（材料加工工程专业论文）冷冲压模具复合强韧化及微观组织.pdf

西华大学硕士学位论文 冷冲压模具复合强韧化及微观组织 材料加工工程专业 研究生冯光勇指导教师张崇才 摘要 中、小型冷冲压模具工作时受到压缩、冲击、摩擦等机械力的作用，通常 表现的失效形式为磨损、变形及断裂等，使用寿命较低，时常选用含较高合金 元素的合会钢制造，热处理工艺比较复杂。针对这个问题，本文分析了冷冲压 模具的工作条件，指出它的主要性能要求应是良好的耐磨性和足够的强韧性 等，因而研究了t 1 2 钢和g c r l 5 钢的渗硼工艺，对比研究了它们的常规球化 退火，循环球化退火、以及屈氏体化处理和四步热处理的碳化物球化效果，进 一步研究了渗硼+ 四步热处理的复合强化工艺及其组织与性能，分析了渗硼和 钢的强韧化机理。根据试验结果和讨论分析，得到以下结论： ( 1 ) 渗硼温度为8 5 0 ，渗硼时间由1 h 逐步增加到5 h 时，t 1 2 钢的渗层由 4 0 “r n 逐步增加到9 3 i t r n ：g c r l 5 钢的渗层由2 0 岬增加到5 3 1 a m 。这两种钢的 渗层深度都随着渗硼时间的增加而增加，渗层厚度的增长速率呈先快后慢的趋 势发展；在相同的时间内，t 1 2 钢的渗层深度始终高于g c r l 5 钢。渗硼时间 为5 h ，渗硼温度从7 5 0 逐步升高到9 5 0 时，t 1 2 钢渗硼层深度由5 0 i _ t m 增 加到1 6 3 9 m ，g c r l 5 钢渗硼层深度由3 2 1 a m 逐步增加到8 3 岬；这两种钢的渗 层深度都随着渗硼温度的增加而增加，渗硼层深度增加的速率也随温度升高而 加快。 ( 2 ) 渗硼时间为5 h 时，温度由7 5 0 逐步增加到9 0 0 时，t 1 2 钢渗硼层的 硬度由1 15 5h v 0 1 逐渐增加到1 2 1 6i - i v 0 1 ，到9 5 0 时又下降到1 1 7 7h v o l ； 两华人学硕士学位论文 g c r l 5 钢渗硼层的硬度由1 1 4 7h v o 1 逐渐增加到1 2 1 9h v 0 1 ，到9 5 0 时又下 降到1 1 6 3 h v o 1 。当温度为8 5 0 时，渗硼时间在l h 5 h 范围内，t 1 2 钢渗硼 层硬度在1 1 7 8 i - i v 0 1 1 2 0 5 h v o l 范围内波动，g c r l 5 钢渗硼层硬度在 1 1 5 0 h v o l 1 2 0 8 h v 0 1 范围内波动，表明渗硼时间对t 1 2 钢和g c r l 5 钢的表层 硬度值的影响较小。 ( 3 ) t 1 2 渗硼后，其表面硬度为8 3 5 h v o l ，在次表层硬度达到1 2 2 0 h v 0 1 ， 随渗层深度的增加，硬度逐步下降至基体硬度：g c r l 5 也随渗层深度的增加， 硬度逐步下降至基体硬度，它的渗层表面硬度为8 3 1 h v o 1 ，次表层的硬度达 1 2 1 1 h v o i 。 ( 4 ) t 1 2 钢和g c r l 5 钢的硼化物层与过渡区的交界十分平坦，其硼化物层 与过渡层接触面很少，即硼化物针插入过渡区的厚度较浅( 特别是g c r l 5 钢) ， 因而削弱了与金属基体的结合力，这对渗硼层的剥落起到促进作用；另外，由 于过渡层中存在着碳和硼的浓度梯度，导致过渡层是逐步地过度到心部基体组 织的，这就造成了过渡层与基体组织之间没有明显的分界线，弥补了上述缺陷， 即提高了渗层与金属基体的结合力，对克服渗层剥落起到有力的促进作用。 ( 5 ) t 1 2 钢较好的渗硼工艺为9 0 0 c 渗硼5 h ，其渗层厚度可以达n 1 1 6 j t r n ， 硬度能够达到1 2 1 6 h v 0 1 。g c r l 5 钢较好的渗硼工艺为9 0 0 渗硼5 h ，其渗层厚 度可以达至u 6 7 r t m 硬度能够达到1 2 1 9 h v o 1 。 ( 6 ) t 1 2 钢进行碳化物微细化工艺1 ( 9 5 0 高温固溶+ 7 0 0 回火) 处理后得 到了良好的碳化物微细化效果，其中的碳化物细小、圆整、均匀分布：碳化物 微细化工艺2 ( 9 5 0 高温固溶+ 7 6 0 保温2 小时+ 6 9 0 保温3 小时) 的碳化 物微细化效果次之，其中有部分尖角状碳化物存在；常规球化退火的碳化物球 化效果较差，其中存在较多粗大、尖角状的碳化物。四步热处理和屈氏体化处 理中的淬火回火工艺与常规的淬火回火工艺相同，都进行7 6 0 。c 加热淬火+ 1 5 0 回火6 0 r a i n 的处理，都得到回火马氏体+ 碳化物。其中，四步热处理后 得到的碳化物最细小、圆整、分布最均匀而屈氏体化热处理后存在部分粗大、 尖角状碳化物，常规热处理后存在较多的粗大、尖角状碳化物。因此，t 1 2 钢 四步热处理后的强韧性优于屈氏体化热处理，更优于常规热处理。 ( 7 ) g c r l 5 钢进行碳化物微细化工艺( 9 5 0 高温固溶+ 7 0 0 c 高温回火) 处 i i 阳华大学硕士学位论文 理得到了良好的碳化物微细化效果，其中的碳化物细小、圆整、均匀分布；循 环球化退火的碳化物微细化效果次之，其中有部分尖角状碳化物存在；常规球 化退火的碳化物球化效果较差，其中存在较多粗大、尖角状的碳化物。四步热 处理和循j ；= 球化退火后的淬火回火工艺与常规的淬火回火工艺相同，都进行 8 4 0 加热淬火+ 1 5 0 回火6 0 m i n 的处理，都得到回火马氏体十碳化物，其中 四步热处理后得到的碳化物最细小、圆整、分布最均匀，而循环球化退火+ 常 规的淬火回火后存在部分粗大、尖角状碳化物，常规淬火回火后存在较多的粗 大、尖角状碳化物。因此，g c r l 5 钢经四步热处理后的强韧性优于循环球化退 火后的淬火回火，更优于常规热处理。 ( 8 ) t 1 2 钢经过复合强化热处理后具有以下特点：渗硼层厚度能达到 1 2 0 岬，显微硬度在1 2 3 5 h v o l 左右；心部组织为回火马氏体加细小、圆整、 均匀分布的碳化物，心部硬度达到6 1 5 h r c ；因而能满足中小型冷冲压模具 对耐磨性和强韧性的要求。 ( 9 ) t 1 2 钢的a c m 为8 2 0 ，在9 0 0 c 的温度下渗硼5 h ，渗碳体分解并进入奥 氏体，经过5 h 的扩散，可以在较大程度上使碳原子扩散均匀并达到固溶效果， 所以建议把固溶温度由9 5 0 降至1 9 0 0 左右。 ( 1 0 ) g c r l 5 钢经过复合强化热处理后具有以下特点：渗硼层厚度能达到 7 2 9 m ，显微硬度在1 2 4 8 i - i v ol ；心部组织为回火马氏体加细小、圆整、均匀分 布的碳化物，心部硬度达到6 2 5 h r c ：因而能基本满足中小型冷冲压模具对 耐磨性和强韧性的要求。 ( 1 1 】g c r l 5 钢经过复合强化热处理后的渗硼层出现少许空洞，没有产生剥 落现象，渗硼层过渡比较平缓。把固溶温度由1 0 5 0 降到9 8 0 左右，可以达 到既能实现固溶的效果，又能克服渗层中的“空洞”现象的目的。 ( 1 2 ) t 1 2 钢和g c r l 5 钢经过复合强化处理后都具有良好的耐磨性和强韧 性，基本能满足中小型冷冲压模具对使用性能的要求，在实际选用中小型模具 材料的时候，需要注意以下问题：g c r l 5 钢的淬透性、抗回火性等性能优于t 1 2 钢；对于断面尺寸小于3 0 m m 、受力较小的小型冷冲压模具，由于受到的压力 比较小，淬透性要求不高，因此选用t 1 2 钢进行9 0 0 渗硼+ 四步热处理复合 强化处理就能得到较好的效果；对于断面尺寸大于3 0 m m d , 于4 5 m m 、受力稍 i l l 两华人学硕十学位论文 大的冷冲压模具，可选用g c r l 5 钢进j 7 9 0 0 c 渗硼十四步热处理复合强化处理。 关键词：渗硼，强韧化，冷冲压模具 i v 两华人学硕十学位论文 c o m p o s i t et o u g h e n i n ga n d m i c r o s t r u c t u r eo fc o l d s t a m p i n gd i e m a t e r i a lp r o c e s s i n gp r o j e c t g r a d u a t ef e n g g u a n g y o n gs u p e r v i s ez h a n gc h o n g - c a t a b s t r a c t h 1t h ec o u r s eo ft h eu s e c o l ds t a m p i n gd i ei ss u b j e c tt ot h em e c h a n i c a lo f c o m p r e s s i o n ，s h o c ka n df r i c t i o n i t sl i f ei sl o wa n dt h ef a i l u r ep e r f o r m a n c eo fi ti s u s u a l l yt h ef o r n lo fw e a l ，d e f o l t n a t i o n ，f r a c t u r e ，e t c s ot h ed i em a t e r i a lt h a ta l w a y s c h o o s e dh i g h a l l o ys t e e lh a sac o m p l e xh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s t oa d d r e s st h i s i s s u e ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fc o l ds t a m p i n gd i e i tp o i n t so u t t h a tt h em a i np e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ts h o u l db eg o o de n o u 吐a b r a s i o nr e s i s t a n c e a n dt h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s s e t c s ot h eb o r o n i z i n gp r o c e s so ft 1 2s t e e la n d g c r l5 s t e e li sr e s e a r c h e d a n dt h ee f f e c to fc a r b i d eb a l lo fc o n v e n t i o n a lb a l l a n n e a l i n g ，r e c y c l i n gt h eb a l la n n e a l i n g ，t r o o s t i t et r e a t m e n ta n dt h ef o u r - s t e ph e a t t r e a t m e n tp r o c e s si sr e s e a r c h e d ，a n dc o m p o s i t es t r e n g t h e np r o c e s s 。o r g a n i z a t i o n a n dp e r f o r m a n c eo ft h eb o r o n i z i n g + f o u r - s t e ph e a tt r e a t m e n tw a sf u r t h e rs t u d y a n dt h em e c h a n i s mo ft h eb o r i d i n ga n dt h et o u 2 f l e n i n go fs t e e lw a sa n a l y s i s e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft e s tr e s u l t s ，r e c e i v e dt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ： ( 1 ) w h e