（材料加工工程专业论文）crwmn钢冷挤压模具的复合强化工艺研究.pdf

两华大学硕+ 学位论文 c r w m n 钢冷挤压模具的复合强化工艺研究 材料加工工程专业 研究生李大林指导教师张崇才教授 摘要 本文分析了冷挤压模具的工作条件，调查分析了常见的失效形式，提出了 相应的性能要求；对比研究了c r w m n 钢的四种碳化物球化处理工艺，以及两种 低温、短时、快速加热淬火工艺的组织与性能；同时研究了电火花强化工艺参 数等，比较深入地讨论了钢的碳化物球化机理和强韧化机理。综合试验结果和 讨论分析，得到以下主要结论： ( 1 ) c r 删l n 钢试样经常规球化退火、循环球化退火、屈氏体化处理( 9 8 0 油冷+ 常规球化退火) 和1 0 0 0 。c 固溶+ 7 0 0 回火2 h ( 高温固溶+ 高温回火) 的四种碳化物球化处理，得到球状珠光体组织。1 0 0 0 固溶+ 7 0 0 回火2 h 处理后的组织特征是铁素体基体上分布的颗粒状碳化物基本上达到了细小、圆 整、均匀、弥散分布的程度，其中较粗大的碳化物数量很少。其余三种碳化物 球化处理工艺的组织中均明显存在较粗大、尖角状碳化物，且有网状碳化物痕 迹。碳化物球化效果由好到差的顺序为：高温固溶+ 高温回火，屈氏体化处理， 循环球化退火，常规球化退火。 ( 2 ) c r w m n 钢试样经1 0 0 0 固溶+ 7 0 0 回火2 h 处理，淬火加热温度分别 为7 7 0 、8 0 0 ，两种温度都分别保温1m i n 、5 m i n 、1 0m i n 和1 5m i n ，油 冷后得到的金相组织是马氏体+ 细小、圆整、均匀、弥散分布的碳化物+ 少量 的残余奥氏体。其中，7 7 0 c 保温5 m i n 油冷的金相组织中的板条马氏体数量最 多。7 7 0 保温5 m i n 油冷后2 0 0 回火2 h ，金相组织是回火马氏体+ 细小、圆 整、均匀、弥散分布的碳化物，并且h r c = 6 2 。这种组织具有高硬度、强度和 较好的强韧性。 ( 3 ) 放电电容量为1 6 0 p f ，试样的强化面积为1 8 c m 2 ，强化时间为4 m i n 较 西华大学硕士学位论文 佳，得到了具有一定厚度的连续、均匀、致密的强化层。强化时间过短，强化 层过薄，强化效果不明显；强化时间越长，强化层越厚，但强化层凸凹不平， 易出现裂纹或剥落，并使强化效率降低。 ( 4 ) 较为优异的电火花强化工艺为：先采用较大的电规准强化以满足强化 层的厚度要求，同时提高强化效率；然后采用较小的电规准进行强化表面的整 修，以提高强化表面的光洁程度和致密性。 ( 5 ) 采用钨钴硬质合金电极材料，电容量为1 6 0 1 x f ，电火花强化c r 帆l n 钢 其白亮层、过渡区和基体的平均硬度分别为1 2 8 0 h v 、6 5 0 h v 和7 3 4 h v ，过渡区 硬度比基体稍低的原因是马氏体组织受热影响再次回火所致。比强化时间约为 2 m i n c m 2 ，电容量在1 6 0 1 x f 时，强化层光洁致密，厚度达到5 8 4 岫。 ( 6 ) 分别采用2 0 虾、4 0 师、8 0 灯、1 6 0 9 f 、2 2 0 1 x f 的电容量进行电火花强 化，各个试样距表面3 5 - 4 0 肛m 处硬度随着电容量的增加先增加而后又降低，最 大值1 2 3 6h v 对应的电容为8 0 师。 ( 7 ) 在工业生产中，建议c r w m n 钢冷挤压模具试用的强化工艺如下：1 0 0 0 固溶+ 7 0 0 回火+ 7 7 0 保温5 m i n 淬火+ 2 0 0 。c 回火2 h + 硬质合金为电极 材料的电火花强化。 关键词：冷挤压模具电火花强化强韧性复合强化 i i 两华大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ec o m p o u n d s t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u e o f c r w m ns t e e lc o l de x t r u d i n gd i e m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：l id a l i n s u p e r v i s e ：p r o f z h a n gc h o n g c a i a b s t r a c t t h ep a p e r a n a l y z e s t h e w o r k i n g c o n d i t i o n so fc o l d e x t r u d i n gd i e ， i n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so f f a i l u r ep e r f o r m a n c e ，t h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r d ；f o u rc a r b i d es p h e r o i d