[学习总结]冷作摸具钢Cr12的复合热处理工艺研究

1、常州机电职业技术学院毕业论文毕业设计（论文）中文摘要cr12冷作模具钢常规的热处理工艺存在着强度高、韧性差、淬火变形大等问题，通过调质处理+低温淬火的复合热处理工艺， 很好地解决了上述问题，延长了模具的使用寿命。在低温淬火前首先调质处理，以细化淬火前的组织，在低温淬火后可改善组织，获得细化的碳化物，消除网状化物，从而提高冲击韧性和抗弯强度;也可消除机械加工的组织应力，防止淬火开裂和减少淬火变形。复合热处理是将两种或两种以上的热处理工艺复合，或将热处理与其它加工工艺复合，这样就能得到参与组合的几种工艺的综合效果，使工件获得优良的性能，并节约能源，降低成本，提高生产效率。如渗氮与高频淬火的复合、淬

2、火与渗硫的复合、渗硼与粉末冶金烧结工艺的复合等。还有一些新的复合表面处理技术，如激光加热与化学气相沉积(cvd)、离子注入与物理气相沉积(pvd)、物理化学气相沉积(pcvd)等，均具有显着的表面改性效果，在国内外的应用也日益增多。需要指出的是，复合热处理并不是几种单一热处理工艺的简单叠加，而是要根据工件使用性能的要求和每一种热处理工艺的特点将它们有机地组合在一起，以达到取长补短、相得益彰的目的。关键词：cr12；冷作模具钢；复合热处理；莱氏体钢第1页 共38页常州机电职业技术学院毕业论文毕业设计（论文）外文摘要title: cold die cr12 composite heat treat

3、ment processabstract: there are high strength, toughness is bad, the deformation of the problems of quenching, through the quenching and tempering treatment of low temperature quenching + composite heat treatment process, solves the problem and prolong the service life of the die. in the low tempera

4、ture quenching and tempering treatment before the first, to the organization of the refined before quenching, in the low temperature after quenching can improve the organization. composite heat treatment is to two or more heat treatment process complex, or heat treatment and other processing technol

5、ogy will compound, so they could get involved in the process of the combination of several comprehensive effect, to make the work get excellent performance, and to save energy and reduce the cost, improve the production efficiency. such as nitrogen and high frequency quenching permeability of the co

6、mpound, quenching and permeability of the sulfur compound, boriding and metallurgical powder sintering process of the compound, etc. and some new composite surface treatment technology, such as laser heating and chemical vapor deposition (cvd), ion implantation and physical vapor deposition (pvd). n

7、eed to point out is, and not a single compound heat treatment several the simple sum of heat treatment process, but according to the use of performance requirements and each kind of heat treatment process characteristics of them organically together, in order to achieve the purpose of complementarit

8、y and bring out the best in each other.keywords：cr12；cold working die steel；mltiplex heat treatment；ldeburite steeldie steel；mltiplex heat treatment；ldeburite steel目录第一章 绪论41.1 冷作模具钢的概述41.1.1 cr12型冷作模具钢的成分与力学性能51.1.2 cr12型冷作模具钢的工艺性能71.2 cr12型冷作模具钢的应用71.3 本论文的目的和意义8第二章 各种冷作模具钢各种热处理特点92.1 低变形冷作模具钢及其热处

9、理92.1.1锰、铬、钨系冷作模具钢的特性92.2 高耐磨微变形冷作模具钢及热处理102.3 高强韧性冷作模具钢及其热处理122.3.1 降碳高速钢（6w6mo5cr4v）的特性122.4 cr12常用热处理方法152.4.1 cr12的退火工艺152.4.2 cr12的传统淬火工艺162.5 cr12冷作模具钢的复合热处理工艺研究162.5.1 cr12冷作模具钢的成分分析172.5.2 cr12冷作模具钢复合热处理17第三章 热处理工艺对cr 12钢组织和性能的研究193.1 实验材料和方法193.2 实验结果分析213.3 小结22第四章 cr12型冷作模具钢的组织与失效关系的分析234

10、.1 cr12型冷作模具钢金相组织分析234.1.1 cr12型冷作模具钢的加工失效分析234.2 典型冷作模具钢性能与失效关系254.2.1 冷作模具失效问题探讨274.2.2 小结32第五章 复合热处理与传统工艺的比较335.1 复合热处理工艺分析335.2 cr12传统热处理实验结果的缺点345.3 cr12复合热处理实验结果的优点34总结36致谢37参考文献39第一章 绪论1.1 冷作模具钢的概述（1）耐磨性冷作模具钢在工作时，表面往往与工件产生强烈的摩擦，模具必须在此情况下保持其尺寸精度和表面粗糙度，防止早期失效。由于模具材料的硬度和组织是影响耐磨性的主要因素，因此为了提高冷作模具钢