nt h eb o r i d i n gt e m p e r a t u r ei s8 5 0 c ，b o r o n i z i n gt i m eg r a d u a l l y i n c r e a s ef r o ml ht o5 h t h el a y e rt h i c k n e s so ft 12s t e e lg r a d u a l l yi n c r e a s ef r o m4 0 啪t o9 3p ma n dt h el a y e rt h i c k n e s so fg c r l5s t e e lg r a d u a l l yi n c r e a s ef r o m 2 0l a i n t o5 3 m w i t ht h ee x t e n s i o no f b o r i d i n gt i m e ，t h el a y e rt h i c k n e s sa l s oi n c r e a s e ， a n di t si n c r e a s er a t eg r a d u a l l ys l o w sd o w n a tt h es a l n et i m e t h el a y e rt h i c k n e s so f t 1 2s t e e l i sa l w a y sh i g h e rt h a l lg c r l 5 s w h e i lb o r o n i z i n gt i m ei s 5 h b o r i d i n g t e m p e r a t u r eg r a d u a l l yi n c r e a s ef r o m7 5 0 t o9 5 0 ，t h el a y e rt h i c k n e s so ft 1 2 s t e e lg r a d u a l l yi n c r e a s ef r o m5 0 山nt o1 6 3m na n dt h el a y e rt h i c k n e s so fg c r l 5 s t e e l g r a d u a l l yi n c r e a s ef r o m3 2w nt o8 3 岫1 ，w i t ht h ee x t e n s i o no fb o r i d i n g v 两华人学硕十学何论文 t e m p e r a t u r e ，t h el a y e rt h i c k n e s sa l s oi n c r e a s e ，a n di t si n c r e a s er a t eg r a d u a l l ys p e e d u p ( 2 ) w h e nb o r o n i z i n gt i m ei s5 h ，b o r i d i n gt e m p e r a t u r eg r a d u a l l yi n c r e a s ef r o m 7 5 0 t o9 0 0 ，t h e l a y e r h a r d n e s s o f t l 2s t e e l g r a d u a l l y i n c r e a s e f r o m l l 5 5 h v o i t o1 2 1 6h v 01 ，a n dw h e nb o r i d i n gt e m p e r a t u r ei s9 5 0 ，t h el a y e rh a r d n e s so f t l 2 s t e e li s1 1 7 7h v 0l ；t h el a y e rh a r d n e s so f g c r l 5s t e e lg r a d u a l l yi n c r e a s ef r o m1 1 4 7 h v 0i t o12 1 9h v 0i ，a n dw h e nb o r i d i n gt e m p e r a t u r ei s9 5 0 ，t h el a y e rh a r d n e s s o fg c r l 5s t e e li s11 6 3h v 0 1w h e nt h eb o r i d i n gt e m p e r a t u r ei s8 5 0 ，b o r o n i z i n g t i m eg r a d u a l l yi n c r e a s ef r o m1 ht o5 h t h eh a r d n e s so f t l 2i sa r o u n d1 1 7 8 h v 01 1 2 0 5 h v 0i ，t h eh a r d n e s so fg c r l 5i sa r o u n dl1 7 8 h v 0l 1 2 0 5 h v 0i ，i ti n d i c tt h a t b o r o n i z i n gt i m ei sl e s sa f f e c t e d tt ot h es u r f a c eh a r d n e s so ft 1 2s t e e la n dg c r l 5 s t e e l ( 3 ) a f t e rt 1 2w a sb o r i d e d ，t h es u r f a c eh a r d n e s so f t 1 2i s 8 3 5 h v o i ，a n dt h e s u b s u r f a c eh a r d n e s si s1 2 2 0 h v 0l ，w i t ht h el a y e rd e p t hi n c r e a s e ，t h eh a r d n e s s g r a d u a l l yr e d u c et om a t r i x - 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s t e ph e a tt r e a t m e n t