i z a t i o np r o c e s s e so fc r w m n s t e e la r e r e s e a r c h e d ，o r g a n i z a t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h et w ok i n d so fl o w t e m p e r a t u r e ，s h o r t h o l dt i m ea n df a s th e a t i n gq u e n c h i n gp r o c e s s e sa r ea n a l y s i s e d ； a tt h es a m et i m et h ee l e c t r o - s p a r ks u r f a c es t r e n g t h e n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r e s t u d i e d ，c a r b i d eb a l lm e c h a n i s ma n dt h es t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gm e c h a n i s m o fs t e e la r ef u r t h e ra 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 gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h ef o u re f f e c to fc r w m ns t e e lc a r b i d eb a l lo f c o n v e n t i o n a lb a l la n n e a l i n g ， r e c y c l i n gb 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 t ( 9 8 0 。co i lc o o l i n g + c o n v e n t i o n a lb a l l a n n e a l i n g ) a n d10 0 0 。cs o l u t i o n + 7 0 0 。ct e m p e r i n gf o r2 hm i g h t e m p e r a t u r es o l u t i o n + h i g ht e m p e r a t u r et e m p e r i n g ) i sr e s e a r c h e d ，g l o b u l a rp e a r l i t et i s s u ec a l lb eg o t t h e t i s s u es i g n a t u r eo f10 0 0 。cs o l u t i o n + 7 0 0 。ct e m p e r i n gf o r2 hi st h eg r a n u l a rc a r b i d e o l lf e r r i t em a n i x b a s i c a l l y r e a c h e d s m a l l ，r o u n d ，e q u a l i t y , e v e n l y d i f f u s e d i s t r i b u t i o n ，l a r g ea n dc u s pc a r b i d ei sn o te x i s t t h eo t h e r st h r e et y p e so fc a r b i d e s p h e r o i d i z a t i o np r o c e s so ft h eo r g a n i z a t i o nm a n yl a r g ea n dc u s pc a r b i d ei se x i s t ， e v e nt h e r ea r et r a c e so fn e tc a r b i d e t h e r e f o r e ，t h ee f f e c to fc a r b i d eb a l lf r o mg o o d t op o o r ：h i g h - t e m p e r a t u r es o l u t i o n + h i g h t e m p e r a t u r et e m p e r i n g t r o o s t i t et r e a t m e n t ，r e c y c l i n gt h eb a l la n n e a l i n ga n dc o n v e n t i o n a lb a l la n n e a l i n g 1 1 i 两华大学硕士学位论文 ( 2 ) c r w m ns t e e li st r e a t e da t10 0 0 。cs o l u t i o n + 7 0 0 。