（材料加工工程专业论文）cr12mov模块精密铸造技术基础研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 模具钢是制造模具的主要材料，在现代工业中得到广泛应用。根据工作条 件的不同，模具钢又可分为使金属在冷态下成形的冷作模具钢及在热态下成形的 热作模具钢。c r l 2 m o v 钢是现在应用最广泛的一款冷作模具钢，其淬透性好， 热处理变形小，回火后硬度可达h r c 5 8 ，适合制作承受重负荷、生产批量大、 形状复杂的冷作模具。由于c r l 2 m o v 钢铸态中有严重的网状共晶碳化物割裂了 基体材料，因此制造冷作模具的工艺十分复杂，需要对原材料进行复杂的改锻和 热处理改善材料性能，然后机加工成所需要的具体形状，这些都会消耗大量的能 源和时间，同时造成贵重金属原料的浪费。因此随着研究的深入，希望直接开发 出新的“以铸代锻工艺，取消锻造，直接铸成模具或模坯，节约能源，减少金 属损耗，缩短生产周期，节省制造成本。 本文主要研究了硅铁稀土变质处理对c r l 2 m o v 钢的影响。用消失模铸造 c r l 2 m o v 钢铸块时，添加不同含量的硅铁稀土合金，观察其金相组织形态和硬 度值以及冲击韧性的变化。试验结果表明：硅铁稀土作为变质剂可以明显提高 c r l 2 m o v 钢性能。铸态下原有的网状共晶碳化物基本实现断网，碳化物分布更 加均匀。热处理过程中碳化物形态和分布的改善，发生明显的断网，块状、粒状 碳化物增多，且分布均匀。稀土添加量在0 4 以下时，材料金相组织和硬度值 以及元素偏析随着稀土含量增加而迅速改善，稀土添加量高于0 4 时，材料的 这些性能随稀土增加变化不明显。硅铁稀土合金的变质处理可以使c r l 2 m o v 铸 钢内共晶碳化物完全断网，硬度值达到h r c 6 0 ，冲击韧性达到1 2j e r a 2 ，基本可 以实现替代部分锻件。硅铁稀土合金的添加对c r l 2 m o v 钢线收缩率基本没有影 响。 考察c r l 2 m o v 钢的铸造成型的工艺，用华铸c a e 模拟材料钢的铸造充型 凝固过程。发现在所选用的模块中受铸件形状和材料性能的约束，铸件中的缩松 很难完全消除。比较不同位置和大小的浇冒口形状，总结出能获得最优的铸造结 果的浇冒口尺寸为1 1 0 8 5 8 0 m m ，放置在固定面根部位置，这能使铸件缩孔 的尺寸和数量保持在最小。浇注温度的提高对充型过程的影响不大，只会增加浇 冒口内的缩孔，而对自身铸件的影响不大，只需选用最低浇注温度1 5 0 0 。 关键词：硅铁稀土，c r l 2 m o v 钢，铸造模拟，模块 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i es t e e li st h em a i nm a t e r i a lf o rm o l dm a n u f a c t u r i n g ，w h i c hh a sb e e nw i d e l y u s e di nt h em o d e r ni n d u s t r y a c c o r d i n gt oi t sd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，d i es t e e l c a nb ed i v i d e di n t oc o l d w o r k i n gd i es t e e lf o r m e di nt h ec o l ds t a t ea n dh o t - w o r k i n g d i es t e e lu n d e rh o tm o l d i n g a st h em o s tw i d e l yu s e dc o l dd i es t e e l ，c r l2 m o vs t e e l h a sg o o dh a r d e n a b i l i t y , s m a l lh e a tt r e a t m e n td e f o r m a t i o n ，a n di t sh a r d n e s sr e a c h e st o h r c 5 8a f t e rt e m p e r i n g d u e i n gt ot h e s ef i n ep r o p e r t i e s ，c r l2 m o vs t e e li ss u i t a b l e f o rt h em a s sp r o d u c t i o no fc o m p l e xs h a p ec o l d - w o r k i n gd i es t e e lw h i c hc a nb e a r h e a v y - l o a d b e c a u s es e r i o u sn e t w o r ke u t e c t i cc a r b i d e si nt h ea s c a s tc r l2 m o vs t e e l d i s s e v e rt h es u b s t r a t e s ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fc o l d - w o r k i n gd i es t e e li sv e r y c o m p l e x w en e e di m p r o v i n g f o r g i n g a n dh e a t t r e a t i n gt h er a wm a t e r i a l st o a m e l i o r a t et h em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，t h e nm a c h i n gi n t ot h er e q u i r e ds p e c i f i cs h a p e t h e s ew o r kw i l lc o n s u m ea l a r g ea m o u n to fe n e r g ya n dt i m e ，a tt h es a m et i m ec a u s i n g aw a s t eo fp r e c i o u sm e t a lr a wm a t e r i a l s c o n s e q u e n t l y , w i n lt h ei n t e n s i v es t u d y , w e w i s ht od e v e l o pan e w p r o c e s st h a ti s “c a s t i n go nb e h a l f o ff o r g i n g w h i c h c a l lc a n c e l f 1 0 r g j n g ，c a s ti n t od i eo rb i l l e td i r e c t l y , r e d u c et h el o s so fm e t a l ，s h o r t e nt h ep r o d u c t i o n c y c l e ，s a v ee n e r g ya n dm a n u f a c t u r i n g c o s t s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ei m p a c to ft h em o d i f i c a t i o nt r e a t m e n tw i t ht h e r a r e e a r t hf e r r o s i l i c o no nc r l 2 m o vs t e e l a d o p t i n ge p ct oc a s tc r l 2 m o vs t e e l i n g o t s ，w ea d d e dd i f f e r e n tc o n t e n to f r a r e - e a r t hf e r r o s i l i c o na l l o y s ，t h e no b s e r v e dt h e i r m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e ，t h ec h a n g eo ft h eh a r d n e s sa n dt o u g h n e s s t h er e s u l t ss h o w t h a t ，a st h em o d i f i e r , r a r e e a r t hf e r r o s i l i c o nc a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fc r l2 m o vs t e e l n e t w o r ke n t e c t i cc a r b i d e si nt h ea s c a s tc r l2 m 0 vs t e e lf r a c t u r e b ya n dl a r g e ，m a k i n gc a r b i d e sd i s t r i b u t em o r eu n i f o r m l y d u r i n gt h eh e a tt r e a t m e n t ， t h ei m p r o v e m e n to ft h em o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o no ft h ec a r b i d e s 嬲w e l la st h e o b v i o u sf r a c t u r eo ft h en e t w o r k ，r e s u l t i n gi nt h ei n c r e a s eo ft h eb l o c k ya n dg r a n u l a r c a r b i d e s ，a n dt h e i ru n i f o r md i s t r i b u t i o n w h e nt h er a r e e a r t ha d d i t i v ea m o u n tw a