模具的强韧化热处理.pdf

模 具 的 强 韧 化 热 处 理 陈 登 云 概 谜 在以往的工模具材料和热处理中 人们通常是在寻求尽可能高 的硬度和强度 保证一定 的韧性 然而 对韧性 的要求 既不明确也 无法 保证 从模具 失效 分析 的统计 中可见 由于 模具的韧 性不好 断裂报 废 占模具 的4 5 以上 随 着冷挤压技术的发展和模具脆断事故的频繁发生 对模具材料的韧性要求 日益迫切 在保证 模县 足够强 度 硬 度的基 础上 尽可 能提高 其韧性 巳成为众所 关 心 的问题 因而 近 年来研 制 了一批强韧性好 的新钢种 涌现了许多提高强韧性的热处理新工艺 提 出了j 者干评定韧性的 试验 方 法 对 提高模具 寿命起 了重要作 用 所 谓 模具 的强 韧化热 处 理 实 际上是指 在模具 现在规 定 的硬度 和强 度 的 瞍术 条件下如何 提高其韧 性 问题 当模具 要求热 处理到 高硬 度时 又 往往 带 来韧 性不 足 韧性是 强度 与塑性 的综 合表现 从 能量 观点来看 断裂也 是一 个能 量的 变化过程 要解 决模 具断裂 必须寻 求具有形 成裂纹 倾 向小 抵抗裂 纹扩展 阻力大 的那样 一 类组织结 构 以 获 得高 的强韧洼 冷模具 钢 的韧 性问题 可 以通 过合理 的合金 成分设计 适 当的热 处理 工 艺调整 以及控 制冶 金质 量和热 加 工工艺综 合手 段来得 到解 决 本文重 点对强 韧化热 处 理工 艺提 出 一 些 看 法 强韧化热 处理工 艺 归 纳起来 主要从 以下 四个方面 来实现 一 细化 晶幢 与篇 相 细 化组织 可 以同 时提高钢 的强度和韧 性 因此 出现 了许 多细 化晶粒 和碳化物 的方法 这 些工 艺方 法 的基本 原理是 增加形 核率 抑制晶粒长 大倾 向 使形 核率大 于长大速 率 以获得 细微 晶粒 利用 冷加 工 相变 第二 相粒 子可 以增加 形 核率 控 制加热温 度和 加热 时间 利用 第 二 相粒 子减 少晶 界面 积 也 即降低晶界 的 总能量 阻 止 晶界迁移 抑制 晶粒长大 1 C r Mo V钢冷冲模具 的四步热处理 C r Mo Y钢中有大量的共晶碳化物 偏析严重 常以网状 带状 堆积状存在于钢中 采用 十字镦拔 的锻造工艺 使碳化物破碎细化均匀分布 并采用 四步热 处 理 工 艺 图1 使碳 化物达到小 均 圄 和淬火后的组 织细 化 使 钢的强韧 性收到 一定 的效 聚 同常规 工艺 相 比 抗弯 强度提高2 O 冲击韧 性提 高1 5 经过 这 种工艺处理 的模 具 使用 寿命 比 9 维普资讯 常规工 艺提高 1 5 2倍 U 0 丹 图 l Cr Mo V钢 模具 四步热 处 理工 艺曲线 一 步一 一高温 奥 氏体 使碳 化物尽可 能 多地 溶入奥 氏体 迅 速 进 行油冷 得 到马 氏体和 残余 奥 氏体组 织 二步 一7 0 0 7 6 0 C长时 间高温 回火 残 余 奥 氏体 分解 马 氏体 中的碳 和 台金 元素 以及 细小碳 化 物弥 散析 出 从而 获得 细 粒状组 织 和细小碳 化物 为 淬 火作好 准备 三 步一一9 O 0 1 0 0 0 C加 热 经 过保温 使碳 和合 盒元素 在奥 氏体 中充 分溶解 躁组 织 中存在的碳化物一方面成为核心 另一方面阻止晶粒长大 从而使奥氏体细化 收到了细化 第二相私 基体 组织 的效 果 四步一一 淬火后 的回火处理也 是十 分重要 的 回火 