11、的耐磨性，通常要求模具硬度高于加工硬度3050，材料的组织为回火马氏体或贝氏体组织1，其上面分布均匀，细小粒状碳化物。要达到此目的，钢中的碳的质量分数一定要在0.60以上。同时模具工作过程中的润滑和模具材料的表面处理也对改善模具的耐磨性有良好的影响。（2）韧性模具材料的韧性要根据模具工作条件来确定，对于受强烈冲击载荷的模具（如冷镦模和剪切模）、易受偏心弯曲载荷的模具（如细长的冲头模具）、应力集中的模具等，模具材料的韧性是十分重要的考虑因素；对于一般工作条件下的冷作模具，通常受到的是小能量多次冲击载荷的作用，模具的失效形式是疲劳断裂，因此模具不必具备过高的韧性。（3）强度模具材料的强度是指模具工

12、件在工作过程中抵抗变形和断裂的能力。强度指标主要包括拉伸屈服点和压缩屈服点等。去屈服点是衡量模具工件塑性变形抗力的指标，也是最常用的强度指标2，如压缩屈服点对冷作模具冲头材料的变形抗力影响很大。为了获得高的强度，在材料选定的情况下，主要通过适当的热处理工艺进行强化。（4）抗疲劳性冷作如（冷镦、冷挤、冷冲）模具一般是在交变作用下工作的，所以发生的破坏多为疲劳破坏，及工作载荷在材料的屈服点以内，加工一定数量的坯料后发生破坏，因此为了提高模具的使用寿命，需要较高的抗疲劳性能。模具材料的工作应力应在材料的疲劳强度以内。导致模具材料失效的因素有钢中带状和网状碳化物、粗大晶粒、模具表面具有微小的刀痕、凹模

13、级截面尺寸的变化过大和表面脱碳。（5）抗咬合性当冲压材料与模具表面接触时，在高温摩擦下润滑油膜被破坏，此时被冲压件金属被“冷焊”在模具型腔表面形成金属瘤，从而在成型工件表面划出道痕。影响抗咬合性的主要因素好似成型材料的性质，如奥氏体不锈钢、镍基合金、精密合金等有较强的咬合倾向。模具材料及润滑条件也对抗咬合性有较大的影响。（6）可锻性采用锻造工艺可以减少模具的机械加工余量，改善材料组织中的夹杂物与碳化物的形态、大小与分布状态，细化晶粒，形成有利的纤维组织，消除材料的内部组织缺陷。为了获得良好的锻造质量，要求模具材料的塑性好，热锻变形抗力小，锻造温度范围宽，晶粒不宜长大、便于掌握，锻造裂纹产生倾向

14、小，不易析出网状碳化物。（7）可切削性对可切削性的要求是：切削力小，切削量大，刀具磨损小以及加工后模具表面光洁。冷作模具材料由于其本身的性能要求（冷作模具钢主要属于亚共析钢和莱氏体钢），一般切削加工都较困难，为了改善可切削性，应采用合理的热处理工艺，对于表面质量要求较高的模具钢可选用s和ca等元素的易切削钢。（8）可磨削性为了保证模具表面有较好的表面粗糙度和尺寸精度，大部分模具都必须经过磨削加工。对可磨削性的要求是：对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤和磨裂。可以通过在炼钢过程中加入变质剂如si，ca和稀土元素等来改善磨具钢的可磨削性。1.1.1 cr12型冷作模具钢的成分与力学性能cr1

15、2型高碳高铬钢简称cr12型钢，其成分特点是高碳含量和高铬含量，常用的钢号有cr12，cr12mov，cr12mo1v1。其化学成分见1-1，临界点见表1-2。1.1.1.1 cr12冷作模具钢的力学性能cr12型钢属于莱氏体钢3，钢中存在大量铬元素，主要形成（cr，fe），型化合物，而渗碳体型碳化物极少。cr12型钢随着淬火温度的升高，淬火硬度相应增加。这是由于淬火温度升高，合金碳化物融入奥氏体的数量增加，使得奥氏体中的固溶碳含量和合金元素含量增加的结果。淬火温度升高到1050时，硬度最大。若在提高淬火温度，由于奥氏体中合金元素继续增多而使ms下降，导致残余奥氏体量大幅增加，硬度急剧下降，同