ct e m p e r i n gf o r2 h ，q u e n c h i n gh e a tt e m p e r a t u r ei s7 7 0 。c ，8 0 0 。c ，t w ot e m p e r a t u r eh o l d i n gt i m ei s 1 m i n ， 5 m i n ，1 0m i na n d15r a i n ，t h em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ea f t e ro i lc o o l i n gi s m a r t e n s i t e + t h ec a r b i d ei ss m a l l ，r o u n d ，e q u a l i t y , e v e n l yd i f f u s ed i s t r i b u t i o n + l e s s r e t a i n e da u s t e n i t e a m o n gt h e m , t h el a r g e s tn u m b e ro fl a t hm a r t e n s i t ei se x i s ta t 7 7 0 。cf o r5m i no i lc o o l i n g t h em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ea f t e r2 0 0 。ct e m p e r i n g2 h i sp m a r t e n s i t e + s m a l l ，r o u n d ，e q u a l i t y , e v e n l yd i f f u s ed i s t r i b u t i o n ，a n dh r ci s6 2 t h i so r g a n i z a t i o nh a sa h i g hh a r d n e s s ，s t r e n g t ha n db e r e rs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ( 3 ) t h ed i s c h a r g ec a p a c i t yi s16 0 “f ，t h eh a r d e n i n gs u r f a c ea r e ao fs a m p l ei s 1 8 c m 2 ，t h eb e s th a r d e n i n gp e r i o di s4 m i n ，f o r m i n gas u c c e s s i v e ，w e l l d i s t r i b u t e d l a y e rw i t hac e r t a i nd e p t h i ft h eh a r d e n i n gp e r i o di st o os h o r t , t h el a y e rw i l lb et o o t h i na n dh a sl e s se f f e c t ；o nt h eo t h e rh a n d ，i ft h eh a r d e n i n gp e r i o di st o ol o n g ，t h e l a y e rw i l lb r e a ka n dc o m eo f f , t h eh a r d e n i n gp r o d u c t i v e n e s sw i l ld e c r e a s e s ( 4 ) t h eo p t i m u mt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c eh a r d e n i n gi st h a t ： t om e e tt h er e q u i r e m e n to fac e r t a i nl a y e rd e p t ha n di m p r o v et h eh a r d e n i n g p r o d u c t i v e n e s s ，al a g e re l e c t r i c a lp a r a m e t e rs h o u l db ea d o p t e df i r s t ，a n dt h e na s m a l l e re l e c t r i cp a r a m e t e ri ss e l e c t e dt oi m p r o v et h e l a y e r ss m o o t h i n ga n d c o m p a c t n e s s ( 5 ) w c - c oc e m e n t e dc a r b i d ee l e c t r o d em a t e r i a li su s e d ，t h ed i s c h a r g ec a p a c i t yi s 16 0 灯t h ea v e r a