q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n ga f t e ra n n e a l i n gc y c l eb a l la n dc o n v e n t i o n a lh e a tt r e a t m e n t i s8 4 0 q u e n c h i n g + 1 5 0 t e m p e r i n g6 0m i n t e m p e r e dm a r t e n s i t e + c a r b i d ec a n b eg e t a m o n gt h e m ，t h ec a r b i d eo ff o u r - s t e ph e a tt r e a t m e n t i sm o s ts m a l l ，r o u n d ， e v e n l yd i s t r i b u t e d b u ts o m ec u s pt h ec a r b i d ei sg o ta f t e rg c r l 5s t e e li sc a r r i e do u t a n n e a l i n gc y c l eb a l l + c o n v e n t i o n a lq u e n c h i n ga n dt e m p e r i n g ，m a n yc u s p ，l a r g e c a r b i d ei s g o t a f t e rg c r l 5s t e e li sc a r r i e do u tc o n v e n t i o n a lh e a tt r e a t m e n t t h e r e f o r e ，t h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s sa f t e rg c r l5 s t e e lc a r r i e do u tf o u r s t e ph e a t t r e a t m e n ti sb e t t e rt h a na n n e a l i n gc y c l eb a l l + c o n v e n t i o n a lq u e n c h i n ga n d t e m p e r i n g ，e v e nb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a lh e a tt r e a t m e n t ( 8 1 t 1 2s t e e ii sc a r r i e do u tc o m p o u n ds t r e n g t h e nh e a tt r e a t m e n th a st h e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：b o r i d i n gt h i c k n e s sc a l lr e a c h e d1 2 0l l m m i c r o h a r d n e s s a r o u n di n1 2 3 5h v o1 ；t h eh e a r to r g a n i z a t i o ni st e m p e r i n gm a r t e n s i t ea n ds m a l l ， r o u n d u n i f o r md i s t r i b u t i o nc a r b i d e ，a n dt h eh e a r th a r d n e s si s6 1 5h r c ；t h u st h i s i sa b l et om e e tt h es m a l la n dm e d i u m s i z e dc o l ds t a m p i n gd i eo nt h es t r e n g t h t o u g h n e s sa n dw e a r r e s i s t a n c er e q u i r e m e n t s ( 9 1 t 1 2s t e e l sa c mi s8 2 0 ，w h e ni ti sb o r i d e da t9 0 0 f o r5 h ，c a r b i d e d e c o m p o s i t i o na n de n t e r e di n t ot h ea u s t e n i t i c ，t h ec a r b o na t o m sp r o l i f e r a t eu n i f o r i l l a n da c h i e v et h er e s u l to fu n i f o r ms o l u t i o na f t e r5 hp r o l i f e r a t e ，t h e r e f o r e , t h e s o l u t i o nt e m p e r a t u r ei sp r o p o s e dd r o p p e df r o m9 5 0 t o9 0 0 a r o u n d 曲华人学硕十学位沦文 ( 10 ) g c r l5i ss t e e lc a r r i e do u tc o m p o u n ds t r e n g t h e nh e a tt r e a t m e n th a st h e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：b o r i d i n gt h i c k n e s s c a nr e a c h7 2g m ，m i c r o h a r d n e s s a r o u n di n1 2 4 8 h v 0l ；t h eh e a r to r g a n i z a t i o ni st e m p e r i n gm a r t e n s i t ea n ds m a l l ， r o u n