16、时还因为奥氏体晶粒变粗，使得抗弯强度和冲击韧度明显降低。表1-1 cr12型高碳高铬钢的钢号及化学成分（质量分数） 成分钢号cmnsicrmovcr122.02.30.400.4011.5013.00cr12mov1.451.700.400.4011.0012.500.400.60.10.30cr12mo1v11.401.600.600.6011.0013.000.71.201.10表1-2 cr12型高碳高铬钢的钢号的及临界点 钢号ac1accmar1mscr12810835835180cr12mov810-760-cr12mo1v1810875695190cr12型钢在淬火加热时碳化物大量

17、溶于奥氏体中，淬火后得到高硬度的马氏体。回火时自马氏体中析出大量弥散分布的碳化物，其硬度很高，因而提高了高的耐磨性。cr12mov钢经1020淬火，520回火时出现明显的二次硬化，而且淬火温度愈高，这种效应愈显著。在200左右回火时，其抗弯、抗压强度最高；在400左右回火，断裂韧度4最高如图1-1所示。cr12型钢采用何种热处理工艺要是具体要求而定。cr12mov钢采用低温（9001000）淬火及低温（200）回火可获得高硬度及高韧性，但抗压强度较低；采用高温（10801100）淬火及高温（500520）回火可获得较高硬度及抗压强度，但韧性太差；采用中温（1030）淬火及中温（400）回火可获

18、得最好的强韧性，较高的断裂能力。 图1-1 回火温度对cr12mov钢硬度的影响1.1.2 cr12型冷作模具钢的工艺性能（1）锻造工艺:由于cr12型钢属于高碳高合金钢，其导热性能差，塑性低，变形抗力大，锻造温度范围窄，组织缺陷严重，所以其锻造性能差。（2）退火工艺:cr12型钢一般采用等温球化退火工艺，加热温度为850870，保温 24 h，等温温度为740760，保温46 h，退火组织为索氏体+合金碳化物。退火后硬度为207255hbs。 （3）淬透性:cr12型钢cr的质量分数高达约12%，所以具有高淬透性。截面尺寸为300400 mm以下的模具在油中完全可以淬透5，控制淬火温度可以调

19、节残余奥氏体量，实现微变形淬火。1.2 cr12型冷作模具钢的应用cr12型高碳高铬钢简称cr12型钢，其成分特点是高碳含量和高铬含量，常用的钢号有cr12，cr12mov，cr12mo1v1。是应用广泛的冷作模具钢，具有高强度、较好的淬透性和良好的耐磨性，但冲击韧性差。主要承受冲击负荷较小，要求高耐磨的冷冲模及冲头、剪刀、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉延模和螺纹等。用途：（1）厚度不大于2mm薄板材，高效落料模，冲模及压印模。（2）各种剪刀，镶嵌刀片，木工刀片。（3）螺纹轧制模和耐磨滑块。（4）冷镦模具，热树脂成型模。（5）深拉成型模，冷挤压模具。1.3 本论文的目的和意义冷作模具钢

20、由于具有高强度、较好的淬透性和良好的耐磨性，但冲击韧性差主要承受冲击负荷较小，要求高耐磨的冷冲模及冲头、剪刀、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉延模和螺纹等。但是随着机械行业的进步，人们对于冷作模具钢的性能要求越来越高，有着非常广阔的前景。因此找到最合适的热处理方法并获得材料的最理想性能成为了我们材料学的共同奋斗目标。冷作模具钢有很多种，本文主要介绍了cr12型冷作模具钢。通过传统热处理与复合热处理工艺的比较，采用复合热处理工艺处理后的工件的优良性能是显而易见的。由于常规的热处理工艺存在着强度高、韧性差、淬火变形大等问题，通过调质处理 + 低温淬火的复合热处理工艺，很好地解决了上述问题，延

21、长了模具的使用寿命。同时不可忽视的是，热处理过程中在所难免会产生加工失效等热处理缺陷。加工缺陷对热处理的影响是致命的。所以搞清楚加工缺陷产生的原因也是非常重要的。本论文通过对热处理传统工艺与符合热处理工艺的比较，以及cr12冷作模具钢的组织与失效关系的分析的方面入手，简单的介绍了冷作模具钢cr12的复合热处理工艺和热处理过程中应该注意的基本事项，希望可以起到一定的抛砖引玉的作用。第二章 各种冷作模具钢各种热处理特点2.1 低变形冷作模具钢及其热处理低变形冷作模具钢的基本优点是具有较好的淬硬性(6164hrc)和淬透性。60l20mm工件能于油或硝盐中淬硬，淬火操作简便，淬裂、交形量低，并易于控