s l e s s t h a no 4 ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h er a r e e a r t ha d d i t i v ea m o u n t ，t h em i c r o s t r u c t u r e ， h a r d n e s sa n dh o m o g e n i z a t i o no ft h em a t e r i a l sw e r eo b v i o u si m p r o v e d o nt h eo t h e r h a n d ，w h e nt h er a r e e a r t ha d d i t i v ea m o u n tw a sh i g h e rt h a n0 4 ，t h ep r o p e r t i e so f t h e m a t e r i a l sd i d n tc h a n g es i g n i f i c a n t l y 谢mt h ei n c r e a s eo ft h er a r e - e a r t h t h e m o d i f i c a t i o nt r e a t m e n tw i t ht h er a r e e a r t hf e r r o s i l i c o no nc r l2 m o vs t e e lt o t a l l y i i 武汉理工大学硕士学位论文 r u p t u r e dt h en e to ft h ee u t e c t i cc a r b i d e s t h eh a r d n e s sa n dt h et o u g h n e s so fc r l2 m o v s t e e lw e r eu pt oh r c 6 0a n d12 j e r a z ，r e s p e c t i v e l y , s oi tc o u l da l t e r n a t ep a r to f f o r g i n g sb a s i c a l l y t h ea d d i t i o no fr a r e e a r t hf e r r o s i l i c o nh a dr i oi n f l u e n c eo nt h e l i n e a rs h r i n k a g eo fc r l2 m o vs t e e l i n v e s t i g a t i n gt h ec a s t i n gp r o c e s so fc r l2 m o vs t e e la n du s i n gi n t e c a s ts o f t w a r e t os i m u l a t et h ec a s t i n g ，m o l df i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e so ft h es t e e l ，w ef o u n d t h a tt h es h r i n k a g eo ft h ec a s t i n g sw a sh a r dt oc o m p l e t e l ye l i m i n a t e ，o w i n gt ot h el i m i t o fc a s t i n gs h a p ea n dt h em a t e r i a lp r o p e r t i e s c o m p a r e dt h es h a p e so ft h er i s e r - r i n g a n dr i n gm o d u l e si nd i f f e r e n tp l a c ew i t hd i f f e r e n ts i z e ，w ec o n c l u d e dt h a tt h e o p t i m u md e s i g ns c h e m ew a st os e tt h er i s e r - r i n ga n dr i n gm o d u l ew i t ht h es i z eo f ilo x 8 5 x 8 0 m mi nt h er o o to ft h ef i x e dp l a n e ，w h i c hc o u l dk e e pt h es i z ea n dt h e q u a n t i t yo ft h es h r i n k a g et oam i n i m u m p o u r i n gt e m p e r a t u r eh a dl i t t l ei m p a c to nt h e m o l df i l l i n g i n s t e a do fi m p a c t i n gt h ec a s t i n g ，t h er a i s i n go ft h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e o