Cr12MoV钢滚丝模等温淬火工艺.pdf

第3 4 卷 2 0 0 9 免 第3 期 3 月 金属熬廨谨 H E A TT R E A T M E N TO FM E T A L S V o L3 4N o 3 M a r c h2 0 0 9 C r l 2 M o V 钢滚丝模等温淬火工艺 唐明华1 一 刘志义2 厉春元1 张蓉1 2 汪新衡1 1 湖南工学院机械系 湖南衡阳4 2 1 0 0 2 2 中南大学材料科学与工程学院 湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要 对C r l 2 M o V 钢滚丝模发生早期失效的原因进行了分析 并针对上述原因进行了不同淬火工艺对C r l 2 M o V 钢组织和性能影响 的试验研究 生产应用结果表明 滚丝模经9 8 0 3 0r a i n 2 5 0 2 0m i n 工艺等温淬火后 模具的使用寿命提高了2 2 倍 取得 良好效果 关键词 C r l 2 M o V 钢 滚丝模 等温淬火 寿命 中图分类号 T G l 6 2 4文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 6 0 5 1 2 0 0 9 0 3 4 0 5 4 0 4 A u s t e m p e r i n gp r o c e s so fC r l 2 M o Vs t e e lt h r e a dr o l l i n gd i e T A N GM i n g h u a l 2 L I UZ h i y i 2 L IC h u n y u a n l Z H A N GR o n 9 1t 2 W A N GX i n h e n 9 1 1 D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g H u7 n a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y H e n g y a n gH u n a n4 2 1 0 0 2 C h i n a 2 S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y C h a n g s h aH u7 n a n4 1 0 0 8 3 C h i n a A b s t r a c t T h er e a s o n so fe a r l yf a i l u r eo fs t e e lC r l2 M o Vt h r e a dr o l l i n gd i ew e r ea n a l y z e d 1 na c c o r d a n c ew i t ht h er e a s o n s t h ee f f e c t o fd i f f e r e n t q u e n c h i n gp r o c e s so nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fC r l 2 M o Vs t e e lw a ss t u d i e d T h ep r o d u c t i o na p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t a f t e ru s i n gt h e p r o c e s so fh e a t i n ga t9 8 0 f o r3 0m i n a n da u s t e m p e r i n ga t2 5 0o Cf o r 加m i n t h es e r v i c el i f eo ft h ed i e si n c r e a s