22、制。低变形冷6作模具钢经淬火及低温回火后含有8l5的残余奥氏体组织和510的碳化物。残余奥氏体住250左右回火后分解，使体积膨胀，并加剧低温回火脆性。在低变形冷作模具钢中，以mncrwv钢为各国趋向于通用的综合性能优良的代表性钢种，应大力推广。crwmn钢在我国沿用较广，但对形成碳化物网状比较敏感，这种网状碳化物的存在，会使模具钢刃部产生脆断倾向，国内外均趋于缩减其应用范围。9crwmn钢，在美、英等国最为普及，我国经一些工厂长期使用，也有较好的效果。9mn2v钢为西欧、捷克等国普遍使用的冷冲模钢种，我国引进后，已广为使用。9mn2v7钢在美国广泛用于小型塑料模。simnmo钢目前仅美国列为标

23、准型号，由于其具有优良的抗咬合能力和耐磨性，欧、美已有多家特殊钢厂将其列为基本钢号，有普及的趋势。我国已列为推荐用钢，使用者尚不多。2.1.1锰、铬、钨系冷作模具钢的特性 锰、铬、钨系冷作模具钢的wm0=0.8l.3，而c、cr、w、v的含量不同，决定了性能的差异。向钢中加微量的钒、能抑制网状碳化物，增加淬透性和降低过热敏感性，使mncrwv晶粒度比同系钢捉高一级。mncrwv在本钢组中具有高的淬透性，4060mm工件可在油淬后穿透硬化，如图2-1所示。mncrwv钢淬火后经不同温度回火后的力学性能如图2-2所示。crwmn钢淬透性性的特点是波动范围大，这一现象与退火中碳化物稳的定化有关。cr

24、wmn钢临界淬透直径dc(油)通常在乎30-50mm。mn-cr-w系低变形冷作模具钢广泛用于加上薄钢板、有色金属板的形状复杂的冷冲模材料，特别是在钟表、仪器、玩具食品工业等以轻型冷冲压为主的工厂中，应用尤为广泛。但对于冲制奥氏体钢8、碑钢片、高强度钢板时，使用效果较差。 图2-1不同温度回火温度对力学性能的影响 图2-2 9mn2v钢的淬硬层分布曲线 2.1.1.1 锰2系钢(9mn2v、9mn2)的特性锰2系 钢不含铬和钨，价格较低，碳化物分布均匀；冷加工性能好，热处理工艺性好，不易淬裂、变形，但在淬透性、淬硬性、回火抗力、强度、回火脆性、磨裂倾向等方面不知mn-cr-w系钢。9mn2v和

25、mncrwv淬火后不同温度回火的力学性能如图2-2所示。 9mn2v钢含有0.2的钒(质量分数)，能抑制过热敏感性及网状碳化物的析出，冶金质量易于保证，碳化物细小。2.2 高耐磨微变形冷作模具钢及热处理本钢组的共同特点是高淬透性、微变形、高耐磨性、高热稳定性、高的抗压强度(仅次于高速钢)。是制造冷冲裁模、冷镦模、螺纹搓丝板的主要材料，其消耗量在冷作模具钢中居于首位。在该类钢中，应用尤为广泛的是crl2系列钢。这些钢都是莱氏体钢，铸态时存在鱼骨状共晶碳化物，这种碳化物随着钢链凝固速度缓慢和锭形尺寸增大而加剧。虽然在锻轧生产中鱼骨状共晶碳化物被破碎，但在钢中还存在不均匀分布或存在纤维方向性。按gb

26、tl299-2000标准，这类钢的不同规格钢材都有允许的碳化物不均匀性合格级别标准，但不-定能满足某些模具对碳化物不均匀性的特殊要求，有时仍需通过再次锻造来进行改善，此时最好采用镦粗、拔长且反复多次的三向锻造变形工艺，镦粗压缩比最好大于50。本组钢锻造后的硬度大约在550hbw左右，在室温下长期停留会发生开裂而报废。为消除内应力和便于以后的切削力工，必须及时进行退火。cr12系钢退火时可采用普通退火，但最好采用等温退火，crl2mov钢锻后退火工艺曲线如图2-3、图2-4所示。图2-3 crl2mov钢锻后退火 图2-4 crl2mov钢锻后等温退火本组钢淬火状态下含有大量未溶碳化物和残余奥氏

27、体。可以通过不同淬火加热温度，在较大范围内改变ms点9的位置，来改变残余奥氏体的含量，如图2-5、2-6所示、使淬火变形产生各向异性.这类钢回火后的硬度及残余奥氏体量与回火温度和淬火加热温度有关。由图可见，高温淬火（1130）后的回火在约520出现硬化峰值10，可获得较高的硬度及抗压强度，但是韧性太差，低温淬火后进行低温回火，可获得较高的硬度及较高的强韧性，但是抗压强度较低，一般认为crl2mov钢应采用中温淬火（1030）及中温回火（400）可获得最好的强韧性。 图2-5 crl2mov钢马氏体转变图 图 2-6 crl2mov碳化物条纹方向及淬火温度的关系crl2mov钢在1025淬火后不