n l yi n c r e a s e dt h en u m b e ro ft h es h r i n k a g e t h e r e f o r e , w eo n l yn e e dt os e l e c tt h e l o w e s tp o u r i n gt e m p e r a t u r e ( 15 0 0 c ) k e y w o r d s ：r a r e e a r t hf e r r o s i l i c o n ，c r l2 m o vs t e e l ，c a s t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n , m o l dp a r t i i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包禽为获得武汉理工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了谢意。 研究生( 箍名) ： 棒日期 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 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。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一雠，：牡赢签名雄日期毕 注：此表经研究生及导师签名后，请袈订往学位论文摘臻前页。 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 近二十年来，我国模具工业的发展非常迅速。尤其近年，模具工业一直以 每年1 5 左右的增长速度快速发展。国民经济的高速发展对模具工业提出了越 来越高的要求，同时也为其发展提供了巨大的动力。而模具材料是模具制造的 基础，是制造高质量、高寿命模具的前提。现代模具钢一般分为三大类：冷作 模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。其中冷作模具钢的用量最大，产量居首位【1 1 。 c r l 2 m o v 钢作为一种很重要的冷作模具钢，自从问世以来，一直得到了广 泛应用，但在我国占有不可替代的地位，具有广阔的市场前景。作为c r l 2 型模 具钢的一种，较高的含铬量使c r l 2 m o v 钢的淬透性很好，热处理过程中模具变 性量小，硬度高。c r l 2 m o v 钢由于提高了m o 和v 的含量，进一步提高了淬透 性，细化了晶粒，强度和韧性都比c r l 2 钢好【2 】，使其成为了综合性能最好的一 款冷作模具钢。 然而，在c r l 2 m o v 钢的冶炼凝固过程中，c 和c r 以及它们的化合物在钢 的晶界处偏析，形成许多网状分布的共晶碳化物。这种碳化物严重割裂基体， 还会成为模具钢断裂时的裂纹源和裂纹扩展途径，从而使得模具钢的晶界严重 脆化，韧性很低，所以，其在铸态下几乎不能使用。通常的解决办法是在高温 下反复锻造，用机械方法将模具钢铸锭中的网状共晶碳化物打碎，然后热处理 使碳化物呈粒状、弥散分布。但是，在锻造过程中，由于受到锻造比的限制， 对于大尺寸铸坯，其心部的共晶碳化物很难打碎，所以在锻造后的模具钢组织 中经常存在带状碳化物偏析，使模具钢的性能出现各向异性。而且由于网状共 晶碳化物的存在，适合锻造的温度范围窄小，在锻造过程中也容易出现过烧和 开裂等现象，废品率较高。同时，锻造后的机加工过程中，会造成大量的材料 浪费，相当数量( 1 5 - - 4 0 ) 的优质模具钢被加工成切削、料头等难以回收【3 】。 如果能改善铸态下c r l 2 m o v 模具钢的碳化物形态，使其对于某些要求不太 武汉理工大学硕士学位论文 高的零件，可以在铸态下直接使用。这样可以简化生产工艺，降低模具生产成 本，实现模具钢废料的重新利用，具有巨大的经济效益和使用价值。尽管有部 分研究人员试图通过变质、合金化和热处理等方法来改善c r l 2 m o v 钢碳化物的 形态和分布，但由于铸态c r l 2 m o v 钢的共晶碳化物实在难以消除，而且研究也 都不够全面。因此，通过对变质剂的重新选择和热处理工艺的优化来改善铸态 c r l 2 m o v 钢中共晶碳化物的形态和分布，对于丰富c r l 2 m o v 钢的变质和合金化 理论，简化c r l 2 m o v 模具的制造，都具有重大的理论意义和实际应用价值。 1 2c r l 2 m o v 钢的研究现状 c r l 2 m o v 钢是现在应用最广泛的一款冷作模具钢，其淬透性好，热处理变 形小，回火后硬度可达h r c 5 8 ，适合制作承受重负荷、生产批量大、形状复杂 的冷作模具【4 】，例如冷冲模、冷挤压模、拉丝模、滚丝模等类型的模具。c r l 2 m o v 钢投入使用时其性能为抗压屈服强度 2 4 0 0 m p a ；抗弯屈服强度 2 5 0 0 m p a ；挠度 2 3 m m ：冲击韧度 1 2 j c m 2 ：断裂韧度 7 m p a m “2 ：硬度h r c = 6 0 6 2 。为了保 证这些模具具有较高的机械性能，其碳化物分布要均匀，即共晶碳化物的破碎 程度要达到一定的级别。