温度对 断裂韧 性有很大 影响 根据 模 具 的硬度 和 性能耍求 选用 不 同的温度进 行回火处理 2 细化碳 化物 提 高钢 的疲劳 强 度 在 较高 的应 力作用 下 钢 中直径大 于 l m的碳 化物 是 导致材 料 断裂 时形 成裂 纹 的 主 要 场 所 对 于过剩 碳 化物 实 行细化之 后 可显 著地 提高钢 的疲劳 强度租韧 性 G cr s钢模 具 以等温组织为予备组织 苒进 行淬火可收到细化碳化物的效果 因 为 高 温 奥 氏 体 化 后征 6 2 0 6 5 0 c下等温形 成细珠 光体 或在4 2 5 C以下 等温形 成贝 氏体 可获 得弥散 的碳 化物 碳 化物 的平均粒 度 由O 9 p m减 小纠0 3 m 调 整最 后 的淬 火工 艺 使马 氏体 的 含 碳 保 持 在 0 5 左右 能使接触 疲劳 和 韧性 明显 提高 二 控 制基体 组织 与形貌 在 无形 变作用 下 影 响马 氏体形 貌 的主 要 因素为 奥 氏 体的化学 成份 和马氏体 的形 成温度 Ms 点 因此 可用粥整热处理工艺参数的办法 盘中碳 高碳的台金钢中获得部分位 错 型 的板条马 氏体 以提高锕 的韧性 l 7CrNi s i MnMo V钢模 具调 温淬火 该 模具 饪9 O 0 c加 热 淬火 其 沮织 经透射 电 镜 观 察 结 果 针状马氏林和板条马氏体同时存在 板条马氏体中具有 高密 度曲 也错 马氏 体板 条问 存在残 留奥 氏 体 簿 膜 见圈 2 电子衍 射 结果表 明残 留奥 氏俸 与基体 符台西山取 向关 系 残留奥氏俸簿膜怕存在有利于提高基体韧性 阻止裂纹 扩 展 模 具寿命提 高 2 3箔 2 W Cr V 锕 模具 低温 淬火 为 了解 决高速钢 模具 昀断裂韧 性问题 和 基体钠 的出现 对高速钢 模具采用 低 温 淬 火 工艺 收到 了一定 的效 果 由 l0 9 0 0 C淬 火 2 O D C 回火 T E M 6 0 0 0 次 复 型 图 2 7 Cr Ni S i d n Mo V钢 维普资讯 于淬火温度 的降低 奥氏体中的碳和台金元素溶解度碱少 淬火后马氏体组织申 的 含 碳 降 低 加 之奥 氏体 晶粒 很细 钢 的强度 和韧 性都高于 正常 温度淬 火 在生产 中对细长形 的杆 状 凸模采用 此工 艺都 收到 了好 的效 果 3 3 Cr z W a V钢热 作摸具 的 高淬高 回一 这里提出的高淬高回是适当提高洋火和回火的温度词言 也就是常说的调温 卒火 该摸 具 在高 温下工 作 主 要 的失效 方式是 热强性 和热 疲劳 性低 热 疲劳是 金属在 交变热 应力 作用 下的破坏 热作模具在服役过程中颏烦地加热和冷却 极易发生热疲劳 模具热疲劳损坏有 龟裂和断裂两类 前者是热疲劳裂纹在型腔表面亚稳扩展形成网络 模具最终以脱模困难而 报废 后者是热疲失稳扩展 引起模县早期断裂 高淬高回的工艺 是在挖掘老钢种潜力措 施 对模 县的使甩寿 命有显著 提 高 3 Cr W V钢 不 同淬 火 温度和 回火 温度 对冲 击韧性 的影响 见表 1 表 2 袭 T 3 Cr W a V钢不 同加 热规范 的冲击韧性 值a 热 处理工 艺规范 回火温度 C 表 2 3 Cr W V铺不 同回火 温度断裂韧 性值K 模具 寿 命比较 见表 3 调 温淬 火 冲 击韧 仕显著 的提高 金相 分析 结果 1 1 5 0 c加热 比 1 0 5 0 C加 热 淬火 的试 