28、同回火温度和对时间、对强度和韧性的影响如图2-7所示。 a b图2-7 crl2mov钢在1025淬火后不同回火温度和对时间、对强度和韧性的影响2.3 高强韧性冷作模具钢及其热处理长期以来，重载冷镦、冷挤压模具，均采用高速钢或高碳高铬钢制造。由于造些钢的韧性较低，棋具的早期脆断夫效严重，使用寿命不高。近年来午来，国内外研制开发了多种高强韧性冷作模具钢，其强度、韧什、冲击疲劳断裂抗力，均优于高速钢或高碳高铬钢，而抗压性及耐磨性稍逊于前者。使用寿命较高速钢、高铬钢大为提高。2.3.1 降碳高速钢（6w6mo5cr4v）的特性6w6mo5cr4v钢属于降碳型钨钼系高速钢11，与w6mo5cr4v2钢

29、相比，含碳量降低20(质量分数)，钒含量降低50(质量分数)，使用效果良好，已定型列人合金工具钢标准。是我国目前较成熟的一种高强韧性、高承载能力的冷作模具钢。 6w6m05cr4v钢，由于适当地减少了碳与钒的含量，降低了mc型碳化物12和碳化物的总含量，改善了碳化物分布的均匀性，使共晶碳化物不均匀度降低l2级，淬火硬化状态的抗弯强度与塑性提高3050，冲击韧度提高50l00，仍然保持了良好的二次硬化能力和热稳定性，560580回火后硬度为6063hrc。钢的锻造温度范围较窄，钢材始锻温度低于1100，仍需按莱氏体钢的锻造操作要领进行深透锻造，并控制流线方句。退火易软化，硬度低于229hbs，机

30、械加工性能较好。6w6m05cr4v钢般后退火时可采用普通退火或等温退火。常用的锻后等温退火工艺如图2-8所示：图2-8 淬火温度对力学性能的影响图2-9 6w6m05cr4v等温转变曲线图6w6m05cr4v钢的过冷奥氏体等温转变曲线如图2-9所示，淬火加热温度上限为11801200（晶粒度10-11级），经560580三次回火后，硬度为6063hrc，不同淬火温对力学性能的影响如图2-10所示；回火时的强度峰值位于560580区间，但冲击韧度呈现谷值。6w6m05cr4v主要用于取代高速钢或高碳高铬钢制作易于脆断或劈裂的冷挤压凸模或冷钝凸模，可成倍提高模具的使用寿命，用于大规格的钢下料剪刃

31、，能提高寿命数十倍。 图2-10 淬火温度对力学性能的影响2.3.1.1 7cr7mo2v2si钢的特性7cr7mo2v2si经适当热处理后的抗弯强度可达5000kn/mm2以上，冲击韧度k13值达100j/cm2以上，如图2-11所示，其强韧性远高于高速钢或高碳高铬钢，同时具有较高的耐磨性，与6w6m05cr4v钢相比、在抗弯强度均达到500mpa时7cr7mo2v2si钢的冲击韧度值比6w6m05cr4v钢高出近十倍。7cr7mo2v2si钢适宜制造高负荷的冷挤、冷镦、冷冲模具。但是此钢的脱碳敏感度性比高铬钢大，对淬火后正不必加就直接使用的模具，为避免因脱碳而降低表面硬度的现象发生，最好采

32、用真空加热淬火。 图2-11 7cr7mo2v2si钢油淬后不同回火温度对力学性能的影响2.4 cr12常用热处理方法2.4.1 cr12的退火工艺通过对不同热处理温度、不同热处理时间和不同冷却速度对cr12型冷作模具钢脱碳层厚度和硬度值的影响的研究，认为钢退火组织的硬度主要取决于残余奥氏体的数量，即珠光体转变的完全程度，对于密闭性较好、炉内温度较均匀的退火炉来说，860 10 保温8 h左右，以30 /h的速度冷却至730 10 保温7 h左右，再以30 /h冷却至540 出炉的工艺是可行的,并依据实际情况制定了车间的退火工艺曲线如图2-12所示。a一般退火工艺工艺图 b cr12等温退火工