g eh a r d n e s so fw h i t e b r i g h tl a y e r , t r a n s i t i o nr e g i o na n d m a t r i xa r e12 8 0 h v , 6 5 0 h va n d7 3 4 h v , r e s p e c t i v e l y , t r a n s i t i o nr e g i o nh a r d n e s s s l i g h t l yl o w e rt h a nt h em a t r i xd u et om a r t e n s i t eh e a ta f f e c t e db yt e m p e r i n ga g a i n t h es t r e n g t hr a t i ot i m ei s2 m i n c m 2 ，w h e nt h ec a p a c i t y i s16 0 1 x f ，t h es u r f a c eo f s t r e n g t h e n i n gc o a t i n gi sg l a b r o u sa n dc o m p a c t ，t h i c k n e s si s5 8 4 1 a m ( 6 ) u s i n gt h ed i f f e r e n tc a p a c i t yt om a k ee l e c t r o - s p a r ks t r e n g t h e n i n g ，s u c ha s 2 0 1 a f ，4 0 1 t f ，8 0 师，16 0 1 t f ，2 2 0 1 a f ，a 1 1s a m p l e sf r o m3 5 4 0 1 a r ns u r f a c eh a r d n e s s d e p a r t m e n ti n c r e a s e sf i r s ta n dt h e nr e d u c ew h e nt h ec a p a c i t yi n c r e a s e ，t h em a x i m u mv a l u ef o rt h e1 2 3 6h vc o r r e s p o n d i n gt o8 0 师c a p a c i t y ( 7 ) i nt h ep r o d u c t i o no fi n d u s t r y , t h et r i a lo fc r w m n s t e e lc o l de x t r u d i n gd i e 西华大学硕士学位论文 i n t e n s i v ep r o c e s s e sa r ea sf o l l o w s ：10 0 0 * cs o l u t i o n + 7 0 0 。ct e m p e r i n g + 7 7 0 f o r 5m i nq u e n c h i n g + 2 0 0 。c t e m p e f i n g2 h + e l e c t r o d em a t e r i a l sf o rc e m e n t e dc a r b i d e e l e c t r o s p a r ks t r e n g t h e n i n g k e y w o r d s ：c o l de x t r u d i n gd i e ，e l e c t r o s p a r ks t r e n g t h e n i n g ，s t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ， c o m p o u n ds t r e n g t h e n i n g v 两华人学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密d 适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 指导教师签名：账厂案方 瞧2 m 1 j i 6 西华大学硕士学位论文 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。 础二湫如研。厂 匆铭名二妹案才 l 唧、l ? j 西华人学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题研究背景及发展动态 模具是工业生产中的重要工艺装备，是工业产品批量生产的有效工具，国 民经济中各大产业的发展都离不开模具。它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。因此，模具生产技术水平的高低，己成为衡量一个 国家产品制造水平高低的重要标志，模具工业的发展和振兴日益受到国家的重 视。 近些年来，模具产业占g d p 的比重越来越大，保持着良好的发展势头，“行 业规模不断扩大，生产效率不断提高，产业结构不断升级，技术水平不断进步”。 模具产业在国民经济中的地位愈加显著和突出。 