为此，对该类型钢共晶碳化物不均匀度的检验制定了 相应的技术标准。根据国家标准g b t 1 2 9 9 0 0 规定，共晶碳化物不均匀度分为8 个级别。 1 2 1c r l 2 m o v 钢的合金成分和组织 表1 1c r l2 m o v 钢的化学成分要求【5 】 c r l 2 m o v 钢的特点是高碳高铬，并含有少量的m o 和v ，具体成分见表1 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 一方面，c 要保持能与c r 、m o 、v 形成足够数量的碳化物：另一方面又要有一 定数量的碳溶于奥氏体中，使之获得足够含碳量的过饱和马氏体，以保证高硬 度和高耐磨性。 c r 是c r l 2 m o v 钢中的主要合金元素，与碳形成化合物c r t c 或( f e c r ) 7 c 5 ， 合金碳化物具有很高的硬度( 约h v l 8 2 0 ) ，极大地增加钢的耐磨性，故c r l 2 m o v 钢是一种具有很高耐磨性的钢。c r 在c r l 2 m o v 钢中能极大地改善钢的淬透性， 可使截而厚度为3 0 0 , 、- 4 0 0 m m 的模具在油中全部淬透，所以c r l 2 m o v 钢的强度 很高。此外，由于c r 使c r l 2 m o v 钢在淬火后存在较多的残留奥氏体，故模具 淬火变形很小，属于微变形钢。m o 的加入可以在回火中形成碳化物和溶入渗碳 体，阻止晶粒长大，具有弥散强化的作用。可以增加淬透性，增大淬硬层，提 高回火硬化性。而v 除能改善钢的淬透性和回火稳定性外，还可细化晶粒，增 强钢的硬化能力和抗回火软化能力【6 】。 由于c r l 2 m o v 钢是含有较多合金元素的高合金钢，因此很难用一种二元相 图精确的表示模具钢的凝固过程。所以，通常是把c r 、m o 、v 等合金元素作为 c r 的等效元素，那么它的凝固过程可以用f e m c 三元相图来近似的描述，如图 1 1 。其中m 代表c r 、m o 、v 等合金元素。铬是缩小铁碳平衡相图中y 区的合 金元素，并使s 点和e 点向左移，m o 、v 也有类似的作用。 c r l 2 m o v 钢的碳含量为1 5 左右，它在凝固一开始时，首先析出的是奥氏 体，温度继续降低则析出碳化物，c r l 2 m o v 钢的凝固组织包括奥氏体及其转变 产物( 在冷速较快时，部分奥氏体转变为马氏体) 、分布在晶界上的网状共晶碳化 物。 当铬含量与碳含量的比值小于3 ：1 时，( f e c r ) 3 c 是唯一出现的碳化物，当比 值超过3 ：1 时，会出现富铬碳化物( c r f e ) 2 3 c 6 和( c r f e ) 7 c 3 。尽管在只含1 0 0 c 的 d l 钢中也会有少量( c r f e ) 2 3 c 6 碳化物，但在高碳高铬钢中( c r f e ) 7 c 3 碳化物则是 主要组织。虽然组织碳化物的成分随合金的全部成分而变化，但( c r f e ) 7 c 3 是高 碳高铬钢在1 0 0 0 奥氏体化后仅有的一种碳化物【_ 7 1 。c r l 2 m o v 钢凝固组织的共 晶碳化物以m 7 c 3 为主( 其中，m 代表c r 、f e 等合金元素) ，但其成分会随冷却 速度的不同而有所变化。 武汉理工大学硕士学位论文 温 度 ， 。o j u i5 0 0 溅 13 ：cr a 【40 0 斛_ t 飞、 、 一+ v 、 l3 0 0 7y 、， ；、 ，一 、t、， l l 己0 0 一 “。，+ j j - 4 ，：。， l i0 0 l + y+ h j ，一 ， ， 是 y + k f i 飞 ， 二| 00 、 ， ， y 十k # 一k 。f 、1 ，y + - k 2 i 9 瓤； 灿 、 ii 0 、 80 0 、。二：。 口ry + k ?| 人 a 一 = = ：0匕岂= 兰* 一 i f 、 f l i - a 。 ja tt l 扣o l k + 7 口+ 。i 碳含量， 图1 1f e c r - c 系平衡图含1 3 的c r 的垂直截面 1 2 2c r l 2 m o v 钢的锻造和热处理 c r l 2 m o v 钢与高速钢一样，也属于莱氏体钢，在铸态组织中有网状分布的 共晶碳化物。莱氏体钢的碳化物偏析较严重，轧制后坯料小碳化物往往分布不 均匀，呈带状分布，故在制造模具时，特别是对精度高、形状复杂的模具必须 与高速钢一样，经过反复锻造，以消除碳化物的不均匀性。锻后应缓冷，以免 产生裂纹。当锻坯冷到4 0 0 - 5 0 0 时，应立即进行退火，以消除锻造应力，降 低硬度便于切削加工【8 1 。 目前，对c r l 2 m o v 钢的锻造和热处理研究较为全面和深入。原材料的改锻 多采用变向锻造法，即多向反复镦粗一拔长一镦粗，以使材料组织中粗大的条状 和块状碳化物充分破碎，消除带状组织的存在，可获得均匀的显微组织和力学 性能【9 j 。由于c r l 2 m o v 钢是高合金钢，导热性较差，因此在锻造过程中加热和 冷却的速度都不宜过快，控制始锻和终锻温度是提高锻造质量的最重要因素【l o 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 现在为了得到更好的锻造结果，确定出了优化后的锻造工艺，尽量提高了 c r l 2 m o v 钢的使用性能。