见2009年 1 月 10日 不同堆放方式的Cr12MoV冷模具钢脉冲退火后的组织、性能分析摘 要近几年来，我国的模具技术有了很大发展，模具水平有了较大提高。 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。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，不同堆放方式下，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。关健词：Cr12MoV,冷作模具钢,不同堆放,球化退火DIFFERENT FORMS OF Cr12MoV COLD STACKED DIE STEEL PULSEANNEALED ORGANIZATION, PERFORMANCE ANALYSISAbstractIn recent years, Chinas technology has made significant progress die, die levels have greatly improved. Die Steel by end-use in general can be divided into the cold die steel, hot die steel and plastic molding die steel with three categories. Cr12MoV steel is a widely used cold work die steel with high hardness, high strength, high wear resistance and the advantages of small deformation hardening is a type of high-carbon high-chromium steel ledeburite. The graduation project in order to Cr12MoV cold die steel materials for the pilot scheme, to be used in the ball of isothermal heat treatment process on the basis of the different stacking modes, together with the electrical pulse of this new technology to achieve a good ball to ensure that at the same time pearlite can reduce the hardness and improve the cutting performance and mechanical properties as well as lower spheroidizing heating temperature, and shorten the annealing of cold die steel ball of the holding time to improve the efficiency of heat treatment. Key words: Cr12MoV, Cold Work Die Steel, different stacking, spheroidizing目 录1 绪论.12 Cr12MoV冷模具钢的化学成分及不同堆放方式下脉冲球化退火后的组织性能分析. . .2 2.1 Cr12MoV冷模具钢的化学成分.2 2.2 研究Cr12MoV冷模具钢球化退火的主要目的.2 2.3 Cr12MoV冷模具钢的常规球化退火工艺.23 实验原理及方案准备.3 3.1 实验原理.3 3.1.1 退火工艺.3 3.1.2 球化退火.3 3.2 实验材料.4 3.3 实验仪器.5 3.3.1 实验中要用到的主要仪器.5 3.3.2 制作高温箱式电阻炉的炉门.6 3.3.3 预磨机.6 3.3.3 金相试验抛光机.6 3.3.4 金相显微镜.7 3.4 实验过程.74 工艺处理过程.85 金相显微试样的制备.9 5.1 金相显微分析法.9 5.2 金相试样制备.9 5.2.1 侵蚀.10 5.2.2 金相试样制备.106 脉冲处理技术.11 6.1 电脉冲原理.11 6.2 脉冲电流对金属组织变形的影响.11 6.3 电脉冲对材料力学性能的影响.127 实验结果与分析.13 7.1 加热温度对钢组织性能的影响.13 7.2 加热温度对钢材料力学性能的影响.16 7.3 组织转变过程图.17 7.4 电脉冲对组织形态的影响.18 7.5 不同堆放方式球化退化后的金相组织比较.198 结论及存在问题.21 8.1 结论.21 8.2 实验中存在的问题.21致谢.21参考文献.221绪论 近几年来，我国的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。 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。 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。 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。 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。 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。2Cr12MoV冷模具钢的化学成分及不同堆放方式下脉冲球化退火后的组织性能分析2.1 Cr12MoV冷模具钢的化学成分表1 Cr12MoV冷模具钢化学成分材料CSiMnCrPSCr12MoV2.00-2.300.40.411.5-13.00.030.032.2 研究Cr12MoV冷模具钢球化退火的主要目的 退火热处理具有细化晶粒、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。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，目前对冷作模具钢的预处理是锻后球化退火,采用这种常规退火处理工艺,不但周期长,耗能多,效率低,而且很难得到小粒度、分布均匀的碳化物组织，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。5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起探讨不同堆放方式脉冲球化退火的Cr12MoV冷模具钢组织和性能分析的实验结果进行比较和分析，得出最优的实验结果。2.3 Cr12MoV冷模具钢的常规球化退火工艺 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1 Cr12MoV冷模具钢普通球化退化工艺路线图3实验原理及方案准备3.1 实验原理3.1.1 退火工艺crl2型属莱氏体钢，其铸态组织和高速钢相似，有骨骼状的莱氏体存在，钢厂虽经轧制将碳化物击碎，但碳化物偏析仍很严重，必须经过压力加工，把网状共晶碳化物打碎，使其分布尽可能均匀些。6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，用以消除单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170250HBS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。