目前，模具产业正处于前所未有的大好形势下，一是随着我国模具设计、 生产技术水平的提高，在国际市场上的竞争力越来越强，出口模具的数量越来 越多、档次越来越高：二是在经济全球化的进程中，世界制造中正逐步向我国 转移，国内模具的用量也越来越大、档次越来越高，这都有利于我国模具产业 的进一步发展和壮大。 在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，6 0 8 0 的零部件都要依靠模具成形( 型) 。用模具生产制件所具备的高精度、高复 杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能替代的。 近几年，我国模具工业增长速度较快，在世界模具产值中，比例显著提高， 模具钢的用量也在显著增加。而模具制造的首要问题是模具材料，模具材料本 身的特性及热处理的结果起着十分重要的作用。采用先进的热处理工艺，使模 具具有更好的性能，更能满足使用要求，有利于延长模具寿命，对于在不同使 用条件下的模具，即使选用了相同的模具材料，由于所要求的性能不完全相同， 所采用的热处理工艺也不应该一样。 我国模具钢生产技术发展较快，从d , n 大，从仿制到研制，目前模具钢产 量己达到世界前列。经修订的g b t1 2 9 9 2 0 0 0 合金工具钢标准中有3 7 个 钢种，包括了冷作、热作和塑料模具用钢系列。我国生产的模具钢按使用来分， 塑料模具钢约占5 0 ，冷作模具钢约占2 8 ，热作模具钢占约2 0 ，其余为特 殊模具钢约占2 。由于产品技术要求的不断提高，高档模具钢的进口量逐年上 两华大学硕士学位论文 升，进口量约为每年6 万吨左右。 在模具材料的生产方面，国家对模具钢生产企业投入较大的财力和人力， 使模具钢的制造水平取得了较大的进步，但与国外先进国家相比，在技术上仍 有一的差距。国内大多采用电炉钢冶炼，钢的纯净度差，表面脱碳层深，碳化 物级别高，中心疏松超标。通过电渣重熔生产的模具钢所占比例较小，大约在 1 1 0 。国外模具钢成材率在8 5 9 0 ，国内仅为7 0 ，差距较大。在品种、质 量、规格尺寸及材料性能上难以满足国内市场的需求，因此，我国每年都有大 批的中高档模具材料依靠进口。国产模具材料约占国内市场8 0 以上，大部分 是中低档模具材料，高档模具材料进口占2 0 左右。在模具材料的应用和开发 方面，国内模具材料生产的钢种大都是g b l 2 9 9 - 2 0 0 0 标准中的材料，占全部产 量的9 0 以上。2 0 0 5 年，国内主要模具钢生产企业产量为3 5 8 万吨( 不包括 $ 5 5 等模架材料) ，2 0 0 6 年上半年产量为1 8 万吨，其中主要为h 1 3 钢，约为5 万吨，虽然国内2 0 世纪8 0 年代开发了一批优秀的模具钢种，但近年来，模具 材料研发未得到有关方面的重视，致使研发缓慢、研究设备落后、开发能力下 降。在新钢种的研发上大大落后于世界先进的模具钢企业。在模具材料大量进 口的冲击下，国产新型模具钢的生产和应用步履艰难。实际上，在许多进口模 具钢中，大部分产品我国都有能力进行研究开发，关键是要得到有关方面的重 视，加强模具钢的基础研究，加快模具钢生产工艺设备的改造及生产工艺的攻 关，提高我国模具钢的质量和性能水平，满足日益增长的模具产品的发展需要 2 】 1 2 国内外研究现状 钢的冷挤压用模具材料，是在第二次世界大战期间发展起来的。最早用中 碳合金钢( 如1 2 c r 钢等) 制造凸模及凹模，允许的挤压应力为2 0 0 0 2 5 0 0 m p a 。 在德国用来挤压软钢弹壳，寿命很低，只有几千件。后来，一些工业较发达的 国家，为突破冷挤压技术应用上的局限性，把高碳高铬模具钢和钨系高速钢用 来制造冷挤压模具，允许的挤压应力可达2 5 0 0 3 0 0 0 m p a ，从而使变形抗力较 大的低合金钢、中碳调质钢等的冷挤压成形成为可能，寿命也有了大幅度的提 高，可达万件以上。到了六十年代，美国、日本等国家研究用高弧韧、高耐磨 2 两华大学硕十学位论文 的铂系高速钢制造冷挤压模具，允许的挤压应力超过3 2 0 0 m p a ，使钢质模具的 寿命有了更进一步的提高。目前，添加有钨、钒、钛、铌、钴等元素的高碳高 铬钢和钨系高速钢已成为各国常用的钢种，铝系高速钢和硬质合金及钢结硬质 合金的应用也已很普遍。因此高速钢及不锈钢等有极高变形抗力的高合金钢的 冷挤压都已成为可能。 国外正在研究更高强韧性和耐磨性的新材料。并采用电渣重熔、粉末冶金、 表面强化处理等新工艺，旨在从根本上改进材质和提高模具寿命。 我国的冷挤压模具材料，近年来有一个迅速的发展，达到了先进的水平。 如钼系高速钢，在国外，主要是美、英、日等国家采用，在日本几乎已全部取 代了钨系高速钢。我国在1 9 6 7 年已将w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢用于活塞肖冷挤压模具。 并在较短的时间内，我国先后试制成6 w 6 m 0 5 c r 4 v 、9 c r 4 m 0 3 s i 2 w v 等各种新型 材料，并在生产中都已有显著的效果。