33、艺 图2-12 退火工艺图2.4.2 cr12的传统淬火工艺将cr12型冷作模具钢均匀加热到860870，保温超过4小时（4h），然后冷却速度以30/ h的速度冷却出炉空冷，即可获得珠光体+碳化物组织，同时工件的硬度hbs269。传统淬火工艺如图2-13所示。图2-13 传统淬火工艺曲线图结论：（1）用传统淬火工艺处理后的cr12冷作模具的冲击韧性和抗弯强度较低，不能满足要求。（2）增加了模具的淬火畸变，使得工件的变形概率大大增加。（3）cr12冷作模具热处理原按常规工艺加热淬火后，在使用过程中常因韧性不足影响模具的使用寿命，或产生早期崩裂失效。2.5 cr12冷作模具钢的复合热处理工艺研究2

34、.5.1 cr12冷作模具钢的成分分析cr12冷作模具钢很多被用来做磨具，该类磨具必须具有足够的冲击韧性和抗弯强度14。要正确处理好模具强度和韧性之间的关系，模具的工作表面必须具有足够的韧性, 而心部的硬度必须相对低一些，在4 05 0 h r c， 合适的淬硬层深度为34mm。常规的工艺规定淬火温度为970990。淬火硬度60hrc。为了充分发挥钢的力学性能潜力和工艺适用性，我们进行了调质处理+ 低温淬火的复合热处理工艺试验，以延长模具的使用寿命，节约生产成本。工艺试验所采用的cr12冷作模具钢材料，符合gb1299-85合金工具钢的技术条件，原有硬度为269217hb。先将其各种成分如下：

35、c 2.02.3、m n 0.40、si 0.40、p 0.030、s 0.030、cr 11.513。2.5.2 cr12冷作模具钢复合热处理2.5.2.1 调质处理根据cr12冷作模具钢其材料的特点，其性能和高速钢有多相似之处，也属于莱氏体钢。在低温淬火前首先调质处理，以细化淬火前的组织，在低温淬火后可改善组织，获得细化的碳化物，消除网状碳化物15，从而提高冲击韧性和抗弯强度，也可消除机械加工的组织应力。防止淬火开裂和减少淬火畸变。具体调质处理的工艺如图2-14所示。如图2-14 调制处理工艺图2.5.2.2 低温淬火低温淬火加热时碳化物的固溶速度和固溶量，受加热温度和加热时间的直接影响，

36、而采用低温淬火时，保温时间的影响更为突出。cr12钢按照常规加热时间在920淬火加热时，淬火后的硬度为5456hrc，不能满足冷镦模的技术要求，在生产上无法应用。cr12钢低温淬火的关键在于必要的加热保温时间，在该淬火加热温度下，充分保温能够使钢中的合金元素在奥氏体中能得到充分的固溶和扩散，使其趋于平衡状态，以提高cr12钢模具的淬透性，从而提高了模具工作表面硬度。其工艺曲线如图2-15所示。cr12钢采用调质处理作为淬火前的预处理，同时淬火温度比常规热处理淬火温度降低5070，淬火后的金相组织是以板条马氏体为主的隐晶基体16，淬火晶粒度更细小，因而能够显著提高模具的表面强度和心部的韧性。由于

37、淬火温度较低，淬火组织中未溶的碳化物颗粒较多，残留奥氏体较少，也有利于保持良好的耐磨性，模具的尺寸稳定性也较好。图2-15 工艺曲线图2.5.2.3 结论（1）复合热处理显著提高了cr12冷作模具的冲击韧性和抗弯强度， 复合热处理后冷作模具的力学性能， 可比常规淬火分别提高53%和27%，如表2-1所示。表2-1 热处理后力学性能对比淬火工艺常规热处理复合热处理理晶粒度级别9.011.5200回火后h r c62646163韧性3147.5抗弯强度34564389（2）减少了模具淬火畸变。采用调质处理+ 低温淬火的复合热处理工艺能减少组织应力和热应力， 同时增强淬火过程中钢对畸变的抗力，cr1

38、2冷作模具经复合热处理后可使淬火畸变减少30%。（3）模具使用寿命得到提高。cr12冷作模具热处理原按常规工艺加热淬火后，在使用过程中常因韧性不足影响模具的使用寿命，或产生早期崩裂失效。采用调质处理+低温淬火的复合热处理工艺，提高了模具的综合机械性能，寿命提高1.4倍，大大提高了经济效益。 第三章 热处理工艺对cr 12钢组织和性能的研究 3.1 实验材料和方法cr12钢是一种广泛应用的冷作模具钢，为高碳高铬莱氏体钢，铸态时存在鱼骨状共晶碳化物17，这种鱼骨状共晶碳化物随着钢锭的凝固和冷却速度的减慢、锭型尺寸增大而加剧。虽然在锻轧过程中共晶碳化物被破碎，但钢中碳化物分布的不均匀性和方向性难以改