e sb y2 2t i m e s a n dg o o d e f f e c ti 8a c h i e v e d K e yw o r d s C r l2 M o Vs t e e l t h r e a dr o l l i n gd i e a u s t e m p e r i n g s e r v i c el i f e 图1 所示滚丝轮模具用于滚丝机床上加工冷态普 通碳素钢 不锈钢零件的外螺纹 由于模具服役过程 中不断受到极大的压力 摩擦和冲击 工作条件恶劣 因而对强韧性 耐磨性等有较高要求 滚丝轮采用我 国大冶特钢所产C r l 2 M o V 钢锻棒制造 模具制造工艺 为 锻棒下料 机械加工一反滚压成形叶真空炉 10 2 0 油淬 2 0 0c c 2h 3 次油回火一磨加工 抛 光一成品出厂 生产中出现热处理后滚丝模使用寿命 不稳定 很多模具使用不久 约5 0 0 件 牙纹处即发生 较大面积脆性崩齿或剥落 导致早期失效 废品率高达 2 0 一3 0 后将原材料落料后 原工序落料后未经 退火处理 增加一次调质预处理 在磨加工前的淬火 回火后增加一1 2 0 4h 深冷处理 1 9 0o C 2h 3 次回火 但效果仍不佳 经该下艺热处理的滚丝模不 能满足设计要求 严重影响了生产进程与产品质量 增 加了生产成本 提高滚丝模使用寿命一直是该厂生产 中的棘手问题 为此 针对该零件的报废原因进行了 分析 并对热处理工艺予以改进 用调质 等温淬火取 收稿日期 2 0 0 8 0 9 2 0 基金项目 湖南省自然科学基金项目 0 5 J J 4 0 0 6 3 作者简介 唐明华 1 9 6 5 一 男 湖南衡阳人 副教授 博士生 主要从事 金属材料强韧化理论与技术方面的研究丁作 已发表论文2 3 篇 联系 电话 1 3 9 7 5 4 9 1 0 7 5 0 7 3 4 2 5 6 8 8 0 2 E m a i l y e m i n g h u a t a n g s i n s t o m 代原热处理工艺 经工艺试验和产品使用考核 现已 将改进后的丁艺成功用于滚丝模生产 达到了使用寿 命要求 少9 聂里 旷 K 夕2吣 图1 滚丝轮模具零件图 F i g 1 T h ed r a w i n go ft h r e a dr o l l i n gd i e 1 滚丝模早期失效原因分析 对委托分析的两副报废模具测试其硬度为6 0 6 2H R C 化学成分见表1 符合淬火 回火后硬度不低 于5 8H R C 的图纸技术要求 抽样切块经检查组织 为 回火马氏体 M 同 约1 0 残留奥氏体 A 粗 大碳化物 K 组织中碳化物呈针 片状分布 棱角分 明 碳化物偏析级别为3 0 4 5 级不等 采用金相显 微镜观察模具表层晶粒度等级为1 0 级 模具心部晶粒 度等级为8 级 断口宏观分析明显可见两副模具早期 失效的共同特点均为牙纹大面积的崩齿或剥落 崩齿 位置基本处于牙纹的中 底部 模具崩齿前后的尺寸和 万方数据 第3 期唐明华等 C r l 2 M o V 钢滚丝模等温淬火工艺 5 5 形状没有变化 也没有发生塑性变形 都是脆性断裂 模具表面及工作面无斑点 麻面 看不到严重氧化迹 象 未发现因强度和硬度不足产生的工作部位挤压变 形或磨损 表1C r l 2 M o V 钢滚丝模化学成分 质量分数 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fC r l 2 M o Vs t e e lt h r e a dr o l l i n gd i e w t C r l 2 M o V 钢是高碳 高铬莱氏体钢 组织内部共 晶碳化物多 颗粒大 偏析严重 这些碳化物的存在 增 加了模具使用过程中的脆性 降低了韧性 当模具工作 时由于受到复杂载荷的作用 就容易在碳化物棱角与 