我国钼系高速钢冷挤压模具，在挤压低 合金钢时，最高寿命可达7 万8 万件。1 5 n i n 钢滚针套反挤用的钨系高速钢凸 模，寿命可达2 万4 万件。用于冷挤5 c r m n m o 钢的钢结硬质合金凸模，寿命 高达2 4 - - 6 0 万件，其凹模更高达2 4 - 一1 2 0 万件。大大超过了一些国家的模具 寿命水平嘲。 近些年在不改变模具材料的基础上，用一些试验方法来加强模具的使用寿 命，这种趋势越来越得到重视，国内有一些学者对冷挤压模具复合强化处理方 面就进行了一些研究。如王荣滨等人在活塞销冷挤压凸模的复合强化处理 的文章中，对一些新的复合强化处理工艺进行了分析h 1 ；马跃新等人在c r l 2 钢冷作模具强韧化热处理工艺研究文章中，对c r l 2 钢冷作模具的强韧性和使 用寿命进行了研究，先进热处理后的拉丝模和冷冲模的使用寿命比常规热处理 工艺处理的使用寿命提高1 2 倍晴1 ；唐明华在( c r l 2 m o v 钢冷挤压成型模强化 工艺的研究的文章中，针对了c r l 2 m o v 钢冷挤压成形模热处理存在的质量问 题，采用了高温盐浴快速加热模具强化处理新工艺，可以避免早期实效，显著 提高模具的使用寿命哺3 。 3 西华大学硕十学位论文 1 3 本课题研究的目的和意义 研究目的：冷挤压模具是在比较恶劣的条件下工作的，要求冷挤压模具在 相应的热处理后，应具有高硬度、优良的耐磨性，高强度，良好的强韧性，足 够的耐热性能，以保证模具具有一定的耐用度。为此需要研究制定先进的热处 理工艺来满足模具对使用性能的要求，充分发挥材料的性能潜力，达到延长模 具寿命的目的。 研究意义：本课题主要是编制冷挤压模具热处理工艺，研究热处理工艺参 数对金相组织和性能的影响，提高冷挤压模具的使用寿命，避免冷挤压过程中 的早期失效，有着显著的社会效益和经济效益。 1 4 本论文研究的试验方案与技术路线 试验方案如下： 1 根据工作条件及性能要求选择冷挤压模具材料( c r w m n ) 。 2 对c r w m n 钢进行碳化物微细化工艺和控制马氏体组织形态工艺的试验研 究，选出最佳方案。 3 在上面的基础上进行电火花表面强化试验。 技术路线如下： 4 两华大学硕士学位论文 西华大学硕士学位论文 2 冷挤压模具的工作条件、性能要求及材料的选择 2 1 冷挤压模具的工作条件 冷挤压模具在工作时承受很高的压缩应力，大约可以达到2 5 0 0 - - - - 3 0 0 0 m p a 。 由于机床调整中对不良或毛坯端面不平整因素，还可能引起侧向应力，导致凸 模承受很高的弯曲应力。脱模时凸模承受较小的应力，该应力与弯曲负荷引起 的拉伸边的拉应力叠加，常常使凸模在反行程的一瞬间，引起断裂。因此，凸 模在整个工作过程中的受力状况，可以说是大压、小拉的交应变力和附加弯曲 应力的叠加，由于挤压一个制品是在一刹那完成的，所以凸模承受着冲击负荷。 另外，凸模在工作过程中，刃带部分由于与强烈流动的金属之间的摩擦，引起 擦伤和磨损，凸模肩部则承受很高的接触压力和摩擦力，产生磨损和麻点，它 可以成为疲劳源，促使凸模产生弯曲疲劳断裂口3 。冷挤压模具的正常失效方式 表现为擦伤磨损，或挤压时剥落的碳化物质点对模具的磨粒磨损以及由于模具 和挤压坯料之间的巨大压力所造成的摩擦作用，不仅加剧了模具的磨损，而且 使模具受到较强的加热，表层温度可达到3 0 0 - - - - 4 0 0 ，引起氧化磨损。另外， 冷挤压模具工作时，在内压力p 的作用下，凹模所受的最大切向应力0 分布在 型腔表面。 2 2 冷挤压模具的性能要求和材料的选择 2 2 1 对冷挤压模具的性能要求 ( 1 ) 必须具有高强度和高硬度，这样在挤压中可以避免工作零件本身的塑性变 形、破坏和磨损。 ( 2 ) 应具有相当高的韧性，可以避免由于冲击、偏心载荷，疲劳应力集中而引 起的折断和开裂破坏。 ( 3 ) 应具有较高的耐磨性，使模具具有较高的使用寿命，以保证挤压件的尺寸 精度。 ( 4 ) 具有足够的耐热性能。在冷挤压中，模具工作零件的局部温度可高达3 0 0 4 0 0 左右，因此要求材料在这么高的温度下硬度保持不变。 ( 5 ) 材料必须有良好的加工性能。如在热加工时，锻造性能要好；机加工时要 容易进行切削；热处理时应有较高的温度区间，变形和热倾向小。 当然，在大多数情况下，某种模具钢不可能全部满足上述要求，应该根据 具体情况来选择最能符合使用条件的材料。 6 两华人学硕士学位论文 2 2 2 材料的选择 挤压模具材料经历了一个由碳素工具钢一低合金工具钢一高合金工具钢 一高级合金模具材料的发展过程。随着热处理新技术特别是表面强化处理工艺 的发展，模具材料又出现了一种从高级材料( 加一般热处理) 一低级材料( 加表 面强化处理) 的发展趋势。但二者并不矛盾，而是相辅相成的。为了满足模具的 工作条件要求，延长使用寿命，便于维修，提出采用表面强化处理新技术，从 而提高模具的工作面及其刃口的耐磨性，并同时使模具工作面内部保持足够的 强韧性。这对改善模具的综合性能，节约合金元素，大幅度降低成本，充分发 挥材料的潜力以及更好地利用新材料都是十分有利的。实践证明：采用表面强 化技术处理，是提高模具制件质量和使用寿命的一个有效途径。 