39、善。常规热处理方法不能改变碳化物的分布状态，严重影响cr12钢的使用寿命，且在模具加工过程中，易产生开裂和变形，导致模具材料浪费严重。因此改善钢组织中的碳化物分布是提高模具质量的重要途径。现采用新的热处理工艺。改善cr12钢组织中的碳化物形态与分布。为最终热处理做好准备，达到提高cr12钢使用寿命的目的。实验材料如表3-1所示。表3-1 实验材料的化学成分 质量分数csimncrps2.280.350.3812.680.0260.019经锻制的试块在箱式电阻炉内进行退火及回火处理，预热淬火加热分别在rdm-45-8型、rdm-45-13型埋入式电盐浴炉内进行，不同工艺热处理试件均进行金相组织分

40、析及力学性能测试，模具进行使用寿命考核。试验分2组，i组采用常规热处理退火，淬火温度960，油淬。组采用经840730690特定温度等温球化退火，两段特定温度充分预热，960油淬。2组试样均在200、250、300、350、400、450、500温度回火。crl2钢锻件常规退火下硬度为266.6hbs，特定温度等温球化退火下硬度为276.8hbs。不同退火工艺显微组织比较如图3-1、3-2所示。 图3-1 cr12钢常规热处理退火后显微组织 图3-2 crl2钢特定温度等温球化退火显微组织 crl2钢锻件常规退火经960油淬硬度值为61.2hrc,等温球化退火经960油淬硬度值为62.8hrc

41、。不同温度回火后力学性能比较如图3-3所示。由图3-3可见，400回火与传统回火工艺比较，抗弯强度基本相当，硬度稍有降低，但冲击韧性成倍提高。cr12钢锻件不同工艺显微组织如图3-4、3-5所示。a 不同温度回火后冲击韧性b 不同温度回火后抗弯强度c 不同温度回火后硬度图3-3 经普通退火、等温球化退火cr12钢锻件960油淬、不同温度回火的力学性能3.2 实验结果分析crl2属于莱氏体钢，钢水凝固时析出共晶碳化物极为稳定，常规热处理无法细化18。 crl2钢铸态下形成的网状共晶碳化物，使铸钢变得很脆，降低模具使用寿命19。钢在锻轧过程中共晶碳化物被破碎，呈网状分布的碳化物变成颗粒状碳化物，沿

42、变形方向延长，形成带状碳化物20。即使经锻轧后，在较大规格的钢材中仍残留明显的带状或网状碳化物，这种组织给crl2钢的使用性能带来不利影响，主要原因是：（1）网状碳化物的存在使钢的韧性明显降低；（2）带状组织使钢的力学性能和物理性能出现明显各向异性；（3）碳化物不均匀性使钢材淬火开裂倾向增大；（4）碳化物不均匀性导致钢材的磨削性和耐磨性降低21。针对cr12钢碳化物分布的不均匀性，在严格控制cr12钢锻造工艺的基础上，对cr12钢锻件进行特定温度球化退火，获得了图3-1所示的组织，显微组织为均匀分布的球状珠光体基体和大量弥散均匀分布的颗粒合金碳化物及细小颗粒状合金碳化物。这种高度弥散分布的细颗

43、粒合金碳化物，将成为淬火加热奥氏体的成核核心。两段特定温度充分预热，进一步使经特定温度等温球化退火后的组织获得高度弥散分布的小颗粒合金碳化物，大大改善crl2钢碳化物的形态与分布。两段特定温度预热还可减小残留应力，缩短高温加热时间以减少模具在淬火时的变形。从而使cr12钢淬火、回火后获得均匀分布的隐针回火马氏体+均匀分布的细颗粒碳化物及少量残留奥氏体，较常规热处理组织性能明显改善，如图3-4、3-5所示。由图3-3可见。cr12钢锻件经840730690等温球化退火充分预热淬火回火后经常规退火淬火回火的抗弯强度硬度、明显提高，k值提高20以上。必须指出，在淬火件的回火过程中，发现cr12钢淬火

44、后经400回火和传统的常规回火温度180200或300350相比，尽管硬度较200回火稍有降低，但抗弯强度基本上相当，而k22值大幅度提高，较200回火提高3倍多，较320350回火提高1846，这种经400回火的cr12钢具有显微组织细小、碳化物均匀及力学性能优良的显著特征。采用新工艺对cr12钢锻制拉丝模和cr12钢冲模进行热处理。结果表明：按常规工艺处理的cr12钢锻制冲模。在2mm结构钢板冲压时平均使用寿命为2.2万次，而采用新工艺处理的cr12钢锻制冲模的平均使用寿命为5.09万次，较常规热处理提高l2倍，并解决长期困扰crl2钢冷作模具热处强度高、韧性差、淬火变形大等问题。 图3-