由于c r l 2 m o v 钢共晶温度较低( 约1 1 5 0 c ) ，稍不注意 就易过烧，因此加热时应严格控制上限温度，理论上最后成型的锻造温度可取 终锻温度的下限，但由于随着温度的降低材料的塑性变差，材料温度降到8 2 0 8 4 0 时即应终止锻造。因此材料实际的锻造温度范围很小，同时加热时容易发 生过热、过烧，冷却时容易出现裂纹，所以需要严格遵守“缓热缓冷的原则： 分段加热，将材料先在低温炉中缓慢加热到3 0 0 以上，再投入高温炉膛内加热 至始锻温度，终锻结束后，材料随炉冷却，完全冷却后应在2 4 3 2 h 内进行退火 处理。 材料锻造的时候，需要根据其碳化物分布的方向性制定锻造工艺方案。锻 造所用的变形方法也分为轴向反复镦拔法和十字镦拔法。轴向反复镦拔法是保 持原材料的轴线方向不变，镦粗后再拔长，反复进行。这种方法操作简单，对 于较小的锻件，以及对内部深处质量要求不高的锻件可采用轴向镦拔，对改善 锻件表面层金属的组织和性能很有效。十字镦拔法又叫十字锻造法，是把圆柱 形坯料镦粗成圆盘，再沿圆盘的直径方向拔长后镦粗成方形坯料，把方坯再拔 长，2 次拔长方向互相垂直，成“十字”形，可重复多次，即多次十字镦拔，这 种锻造方法坯料与锤头的接触面经常改变，温度降低不会太多，径向锻造时， 坯料的端部质量也较好，故可减少端面裂纹的产生，有利于击碎坯料中心部分 的碳化物，对于工作部位在心部的一些工具或模具可以采用这种锻造方法。但 是这种锻造方法会造成变形时中心金属的外流，如若外流金属不能受到均匀的 大变形，则在坯料的某些部位碳化物级别可能会降低不大，而且在圆周表面上 还可能出现碳化物级别不均匀的现象，故对刃口分布在圆周表面的刀具不宜采 用这种方法。除了上述两种锻造工艺外，还有综合镦拔锻造法。它是各种锻造 方法的一种混合，实际上是指轴向反复镦拔加十字镦拔。这种方法操作更为复 杂，但可提高锻件质量，改善碳化物的均匀度，适用于小批量生产的重要锻件。 除了复杂的锻造工艺外，在材料的墩拔过程中也有很多需要注意的要求，拔长 进给量每次不少于原始毛坯直径或边长的两倍，下压量应均匀一致、决不能在 坯料表面造成任何硬性压痕，勤快均匀翻转锻压坯料，要坚决避免坯料的同一 部位受到反复锤击，以防锤击变形能量变成很大的热能，使金属局部升温，过 热、引起开裂，同时应注意“两轻一重”的原则，即开始和终了时轻击，9 5 0 1 0 5 0 重击。根据镦拔要求选择合理的加热次数，如果锻件温度降低到9 0 0 - - 9 5 0 武汉理工大学硕士学位论文 范围内还没有达到锻造比的要求时，应马上放入高温炉内进行二次加热。 热处理工艺主要是指c r l 2 m o v 钢锻后的淬火和回火以及其他热处理手段。 c r l 2 m o v 钢在锻造退火状态下，其组织由索氏体状的珠光体和过剩的复合碳化 物( c rf e ) 7 c 3 组成。当加热通过临界点时碳化物溶解于奥氏体内，淬火加热温度 愈高，碳化物溶解愈多，奥氏体中所含的碳和铬就愈多，淬火后形成的马氏体 合金度就愈高，因此模具硬度愈高，其耐磨性也愈好。但是，如果淬火温度太 高，由于奥氏体晶粒长大及合金度的过饱和，在淬火冷却时除奥氏体被保留下 来，会导致从奥氏体中析出的碳化物沉积于晶界上，这不仅降低硬度，而且会 使冲击韧性显著下降【l 。因此，随淬火温度的逐渐升高，会出现一极限硬度值， 继续升高淬火温度时，硬度值反而会下降。通常采用的c r l 2 m o v 钢的热处理工 艺有一次硬化法和二次硬化法两种【1 2 】。 此外，针对c r l 2 m o v 钢在使用过程中会出现的各种问题，如渗氮层的剥 落，线切割开裂【1 3 】问题，也有相应的改进热处理工艺，通过增加回火时间来改 善材料性能。 1 2 3c r l 2 m o v 钢的改性研究 通过对c r l 2 m o v 钢适当改变合金元素成分，可以调整材料组织，获得较优 异的性能。攀钢集团一直在致力于新钢种c r l 2 m 0 1 v 1 的开发，采用在国内首次 采用“以轧代锻”工艺成功开发出c r l 2 m o l v l 模具扁钢，确定了“控制化学成 分、降低浇注温度、选择合理的锭型、延长钢锭均热时间，以及冶炼时在钢中 加入稀土合金 的生产工艺。研究结果表明，试制的c r l 2 m 0 1 v 1 钢碳化物分 布均匀、性能优异，气体含量低、金相组织纯洁度甚佳【1 4 】。以上的技术处理方 法都是针对材料铸造过程的改进，但都只是提高性能，生产工艺中都没有完全 取消锻造过程，只是相对可以简化锻造工艺，提高锻造质量，为后面的改锻和 热处理工艺提供便利。 1 2 4c r l2 m o v 钢的特殊处理方式 为了提高c r l 2 m o v 钢的性能，除了一般的锻造和热处理办法外，还有许 6 武汉理工大学硕士学位论文 多通过外界技术手段改变组织形态的办法： 1 ) 电渣重熔 电渣重熔是目前使用的最广泛的手段，它可以大量去除钢种 的非金属夹杂物，有效的提高搞的纯净度，自上而下的顺序凝固条件保证了重 熔金属的结晶组织均匀致密，克服了普通铸造方法结晶质量差的问题，基本消 除了偏析、缩松、缩孑l 等缺陷【1 5 】。