基体的界面萌生疲劳裂纹 对于滚丝模来说 牙纹 处 刃口 所受接触压应力和剪切应力最大 所以疲劳 裂纹总是在牙纹处萌生 但受锻造增加生产成本的限 制 该模具直接采用锻棒下料加工 机加下前未经反复 镦粗 拔长 所以钢中碳化物偏析严重 导致力学性能 各向异性 这些粗大的 形状不规则的 不均匀度级别 过高的共晶碳化物成为疲劳裂纹源 疲劳裂纹源一经 扩展形成疲劳裂纹 则使模具的实际强度显著下降 造 成滚丝模早期崩刃失效 为使大块碳化物破碎 获得 纤维流线的合理分布 消除或减轻原材料冶金缺陷 毛 坯必须进行改锻 同时锻后必须进行球化退火或调质 预处理 在滚丝模淬火工艺中 高温长时间加热虽然有利 于模具整个断面完全淬透 淬硬 但滚丝模牙纹齿厚仅 0 5 2 0m m 在10 0 0 以上高温加热和长时间保温 条件下 牙纹处奥氏体晶粒会不断长大 容易引发过 热 氧化现象 造成模具工作时出现牙齿剥落 磨损等 早期失效 可见 模具刃口部位脆性大 基体韧性不足 是造成模具耐用度低的另一个重要原因 保证模具良 好的强度和韧性的匹配才是提高使用寿命的热处理关 键 2热处理工艺试验与结果分析 试验用市场供应的C r l 2 M o V 钢 化学成分达到 G B T1 2 9 9 2 0 0 0 合金工具钢 要求 钢的临界点为i A c l 8 1 0 A c 3 12 0 0 A r l 一7 6 0o C M s 1 8 5 材料改锻后缓冷 毛坯调质预处理后加工成 t k l 0m m 5 0m m 标准拉伸试样和金相试样 拉伸试 验在W J 一1 0 万能材料试验机上进行 冲击试验用梅氏 试样 在J B 3 0 A 型冲击试验机上进行 用X J G 4 3 5 型金 相显微镜观察试样的显微组织 2 1 工艺改进试验 为使C r l 2 M o V 钢中的碳化物细小均匀分布 改善 模具的强韧性及使用寿命 除了利用锻造消除碳化物 偏析外 在模具粗加工后 精加工前改用一道高温调质 预处理工序 使碳化物的分布达到 小 匀 网 的要 求 具体工艺是 11 0 0 x1 0m i n 淬油 7 5 0 2 h 空冷 调质T 艺中较高的淬火加热温度有利于小块 状碳化物的溶解和大块状碳化物尖角形态的改变 缓 解和减轻了碳化物数量多和呈尖角形态时易造成应力 集中的不利影响 降低了模具的脆性 增加了韧性 调 质处理后由于不要求获得索氏体组织及性能 故回火 温度高于常温回火温度 经调质预处理后的模具 控制硬度为2 2 0 2 4 0 H B S 以利于机加下成形 由于模具截面尺寸大 结构 复杂 为提高模具的综合力学性能 使其具有良好的强 韧性匹配 分别进行了的不同热处理工艺试验 工艺 调质 10 2 0o C 3 0m i n 油淬 2 0 0 2h 3 次油回火 工艺 调质 10 4 0 3 0m i n 油淬 2 0 0 2h 1 次油回火 工艺 调质 9 8 0 3 0m i n 2 5 0o C 2 0r a i n 等温油淬 2 0 0o C 2h 3 次油回火 试验中淬火加热在6 5k W 真空炉中进行 选择 5 5 0o C 和8 5 0 两段预热工艺 加热升温力求缓慢 均 匀 以使奥氏体组织转变均匀 工艺 为滚丝模原实际生产热处理工艺 其特点 是 在较高温度下 合金碳化物可以很好地向奥氏体中 溶解 增加了奥氏体中c 和c r 元素的浓度 采用一次 硬化处理的回火 可以得到较高的硬度和耐磨性 而且 热处理变形较小 工艺 是按照 高碳高合金钢的冲 击韧性随淬火加热温度的升高而提高 2 1 的规律 在 工艺 的基础上进一步提高了淬火加热温度 同时减 少回火次数 考虑到在生产中通过调整模具表面硬度 万方数据 5 6 金属熬虔 谨 第3 4 卷 不能解决早期失效的问题 工艺 采用了9 8 0o C 加热 等温淬火的 T 艺 这是由于奥氏体晶粒的长大速率主 要取决于奥氏体化的加热温度 