根据上述发展现状和实际情况分析，本论文选择c r i n n 钢作为试验材料， 因为c r w l n 钢具有高的淬透性、硬度及耐磨性，而且w 还有助于保存细小晶粒， 从而使钢获得较好的韧性。而相比较来说不宜选择其它种类的钢，例如碳素模 具钢的淬透性低；9 c r s i 在热处理时容易脱碳；c r ，。、w 。8 c r 。v 等高合金模具钢有 比较严重的碳化物偏析。本试验内容是对c r w m n 钢进行碳化物微细化工艺、改 善马氏体形态工艺和电火花表面强化工艺的试验研究。 两华大学硕士学位论文 3 钢的强韧化 细化晶粒和变相产物的组成物是达到钢的强化与韧化的有效途径之一。除 原始奥氏体晶粒外，等效晶粒、亚晶粒等的细化都具有使钢强韧化的作用 3 1 晶粒与晶界 钢作为多晶体金属材料系由许多晶粒所组成。晶界是把结构相同但位向不 同的晶体分隔开来的一种面缺陷。而且在晶体转变、变形、退火以及蠕变等过 程中，还经常存在着把一个晶粒分割成许多相互间具有微小位相差的小品块的 亚晶界，由于晶界与晶粒内的结构不同，从而具有一系列的特殊性能，这对钢 的强化与韧化过程起着非常重要的作用。 晶界由于其原子排列的畸变较大，使自由能增高。这种额外的自由能即晶 界能。小角度晶界的能量主要来自位错的能量，包括形成位错的能量和将位错 排成有关组态所做的功，其大小与位向差有关。晶界能较高时，有自发地向低 能态转变的趋势，当温度升高，原子活动能增大，就能发生晶粒长大，晶界平 直化，以减少晶界总面积，从而降低了晶界的总能量，这就是奥氏体晶粒随加 热温度升高而长大的原因。 晶界附近的原子排列紊乱而疏松、偏离其平衡位置，故具有较高的动能， 且晶界存在较多的空位、位错等缺陷，故原子扩散比晶内容易，速度也较快。 原子横越晶界从一个晶粒向相邻晶粒的晶格结点上跳动，当相对两方面上跳动 的原子数量不等时，将会造成品界的迁移。当晶界有曲率时，有利于从凸面向 凹面方面跳动而引起晶界迁移，这正是再结晶和晶粒长大的过程。温度越高， 原子动能愈大，则晶界迁移的速度愈快。如有杂质原子和第二相质点存在，则 由于它们与晶界的相互作用阻碍晶界的迁移。 由于晶界扩散容易，使点缺陷与溶质原子易于相互作用，从而是新相形核 的有利位置。原始奥氏体晶粒细化，晶界面积增大，新相形核率也随之升高。 溶质原子和杂质原子在晶界区富集的现象即为晶界的内吸附。产生这种现 象是由于溶质原子在晶粒内部引起的畸变能远大于在晶界处引起的畸变能之 故。对于小角度晶界，由于溶质原子与该处位错的相互作用而引起富集。大角 度晶界错配更为严重，内吸附作用更为强烈。溶质原子在晶界上的浓度c 与平 8 两华人学硕士学位论文 均浓度c 。，的关系可表示为： c = c oe x p ( 茜) ( 3 1 ) 式中u 为溶质原子在晶粒内和晶界上的能量差。 研究表明，在平衡状态下，溶质原子在晶界的浓度可能比晶内高1 0 到1 0 0 0 倍，这是由于它们富集于晶界而发生作用的原因。 晶界还能阻碍位错运动和裂纹的扩展，增大这些过程所消耗的能量，从而 能提高钢的强韧性。 相邻两异相间的界面不仅晶粒位向不同，而且晶界结构和化学成分也不 同，此异相界面也通常称相界面。按照原子在该界面上排列不同，存在有共格 界面、部分共格界面和非共格界面等。相界面由于原子间结合键的变化和结构 上的畸变，从而使之具有特殊的界面能，它对钢的强化和韧化过程也起着重要 作用。 通常把原始奥氏体晶粒尺寸作为晶粒粗细的度量。为便于对奥氏体冷却转 变产生的组织粗细进行较准确的比较，从而提出“等效晶粒”的概念隋1 。假设 奥氏体转变产物结构中的脆断发生在 1 0 0 面时，则等效晶粒尺寸可看作是被 大角度界面所包围的区域的尺寸。此假设又由试验所证实旧1 0 j 。 凯马达等人1 对马氏体、贝氏体复合组织的研究中发现，当奥氏体在转变 过程中先形成的相为针状时，将会分割原始奥氏体晶粒，随后的转变将在奥氏 体晶粒内被分割原始奥氏体晶粒，随后的转变将在奥氏体晶粒内被分割而细化 了的小区域内进行，从而转变产物的尺寸受小区域的限制而显著细化，他们通 过对冲击试样脆性断口边缘横向断面观察分析，建立了断口小平面与亚结构之 间的关系，并从中得出结论：小平面两个末端与马氏体板条束的边界或块状转 变产物中铁素体晶粒边界，亦即大角度边界相重合。这表明，等效晶粒可使为 板条束宽度( 马氏体) 和块状产物( 如铁素体) 中的晶粒尺寸。 3 2 细晶强韧化机理 强度和韧性分别是材料抗变形及抗断裂的能力，也是从变形到断裂吸收能 量的度量。而晶界等昴面在变形和断裂过程中起着重要作用。从而与钢的强化 和韧化关系密切。 9 西华大学硕+ 学位论文 晶体强度随其中位错等缺陷密度的增高而增高。随位错密度的增高，由于 它们自身之间的交互作用，以及受其他障碍物的阻碍，其运动受到的阻力增大。 金属的屈服强度实质上是位错运动所受到的各种阻力的总和，而晶界就是重要 的障碍和阻力。 位错在滑移面上运动遇到晶界受阻而塞积，只有当位错塞积群引起的应力 集中增加到一定程度，相邻的晶粒才能被迫发生相应的滑移，引起塑性变形的 宏观效果。这是导出霍尔一派兹关系的基本依据。因此也可以看出，钢的晶粒 尺寸愈小，则单位体积内的晶界面积愈大，钢的强化程度也愈高。 除原始奥氏体晶粒外，亚晶粒、等效晶粒的细化也起到相同的强化作用。 