3.1.2 球化退火 球化退火是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。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Ac1(2030) 然后缓冷下来。随炉冷却到略低于Ar1(2040)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，改善切削加工性能，获得均匀的组织，为淬火做组织准备，经最终热处理获得良好的综合机械性能。共析钢、过共析钢的锻件，锻后的组织一般为细片状珠光体，如果锻后冷却不当，还会出现网状碳化物，不仅硬度高，难以切削加工，而且增加了钢的脆性，淬火容易过热，产生变形和开裂，通过球化退火，使碳化物发生球化，获得粒状珠光体，具有良好的切削加工性能，而且减少淬火加热时的过热敏感性及变形开裂的倾向性。经过淬火、回火后，使钢得到回火马氏体和粒状碳化物组织，这种组织与片状珠光体最终热处理获得的组织相比，在强度、硬度相同的条件下，塑性和韧性较高，且具有较高的接触疲劳强度和疲劳强度。173.2 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、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830850，等温温度是720-740。Cr12MoV冷模具钢的临界温度表2。表2 Cr12MoV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Cr12MoV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，然后我们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。但由于一些原因，我们在选料的时候开始很疏忽，已经购买了直径为12mm规格的圆柱棒料，因此只有在三层摆放方式时使用，另外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。3.3 实验仪器 3.3.1 实验中要用到的主要仪器热处理试验后还要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。主要实验仪器：（1）SXZ2512高温箱式电阻炉如图2所示（2）脉冲电场发生器，放大器及导线（3）HR1500洛氏硬度测试机（4）预磨机和金相试验抛光机（5）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520min。图2 箱式电阻炉示意图3.3.2 制作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，我们需要自己制作一个比较保温的炉门，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。由于实验中要用到两个SXZ2512高温箱式电阻炉，所以必须做出两个完全配合的炉门，所用的材料是石棉和海绵垫子。3.3.3 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。3.3.3 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。 3.3.4 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。3.4 实验过程由于购买时买到了12mm的试件，而且在裁剪之后形成12mm 100mm的试样18根。因此我们可以将它们做成三层堆放的实验类型，并且我们将剩下的10mm材料切割成11mm 100mm的试样32根，其每根重量为0.06Kg。本次实验的主要内容就是在不同的堆放方式下，Cr12MoV冷模具钢脉冲球化退化的组织和性能分析，具体的堆放方式有以下几种：一、单层平放；二、三层堆放；三、五层堆放。具体的堆放方式如图3、4、5所示，这里堆放的要求不同，堆放方式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。图3 单层堆放试样图4 三层堆放试样图5 五层堆放试样 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2050/h的冷却速度，冷却到500600后出炉空冷。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压不同时间的球化退火工艺，工艺曲线图如图6所示。图6 Cr12MoV冷模具钢脉冲球化退火工艺曲线图4工艺处理过程 在进行实验之前，我们首先要对SXZ2512高温箱式电阻炉进行实验前的基本检查，把所有所有前期要做的准备都准备好，如试件的制备，炉门的制作等，在实验前检查电路是否接好，电路是否通电等一系列的问题，将这些基本的问题都准备好后，我们就开始做实验，首先我们应把绑好的试件放入到预先准备好的电阻炉中，接好电路，打开电源进行加热，并加热至并加热至850后，通入脉冲电场，时间为5min，保温2-3h，然后随炉冷却至730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。基本流程图如图7所示：图7 工艺处理基本流程图 在做完前一个阶段的工作任务后，我们就可以对试样的组织观察和硬度的测试了，现陈述如下：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HR1500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。5金相显微试样的制备5.1 金相显微分析法利用金相显微镜，把专门制备的碳钢试样放大1001500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。5.2 金相试样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。 5.2.1 侵蚀钢铁材料常用的侵蚀剂为34%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，用纸吹干。这样制出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。 5.2.2 金相试样制备 按工艺曲线图做三组电脉冲球化退火试验，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400倍显微镜观察金相组织并拍照如图9所示：金相试样制备：取样预磨（80#1000#）抛光水冲侵蚀吸干观察。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8所示。 图8 普通等温球化退火的显微组织(400 ) 图9 830电脉冲下球化退火组织（400)6脉冲处理技术 6.1 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。6.2 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( Elect rot ransport) 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