一重集团采用铸造电极生产的电渣重熔 c r l 2 m o v 钢具有较好的塑、韧性，锻件表面质量和内部质量较好。铸件中纵向 生长的晶粒使材料的横向机械性能得到较大的提高，提高了模具的使用寿命【1 6 】。 2 ) 表面强化处理在其他材料中广泛应用的表面强化技术也可以应用到 c r l2 m o v 钢中来。最常用的表面强化技术就是渗氮处理，通过q p q 盐浴氮化处 理，研究材料渗层组织性能和显微硬度分布梯度，分析探讨模具的使用性能， 结果表明c r l 2 m o v 的耐磨性和抗冲击性能得到大幅提高【1 7 】。此外，渗硼也可以 大幅提高模具的抗均匀磨损失效性能；而渗硼后再渗硫，可以使钢件表面在高 硬度的渗硼层基础上再覆一层减磨性良好的渗硫层，克服了模具可能发生的粘 着磨损。对除使用化学办法对模具进行表面强化处理外，最近对其它表面强化 工艺也进行了广泛研究并在实际生产中显示出优越性，例如使用激光作为热源 对材料表面进行强化的激光强化技术，包括相变硬化、表面熔化、表面合金化、 表面涂覆等：借助于喷丸粒高速、连续冲击金属表面，产生强烈的冷作硬化的 喷丸强化技术，可改善模具的表面粗糙度，并有效地去除电火花加工产生的表 面变质层 18 1 。 3 ) 其他处理方法在c r l 2 m o v 钢一次硬化淬火、回火之间增加一道深冷 处理，将材料放在8 0 下保温可抑制下贝氏体的形成，使以强调高耐磨性为 主的压坯芯使用寿命大幅度提高【l9 1 。此外还有关于应用喷射成型技术制备 c r l 2 m o v 钢样，使合金更加致密，晶粒更为细小，碳化物的分布也更弥散，减 弱了合金中的成分偏析【2 0 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 变质处理的应用 1 3 1 变质剂种类 稀土是应用最广泛的材料改性变质剂种类，稀土应用在工模具钢最早的文 献报道可以追溯到2 0 世纪7 0 年代。高速钢和合金工具合金元素含量偏高、种 类偏多，加之碳化物量大，一般加工工艺性欠佳，但是，对若干种工模具钢如 通过添加稀土，则可使其热塑性得到提高，或切削加工性能得到改善，从而达 到强度和韧性兼优的效果。对于以铸态使用的工模具钢，添加稀土的作用尤为 突出，在w 1 3 c r 4 m o v 铸造刀具中，添加0 0 7 - - 一0 1 0 的重稀土钇，耐磨性有 较大提高。添加铈和铌的铸造r 6 m 5 k 5 s h 和r 6 m 3 i c 5 s h 模具钢，不仅性能得 到提高，而且两者可分别与轧制的性能相比拟【2 l 】。 除单纯加入稀土变质以外，还有很多加入单相元素复合变质的办法。例如 加入锌可以钝化碳化物端部。它一方面形成了含锌的复合碳化物，增加了碳化 物晶核的数量，细化了碳化物。另一方面，锌是低熔点合金元素，随着凝固过 程的不断进行，锌富集在碳化物周围的液相中，增加了碳化物生长端部表面的 自由能，从而导致碳化物的生长受阻，端部变得圆钝。此外，锌也能提高碳原 子的活度，结合热处理时碳的扩散能力增强，使条状碳化物熔断并加速其尖角 部分的溶解，孤立的碳化物变得圆钝以致球化【2 2 1 。还有可以加入砧、s i ，它们 在铁液中均有提高碳元素活度的作用，促进碳化物的形核和断网，铝有细化奥 氏体枝晶的作用【2 3 1 ，硅促进碳化物的形成。随硅量的增加，钢的液相线温度、 包晶反应温度均降低，当硅量超过3 时，奥氏体从铁素体的中析出与共晶反应 几乎同时发生。硅在c r l 2 钢中进入m 7 c 3 晶格，并使m 7 c 3 晶格常数降低【2 4 】。 1 3 2 稀土变质在其他材料上的应用 一般说来，稀土元素在钢中的可以净化钢液，改善铸态组织和合金化。提 高铸钢的机械性能，改善了铸钢的铸造性能【2 5 1 。 在钢液中，稀土元素与硫的亲和力比铁、锰和硫的亲和力大得多，生成难 熔的、稳定稀土硫化物和稀土硫化物的复杂硅酸盐，聚集上浮而渣化，达到去 武汉理工大学硕士学位论文 除钢中硫的目的。此外，稀土元素与氢和氮、特别是与氧的亲和力很大，在钢 中极易形成稀土氢化物、稀土氮化物和稀土氧化物，从而稳定了钢中的气体， 减轻了钢中气体的有害作用。钢液经过稀土处理后，残留于钢中的非金属夹杂 物的数量也会大大减少，尺寸变小，形状趋于球化。稀土和氧、硫形成稀土氧 化物、稀土硫化物及其与硅酸盐等的复杂稀土化合物，它们的熔点高，比重大， 且互不相溶，因而它们在钢中呈细小均匀分布，同时，稀土氧化物和稀土硫化 物又可作为非金属夹杂物长大的核心，逐步形成了复杂的、粗大的非金属夹杂 物。这些夹杂物易于上浮，进而渣化，然后被清除。稀土元素还能与钢中的铅、 锑、铋、砷等低熔点杂质元素形成高熔点化合物，从而消除了这些元素沿晶界 分布所造成的脆性倾向。 稀土元素在材料中的变质作用在不同程度上细化了晶粒，消除了柱状组织 和魏氏组织。稀土元素对钢中非金属夹杂物的强烈变质作用突出表现在使夹杂 物由不规则状变成球状。稀土元素变质的机理可认为是：稀土元素的脱氧、 脱硫产物可以作为钢液结晶和夹杂物成长的核心。稀土元素是表面活性物质， 它加入钢液后，使钢液表面张力下降，因而晶核形成功减小，提高了形核率； 同时阻碍晶粒和夹杂物成长。 稀土元素在铁中有一定的溶解度，与铁形成固溶体。稀土元素又是强烈的 碳化物形成元素。随着稀土元素加入量的增加，钢中珠光体的数量减少而铁素 体的数量增加，增加钢铁的合金化作用。