马兹达等人哺3 提出，大角度晶界也是屈服和解理裂纹扩展的障碍。凯马达等人 n 提出，等效晶粒可对钢的强韧化都起作用依次，霍尔一派兹公式可写为： o s = d o + k d ( 3 - 2 ) 式中d 。为等效晶粒直径。 在两相区形变所产生的混晶组织系由多边形晶粒和亚晶粒或胞状亚结构 所组成。布拉姆菲特和马德指出，考虑到形变再结晶组织中晶粒和胞状亚结构 各自的体积分数，应加上胞状亚结构对屈服强度的贡献，霍尔一派兹关系可改 为n 刳： 莎，= a o + k ，以( 1 一z ) + 疋以t 正 ( 3 - 3 ) 式中趣和z 分别为胞状亚结构的直径和体积分数；k ，、k 分别针对完全 再结晶组织及完全胞状亚结构通过试验而测定的值。上述模型与试验数据大致 吻合。 从以上分析可知，晶界、亚晶界等界面的增加都导致钢的强化。故细化晶 粒和等效晶粒是有效的强化途径。 、 晶界也通过增加裂纹形成和裂纹扩展过程的难度，增加能量的消耗而提高 钢的韧性。 如前所述，裂纹的形成起始于大而集中的塑性变形，并大多发生在晶界和 相界处。当形变由一个晶粒通过晶界而达到相邻的晶粒时，由于晶界区原子排 列紊乱、位错结构复杂等特点而跨越困难，位错在晶界塞积而使应力集中增高 直至裂纹形成，这要消耗大量的能量。随晶粒细化，单位体积内晶界面积的增 1 0 西华大学硕士学位论文 加，而钢的韧性也相应地提高。 细化晶粒即增加晶界面积还可增大它对裂纹扩展和解理断裂的阻碍作用 而提高钢的韧性。裂纹扩展遇到晶界时，由于晶界两侧晶粒的取向不同而被迫 改变方向或终止扩展。- 这将使裂纹扩展消耗的能量增大，相应使钢的韧性增高。 ，这些分析与前曾述及的随晶粒尺寸d 减小而裂纹形成困难，钢的韧性增高， 以及随d 减小而解理断裂应力仉相应增大的关系都是一致的n 卵即： 听兰备j 、u ( 3 - 4 ) 式中心为有效比表面能。 由于内吸附作用，溶质原子和杂质原子常偏聚于晶界，使晶界脆化。晶粒 细化，则由于晶界总面积增大，使单位晶界面积内杂质量减少，钢的脆性也相 应降低，韧性得以改善。有学者提出，钢的韧脆性转变温度t 。与晶界粒度之间 存在如下的关系式【1 2 】： t o = 6 r + a ( a 沉淀+ a 碡错+ ) 一b d 一愿( 1 一z ) 一c a ) 必a e n ( 3 5 ) 式中t 为取决于化学成分的常数；a 、b 、c 、e 为常数；f 。为亚晶粒的体 积分数；d e 为等效晶粒尺寸；n 为控轧造成的分层数。 从上式看出，奥氏体晶粒的细化均伴随着韧脆转变应力的降低。 综上可知，细化晶粒，增加对位错运动的阻碍作用和增加变形难度等途径 可以提高钢的强度；而通过增加裂纹形成的难度和阻碍裂纹的扩展等途径则可 以提高钢的韧性。这些都是提高钢的强韧性一些有效的普遍原则。 3 3 钢的强韧化理论基础 3 3 1 钢的强化 钢的强化取决于钢中晶体缺陷，主要是位错的密度、组态以及与此有关的 运动的难易。而位错的这些特征，尤其是运动的难易，又取决于该钢具有的晶 粒及亚晶粒尺寸、形态、第二相的性质、数量、分布特征等微观组织结构因素 以及其间的相互作用，从而使其运动受到不同程度的阻碍。凡是使位错运动受 到阻碍的因素，都导致钢的强化。据此，钢的强化大致分成以下几种类型： l 、固溶强化 西华大学硕十学位论文 合金元素以置换或间隙的形式溶入基体金属的晶格中，由于原子尺寸效应、 弹性模量效应和古铜体有序的作用而导致钢的强化，其强化效应随元素的含量 而增高。 ( 1 ) 弹性模量效应 如在形成固溶体时，溶质元素与基体金属的弹性模量不同，则会在溶质原 子周围形成一个半径约二倍于溶质原子半径的区域v 。此区域的弹性模量g 。与 基体金属的弹性模量g 不同。在产生相同的应变y 时，此区域与基体金属所 需要的# l - 力h 应力将不同。外力所做的功也因之而不同。从而二者之间存在一个 能量差值。此能量差将对位错线产生一定的力当g 。 g 时，此力为主力，它将 使通过溶质原子区域的位错运动受到阻碍；当g 。 2 y 。 依据推动滑移的有效切应力为( 瓦一t ) ，对应的切变为( - r , ) g 、滑移带 的长度等于晶粒直径d ，则可求出裂纹位错的总柏氏矢量柚的表达式： 西华大学硕士学位论文 n b - - _ ( 孚) ( 3 1 4 ) 式中t 为屈服时的切应力，它等于形成裂纹的切应力；t 是位错滑移时的 摩擦切应力；g 为切变模量。而t 与d 之间又存在着如下经验关系： c = 互+ 足：d z ( 3 1 5 ) 将上述两式与霍尔一派兹方程g = 皿+ k ，d 只合并处理可求出形成裂纹的条件 为2 3 3 ： ( c r , d 尼+ k y ) k 。2 g y ( 3 - 1 6 ) 为提高材料的韧性，则应使裂纹不易形成。依( 3 - 1 6 ) 式可以看出，为使 裂纹不易形成，则需公式左方的数值小于2 g 7 。故提高韧性的途径是：( 1 ) 增 大钢的表面能7 和切变模量g ；( 2 ) 减小k ；、岛、位错滑移时的摩擦切应力磊以 及晶粒直径d 。当温度升高时f 减小，相应地使韧性升高，这与实际情况是相 同的。 根据以上公式可知，细化晶粒尺寸d 可提高刚中裂纹形成的难度，相应的