佯裂纹萌生较晚 扩 展较慢 具有较高 的热疲劳抗力 产生 这 种现 象 的主 要振 因是 u5 O C油淬有 较高 的初 始硬 度及热循 环 的稳 定 性 其 组 织 含大量板 条马氏 体 而 1 0 5 0 C油淬 以片状马 氏体为主 板条 马氏体 的亚 结构 形成高 密 度 伍 错 可为 特殊碳 记物析 出提供 更多 的形 核位置 使锕 在相同 回火 温度下碳 化物弥 散度较大 并具有 较高 的硬 度 淬 火温度 琦提 高 还 会 使台金元 素在基 体 中的同溶 度增 提高钢 的热 稳定 性 钢 l 粗大 米溶解 的破化 物 与基体 的相 界面处 往 往是热 裂纹形 桉 位置 及优先 扩 展 的 途 径 1 1 5 0 C油淬 与1 0 5 0 C油 津相比 未 溶解 的碳 化物 外 型变得细 小 固滑 这 也 是其抗 热 疲 一 维普资讯 劳性较好和 出现裂纹倾 向性小的一个原因 衰 8 几 种横具在 不 同热 处理趣范 下的寿命 比较 常规加热 调 温加热 寿 命 七 较 模 具 1 0 5 0 C 1 1 5 0 C 3 Cr W s V钢 冷挤照 像机 3 0 5 0 件 3 0 0 5 0 0 件 I 0 脚 架转换座模具 3 Cr W V铜 吊环 热锻模 具 2 5 0 0 3 0 0 0 件 7 0 0 O 件 I 2 3 a Ct W V钢断 线 钳 口 3 0 0 0 4 0 0 0 件 6 0 0 0 8 0 0 0 件 I 2 热 挤压模具 三 残 薯奥 氏体的 利用 一 般淬 火状态 下的 台金钢 摸 县 大 约有 i 0 2 0 的残留奥 氏体 而 且这一 含量还可 以通 过 淬火和 回火来 调节 如 厨利用这 部分残 留奥 氏体来提高 钢 的韧性 引起 了人们 的研究和关 注 l 残 留奥 氏体 在6 5 Nb 钢 中对断 裂韧性 的影响 襄4 6 5 Nb 钢经 1 1 2 0 C淬 火 不同 温度回火对 残留奥 氏体 量和 断裂韧性关系 I 1 回 火 温 度 c f 2 2 o 3 0 0 I 4 o o 4 5 o 5 0 0 5 4 0 5 8 0 J I K l 断裂韧 性 f 1 4 L 1 2 f 1 4 I 1 4 1 3 o 5 O J l 丁 一一 l 残留奥氏体量 7 3 3 I 7 8 9 f 8 6 4 6 F 8 6 4 8 J l j l 从表 4可 看到 6 5 Nb 钢经 i 1 2 0 Ci 火 4 0 0 C回 火后有很高 的断 裂韧性K 值 这 是 由 于4 0 0 C回火后 淬火应 力基本 消除 而 残 留奥氏体 尚未 发 生转 变 残 留奥 氏 体 这 种 韧 性 相 具有 阻 止裂纹传 播和 扩 展的能力 因而提高 了钢 的韧 性 2 Cr Mo 钢不 同淬火 温度 对残留 奥氏体量 及硬 度的关 系 图 3 在正 常淬火 温度下 随 淬火 温度提 高 奥氏体 稳定程 度增加 淬火后残 余奥 氏体 量增 加 使 硬度降低 有 q 于 提高材料 的韧性 8 Cr Mo Vt 不 同加热 温度淬 火对断 裂韧性 的影响 1 2 维普资讯 岁 一 一 1 一 一 r 曩 荽 暑 黑 图 3 Cr Mo V锕不 同加热温 度对残 留奥氏体 量及硬度 的影响 裹5 Cr Mo V钢 不 同工 艺 下的断裂 韧性值 9 0 0 C加热 淬 火 见 图 4 56 5 61 43 2 0 0 C回火 瓷 状断 口 l 9 5 O C加 热淬 火 