经适量稀土元素处理后的一般铸钢， 其塑性和韧性( 包括低温冲击韧性) 有较大的提高，而抗拉强度和屈服极限基本上 没有变化，稀土元素能提高耐热钢和高温合金的抗蠕变能力。稀土元素对铸钢 机械性能的有利影响是稀土元素各方面作用的综合结果，尤其是净化作用的结 果。由于脱硫脱氧结果使得夹杂物减少，净化了晶界，且形状又趋于对塑性和 韧性危害较小的球形，这就必然使塑性和韧性得到提高【2 6 】。 稀土材料的变质研究历史悠久，应用范围很广。内蒙古科技大学的王彩东 在以m 2 b 共晶硼化物为耐磨骨架的新型铁基耐磨材料f e c r - b 中加入l 撑稀土合 金变质，发现铸态组织明显细化，原来在晶界处分布的连续的、网状的硼化物 转变成为不连续的短杆状的和粒状的形态，改善了材料的综合性能【2 7 】。 稀土变质在金属材料的改性中也得到大量应用。在白口铸铁的合金液中复 合加入钒、钛、铝、稀土硅铁合金可以起到脱硫、脱氧、细化晶粒的作用，铸 铁qk 值提高的幅度大【2 8 2 9 1 。在低合金的钢材中，稀土变质也有很大的作用。低 9 武汉理工大学硕士学位论文 合金耐磨铸钢中加入适量稀土元素能明显细化钢的奥氏体晶粒度，增加和控制 板条马氏体的数量并使板条马氏体尺寸变细；同时稀土元素提高了低合金耐磨 铸钢的奥氏体稳定性，减缓了奥氏体向贝氏体的分解，有利于提高低合金耐磨 铸钢的淬透性，提高材料的热处理性能 3 0 1 。此外，稀土的加入有效地减缓了奥 氏体的分解，有助于材料表面处理中增加渗碳层的深度和稳定性【3 1 1 。 将稀土材料和其他单质元素一起复合变质，被应用到了更广泛的范围。西 安交通大学的符寒光调整了高速钢的成分后，加入r e k - n a 复合变质处理，使 铸造高速钢冲击韧度大幅提高，热疲劳抗力也明显改善。变质处理高速钢导辊 在使用中不粘钢、不破碎、不剥落，寿命比一般的c r l 2 m o v 锻钢导辊提高了2 3 倍【3 2 1 。 1 3 3 冷作模具钢的变质 针对c r l 2 系冷作模具钢变质处理的研究很多，山东大学的魏代斌在铸造 c r l 2 模具钢加入a 1 z n ( 质量分数为：1 7 9 c ，1 2 0 4 c r ，0 5 4 m n ，0 6 7 s i ) 变质处理，共晶组织明显细化，离异共晶数量增多；经热处理后，c r l 2 模具钢 共晶碳化物由网状变为粒状和块状且均匀分布于基体中，同时，硬度有所降低， 冲击韧性得到明显提甜3 3 】。 除了合金单质的变质处理外，还有加入金属碳化物颗粒来制备复合材料的 方法对冷作模具钢改性。东南大学的魏宇在c r l 2 m o 钢基体中用原位合成铸造法 加入t i c 颗粒弥散强化，观察表明基体中的t i c 颗粒分布均匀，形状呈块状和 球状，分布在晶内和晶界上的颗粒与基体结合良好，材料的室温和高温强度比 基体材料的强度均有提高。金属基体与高耐磨性的增强粒子相结合，使基体材 料获得了优异的耐磨性能在提高材料的强度、耐磨性、抗热疲劳性能。同时， t i c 的加入也使材料的塑性和韧性有一定程度的下降【3 4 】。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 模具铸造工艺的研究现状 1 4 1 铸造热作模具钢的研究 相比较冷作模具而言，热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触， 工作温度通常在3 0 0 以上，因此对热作模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗 力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力。热作模具的工作特点是具 有间歇性，工作状态是反复受热和冷却，从而使热作模具钢产生反复的热胀冷 缩，因此要求其具有较高的热疲劳抗力。所以相比较冷作模具钢而言，热作模 具钢一般都有较高的导热性和临界点，通常使用的热作模具钢有5 c r n i m o 、 5 c r m n m o 、4 c r w 2 s i 、3 c r 2 w 8 v 等。 对热作模具钢的铸造研究起步很早。早在1 9 4 5 年，前苏联就开始用铸造热 锻模毛坯来代替锻造热锻模毛坯，早期主要是用锻造热锻模具钢的成分来铸造 热锻模具，适量添加一些孕育剂和变质剂。例如将5 c r m n m o 钢去m o 而加t i ， 减小钢的晶粒度及降低过热敏感度制备铸造热锻模毛坯【3 5 】。上世纪6 0 年代以后， 其它国家如日本、英国、前西德与瑞典等国家的研究机构在一些钢中加入合金 元素和稀土元素进行合金化，以及用氮化钒强化，以促进组织细化，提高钢的 耐回火性、热强性及抗热裂性能。获得成功后，各发达国家也相继开始采用各 种精密铸造成形方法来生产部分热作模到3 6 】。 国内在上世纪5 0 年代开始研究用5 c r m n m o 铸造热锻模具钢来代替锻造热 锻模具钢，但由于强韧性低，在使用过程中经常因早期断裂而失效，所以应用 受到了限制【37 1 。吉林大学的姜启川教授通过优化合金成分设计、合金化、孕育 与变质处理，开发出了新型铸造热锻模具钢( c h d ) 钢获得很大成功【3 引。该钢 采用特殊的合金设计，抑制了粗大、