采用较低温度加热的 目的是希望得到均匀细小的奥氏体晶粒 考虑组织转 变的遗传性 淬火后得到复合组织的晶粒比常规加热 温度小得多 采用等温淬火的目的是为了获得一定数 量的下贝氏体组织和随后冷却过程中残留奥氏体继续 转变得到马氏体组织的复相组织 2 2 试验结果与分析 C r l 2 M o V 钢经不同工艺热处理后的组织见图2 力学性能见表2 如图2 a 可见 采用常规工艺 处 理后 组织为回火马氏体 粗大碳化物 约1 0 残留 奥氏体 其中碳化物不仅粗大 呈片状分布且不均匀 表2 反映出采用该工艺热处理后材料的强度和硬度较 高 但韧性较差 在生产中发现 即使调整模具表面硬 度 也同样不能解决脆性崩齿的问题 这是因为滚丝模 表2 T a b l e 2 牙纹齿厚仅0 5 2 0m m 牙根1 5m m 以内的基体金 属以保持强韧性为主 支撑高硬度的牙齿 而基体金属 则没有必要充分合金化 所以高温长时间加热虽然保 证了模具整个断面完全淬透 淬硬 但基体强韧性不 足 从而造成模具工作时出现牙齿剥落 磨损等早期失 效 在工艺 更高的淬火加热温度条件下 从表2 可 见试验钢的强度和硬度略有下降 但冲击韧度值不仅 没有提高反而降低 这是因为奥氏体晶粒度随淬火加 热温度的升高一直在增大 较高的加热温度提高了奥 氏体的稳定性 由于回火不充分 组织中存在1 5 一 2 0 未发生转变的粗大残留奥氏体组织 见图2 b 文献 3 指出 少量残留奥氏体有利于C r l 2 M o V 钢韧 性的提高 但大量残留奥氏体组织的出现会造成模具 表面硬度不均匀 形成局部软点 从而降低耐磨性和抗 疲劳性能 严重影响模具的使用寿命 图2 不同工艺处理后C r l 2 M o V 钢组织 5 0 0 a 工艺 b 工艺 c 工艺 F i g 2 M i c r o s t r u c t u r eo fC r l 2 M o Vs t e e la f t e rd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n t 5 0 0 a p r o c e s s b p r o c e s s c p r o c e s s 不同工艺处理后C r l 2 M o V 钢性能 P r o p e r t i e so fC r l 2 M o Vs t e e lt r e a t e d b yd i f f e r e n tp r o c e s s e s 在生产中对C r l 2 M o V 钢一般有一次硬化法和二 次硬化法两种不同的热处理淬回火工艺 由于对冷作 模具的热硬性要求不高 所以采用了一次硬化法淬火 因此淬火温度取10 2 0 10 5 0 但生产实践和试验 研究证明 使用该温度淬火 模具的使用寿命不太理 想 为此 采用了工艺 在9 8 0 加热再在2 5 0o C 等 温淬火的工艺 表2 的结果说明 采用2 5 0 2 0m i n 等温淬火 试验钢具有更好的强韧性匹配 这主 要是因为形成了均匀细小的下贝氏体组织和随后冷却 过程中残留奥氏体继续转变得到的细晶粒马氏体组织 的复相组织 由于下贝氏体组织中的铁素体条间分布 颗粒细小的呈弥散分布的碳花物 裂纹不容易在条间 碳化物处萌生和扩展 因此 强韧性较好 从图2 c 显微组织看 T 艺 在9 8 0o C 加热有利于得到均匀细 小的奥氏体晶粒 经2 5 0o C 2 0r a i n 等温油淬后 得 到了形态 大小和分布更好的 B 下 M 复相组织 它 不仅提高了材料的韧性 降低了脆性转变温度 也有利 于强度的提高 需要指出的是 由于试验条件所限 本研究并未进 行模具淬回火后深冷处理的相关试验 但已有的研究 表明 经深冷处理后 工模具的使用寿命可提高1 6 倍H 所以 为提高模具的使用寿命 对滚丝模进行 一1 2 0o C 4h 深冷处理 1 9 0o C 2h 3 