见 图 6 53 2 68 88 5 2 0 C回火 瓷状断 口 1 0 5 0 C 加 热 淬火 4 0 0 C回 火 5 8 j 8 1 胭 2 0 i 一 I 竺 竺口 一 l 1 0 0 c 加 热 淬 火 l l I 见 图 7 f 5 3 f 9 4 9 0 i 3 0 c 回火 I I l 纤维状断口 一 图 4 Cr l Mo V钢 扫描照 片 断 口成 云 朵状 为 准解 理断裂 图 5 Cr Mo V钢 扫描照片 断 口成云 朵状 为准解 理断裂 l 3 维普资讯 图 6 Cr Mo V钢 扫描照 片 断 口成 韧 窝状 图 7 Cr Mo V钢 扫描照 片 断 口成 韧 离状 如表5 所示 C r 型模具钢在9 0 0 C I I O 0 c 温睦一 F 淬火 K 值随淬火 狃度 的提高 而增加 在2 O O c 一 5 2 O C回火 温度范 围 内 以4 O 0 c回火后K 直最 高 5 0 0 c回火 时 由 于钢 的残 留奥 氏体 向马 氏体 转变发生二次 硬化现象 使K 使显 著 珞低 因此 从上面 的 数 据证实 利用残 留奥氏体 提高其断 裂韧性是值 得 重视 的 四 碡 低含 碳 提 高韧性 碳 对 冷冲模具 钢 的强 韧性 硬度和 耐磨 性都有 决定性 的影响 碳 撞增 高 硬度 抗压屈 服强度及耐磨性都增高 但韧性下降 因而 在满足硬度的要求前提下 适当降低含碳量 淬火后 获得较多 的板条马 氏体和足够 的碳 化物量 以保证 锕 的高 强韧 洼和足 够的耐磨 性 1 几 种高速钢 中不同 含碳 量对冲 击韧性 的影响 襄 6 W 1 日 Cr V W 日 Mo 5 Cr 4 V 2 6 W B Mo Cr V钢中不 同含碳 置 的冲击韧 性值 含 碳量 淬火温 度 回火温度 C 与 击铆性 g t a m e ra 钢 号 C 5 0 0 I 5 3 0 l 5 5 0 i 5 8 0 W L Cr V 0 7 O 8 1 2 6 0 3 4 3 6 Wd M o 6 C r V 0 8 0 9 l 2 2 0 I 一 l 3 6 6 Wd M o 5 C r V 0 5 NO 6 1 2 0 0 5 7 5 0 i 5 3 5 7 j I 由表 6可 知 含碳低 的6 W Mo Cr V高速 冲击韧 性值比w cr V I I W Mo cr V 两 种高速钢 的冲击 韧性 都高 2 为 了解 决铜 的强度和韧 性 的配 台问题 各国在锕 的成分 没计 上 已把 含碳量 从0 9 0 降低 到0 5 5 O 8 5 我国 新研 制的8 W Mo Cr V就是 属这 类锕 见 表 7 提 高模 具 的强韧性 钢 的成 分设计是 重要 的因素 从热 处理工 艺上孝虑 对 F 那些 含酸 量高 的过 共析 成分 的模 具钢 宜采 用低 龋短时加热 淬火 以降低奥 氏体 巾的碳 含量 从而 获得 台碳 量较低 的片 状或板 条状马 氏体 以减轻 出现显 微裂纹 的倾向 降低淬 火 温度还 可以细 化 维普资讯 表 7 美 国 日本 中臣几 种膏速钢 妁舍碳 量厦合 盒成 分 合 金 元 素 及 含 量 钢 号 C Cr W M o V H 美国 0 j 0 4 0 0 1 8 0 0 1 0 0 H 2 0 60 4 0 0 6 0 0 5 0 0 2 0 0 1 Mo D 1 日本 0 6 5 3 8 0 4 0 0 6 O 0 1 8 0 6W 日 Mo B Cr 4