d ，u n i f o r md i s t r i b u t i o nc a r b i d e a n dt h eh e a r th a r d n e s si s6 2 5h r c ；n l u st h i s i sa b l et om e e tt h es m a l la n dm e d i u m s i z e dc o l ds t a m p i n gd i eo nt h es t r e n g t h t o u g h n e s sa n dw e a r - r e s i s t a n c er e q u i r e m e n t s f l1 ) t h e r ei sai i t t l eh o l l o wi nt h eb o f i d el a y e ra f t e rg c r l 5s t e e l i sc a r r i e do u t c o m p o u n ds t r e n g t h e nh e a tt r e a t m e n t ，a n dt h e r ei sn os p a l l i n gp h e n o m e n o n ，b o f i d e l a y e rt r a n s i t sr e l a t i v e l ys m o o t h n o to n l ys o l u t i o nc a nb ea c h i e v e d ，b u ta l s o o v e r c o m et h ep h e n o m e n o no fl a y e r ”h o l l o w ”w h e ns o l u t i o nt e m p e r a t u r ed r o p p s f r o m1 0 5 0 t oa r o u n d9 8 0 ( 1 2 ) t 1 2s t e e la n dg c r l 5s t e e la r eb ec a r r i e do u tc o m p o u n ds t r e n g t h e n t r e a t m e n th a v eg o o dw e a rr e s i s t a l i c ea n ds t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ，i tc a nm e e tt h e b a s i cp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sw h e nc o l ds t a m p i n gd i ei su s e d i nt h e a c t u a l s e l e c t i o nt h em a t e d a lo fs m a l la n dm e d i u m - s i z e dd i e i tn e e dt op a ya t t e n t i o nt ot h e f o l l o w i n gq u e s t i o n s ：t h eh a r d e n a b i l i t ya n da n t i t e m p e r i n go fg c r l 5s t e e li s s u p e r i o rt h a nt 12s t e e l ；c o l ds t a m p i n gd i ew h i e hs i z ei ss m a l l e rt h a r l3 0m ma n d s u b i o c tt os m a l l e rf o r o e ，d u et os u b j e c tt or e l a t i v e l ys m a l lp r e s s u r e 。d o n tn e e dh i 曲 h a r d e n a b i l i t y s oo p t i o nt 1 2s t e e lt om a k et h ed i e ，w h i c hh a v ea9 0 0 b o r o n i z e + f o u r - s t e ph e a tt r e a t m e n tc o m p o u n d t o u g h e nt r e a t m e n tc a nb eg e tg o o de f f e c t c o l d s t a m p i n gd i ew h i c hs i z ei sl a r g e rt h a n4 5m i l ln o ts m a l l e rt h a n3 0 m ma n ds l i g h t l y b i g g e rf o r c et h a nt h es m a l lc o l ds t a m p i n gd i e ，r e l a t i v e l ys l i g h t l yb i g g e rp r e s s u r e ， n e e ds l i g h t l yh i g h e rh a r d e n a b i l i t y s oo p t i o n lg c r l 5s t e e lt om a k et h ed i e ，w h i c h h a v ea9 0 0 b o r o n i z e + f o a r s t e ph e a tt r e a t m e n tc o m p o u n d - t o u g h e nt r e a t m e n tc a n b e g e tg o o d e f f e c t k e y w o r d s ：b o r i d i n g ，t o u g h e n i n g ，c o l ds t a m p i n gd i e v 1 1 1 西华火学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：，拖岛z ，g 年月2 9e t 导师签名：升潆才曲绗厂月窍乍 州华