次油回火 万方数据 第3 期 唐明华等 C r l 2 M o V 钢滚丝模等温淬火工艺5 7 的稳定化处理是很有必要的 3生产应用 根据以上模具失效原因分析翻热处理丁艺试验结 果 确定C r l 2 M o V 钢滚丝模早期失效的对策为 提 高毛坯改锻质量 热处理工艺改为 11 0 0o c 1 0 m i n 淬油 7 5 0 X2h 调嫒预处理 9 8 0 3 0m i n 2 5 0 2 0m i n 等温浦淬 2 0 0 2hx3 次回 火 一1 2 0o C 4h 深冷处理 1 9 0 2 h 3 次回火 改进后工艺魅理的C r l 2 M o V 钢滚丝模进行随机 抽样检测 滚丝模其平均每剐加工零件1 10 0 0 件 比原 工艺处理的模具使用寿命提高了2 2 倍 基本杜绝了模 具早期失效现象 生产使用结果表明 C r l 2 M o V 甥裁 滚丝模经调质和等温淬火处理后得到了 B 下 M 复 耱缰织 在绦证模具 作部位抗变形麓力穰耐磨性的 藻础上 显著提高了韧性 得到了强韧性的宥机配合 在 增加深冷处理丁艺后 进一步消除了模具在使用过程中 产生靡陡静影响 工艺研究取得了良好的疲褥效采 参考文献 1 翅天磅 支教学 李悫 C r l 2 V 与C r l 2 M o V 镶瓣貘簸疲劳豫戆 J 航空材料学报 2 0 0 4 2 1 1 1 4 2 高为国 机械丁程材料簇础 M 长沙 中南大学出版社 2 0 0 4 33 塞鹱华 C r l 2 M o V 镪控傍凸摸的瀑冷处理及效果 j 颏技术毅蔗 艺 2 0 0 3 1 1 3 3 3 4 4 沈利群 工模具材料的深冷处理及效果 J 金属热处理 1 9 9 5 4 3 4 暑t 暑 霹霹 埯 H 哥霹 曙 鼍 t 罨黑 H 岳 X 哥哥 H 嚎曝吨H X 啃X 毫 X 暑 嘴H 詈 皋 案 芒 署 H 誓 旨E E X 毒 E X 暑叠 e 女舢 龇 址舢 址 霉读者来信i长江后浪推前浪人才辈出科学发展犹迅猛永攀高峰 每 咿w 婶带w w 母 祝贺 金属热处理 创千I j5 0 周年暨祝贺第七届编委会成立 金属热处理 杂志白1 9 5 8 年创刊至今融5 0 年 作为本刊通讯员 从事本专业丁作4 8 年之久的老工程技术人员回顾历史感 羲万手 我是在1 9 6 0 年考入牮巾工学院撬槭系金穰热鲶毽专鲎 扶戴进入了热簸瑾领域 5 年专翌学豸糯主钙年豹王捧经历 农 实践中黼阅参考资料是常有的 在热处理专业刊物中最让我爱不释筝的就是 金属热处理 杂志 金属热处理 5 0 年的发展熙可分为两个阶段 以1 9 7 8 年为界 前2 0 年为起步阶段 虽然有l O 年文蕈政治运动的影响 发展速 度较缓慢 但我感觉多争没有停滞不翦 我感觉当时刊登的文章实用性还是很强的 人们毫无保留地提供囊已的试验避程翻数据 潮 述自己豹观点 在援术交流方蘸鬃至毙 l 鞋 磊 年更直接 诖其谴入可敬跌交章的字里行闻获取宝贵的知识 辉竞离子渗氮工艺的 推广与交流就是在那个时期有了雏形 刊物的后3 0 年是与祖国改革开放同步发展的3 0 年 其发展势头之迅猛 其科技成果的数 量与质缀远远超过前2 0 年 这是毋庸置疑的 比如 滚珠丝杠副产品 其传动精艘与传动灵活性远远好予其他传动方式 我单位在 试裁该产瑟时 我是获 金霾熬憝霪 上看囊麓蠹某厂弓l 遴德嚣熬处矮孛频设备垒产该产瑟黪文章 褥翘瓣蠹酶最离承乎 在赡麓 中频设备及井式回火炉时也是从本刊广告上获取信息联系购买的 程购置真空淬火炉 盐浴炉 淬火介成 耐热元件等的厂家选择 均来自本刊的广告信息 所以说 金属热处理 既是一本专业核心刊物 也是一个庞大的信息库 金攥热处理 翠j 镑的承办与热处理学会 行韭协会紧密挂钩是办好铡豹的最重要因素 我有几次参热全禹性专她会议的信息 均来鸯该嗣物 2 0 0 6 年我参加南京热处理活动周 觅蓟了阔剐4 0 年的大学老师麓毫院士 如今