45、4 普通退火q12钢锻件经960油淬、 图3-5 等温球化退火q12钢锻件经960、400回火后显微组织 油淬400回火后显微组织3.3 小结(1)crl2钢经等温球化退火与普通退火比较，碳化物形态与分布大大改善，获得均匀分布的球状珠光体和高度弥散均匀分布的细颗粒状合金碳化物。(2)经等温球化退火充分预热加热淬火400回火的crl2钢。组织与性能均优于常规热处理，在抗弯强度、硬度有所提高的情况下，k值大幅提高。(3)新工艺淬火后的cr12钢冷作模具经400回火后获得优良的组织组织性能，解决cr12钢模具热处理后线切割开裂的问题，模具钢使用寿命是常规热处理的12倍。 第四章 cr12型冷作模具钢

46、的组织与失效关系的分析 4.1 cr12型冷作模具钢金相组织分析 cr12热处理状态不同，显微组织变化很大，特别是1150以上温度淬火的组织比较特殊。cr12在不同热处理状态的金相组织如下所述：(1)800880淬火，未回火的试样组织为：马氏体+屈氏体+碳化物。材料碳化物偏析比较严重，奥氏体成分不均匀，稳定性程度不同，硬度由低到高。(2)950、980、1010淬火，未回火的试样为正常淬火组织：马氏体+碳化物+残留奥氏体。(3)l200淬火，未回火的试样，组织为很粗的针状马氏体+少量碳化物+大量残留奥氏体。(4)1230淬火，未回火和低温回火的试样，为针状马氏体+少量碳化物(带状)+大量残留奥

47、氏体，晶粒很粗大，晶界上有淬火显微裂纹。(5)1280淬火，低温回火的试样，为粗针状马氏体+极少量碳化物+大量残留奥氏体。(6)1310淬火，未回火的试样为严重过烧组织，晶界上有网状共晶莱氏体。 4.1.1 cr12型冷作模具钢的加工失效分析 cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢，属高碳高铬类型的莱氏体钢。该钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性，多用于制造受冲击负荷较小要求高耐磨的冷冲模23及冲头、冷剪切刀、钻套、量规、拉丝模等模具。在模具制作过程中出现裂纹，模具的坯料为准80mm的cr12钢，裂纹出现在材料热处理后的切割加工阶段，裂纹深约15mm。通过化学成分、力学性能和金相组织等项目的检验，对

48、材料的失效原因进行了分析。 4.1.1.1 化学成分和力学性能分析（1）化学成分分析对失效部件的材质分别采用高频感应红外吸收法和电感耦合等离子体原子发射光谱法进行元素分析，结果表明材料的化学成分符合cr12钢的成分要求。（2）裂纹宏观检验经观察，坯料的裂纹产生于表面处，向芯部扩展，深度约15mm，裂纹比较直见图4-1。对断口形貌进行观察，发现断口具有灰亮色的金属光泽且没有宏观塑性变形，为典型的脆性断裂。图4-1 裂纹的宏观形貌 (3)力学性能测试通常采用的工艺为860c4h空冷，获得粒状珠光体+炭化物组织。本样品为了获得模具的高硬特性(63hrc)，采用950-980的油淬+150c回火。本文

49、按照gbt434012o04标准对材料不同部位进行了硬度试验。结果表明，模具坯料表面(6234hrc)和心部硬度（62.6hrc)基本符合预期工艺要求。（4）金相分析样品切面取自裂纹处，经镶嵌磨抛后，制成标准金相试样，gb/t13298-1991，采用三氯化铁(5g)+盐酸(15ml)+乙醇(100ml) 混合溶液浸蚀后进行显微结构观察，发现材料的组织为回火马氏体+残余奥氏体+共晶碳化物24，其中共晶碳化物呈骨骼状和块状，最大尺寸为0.040 mm，其形态和分布极不均匀，按照gbtl49791994方法测得碳化物不均匀度为7级，见图4-2。为保证cr12钢具有良好的综合性能，要求小尺寸坯料的共

50、晶碳化物不均匀度不大于3级，细粒状碳化物呈弥散分布，碳化物最大尺寸小于0017mm，可见实际金相组织不符合要求。图4-2 grl2的共晶碳化物及其偏析组织4.1.1.2 结果分析cr12属于高碳高铬钢，具有高的淬透性和淬硬性，马氏体形成温度为180，故在960淬火后形成了隐针状马氏体、残留奥氏体和碳化物。随后150 2h回火，虽然马氏体、残留奥氏体和碳化物都发生了向稳定碳化物的转变，但由于回火温度过低，使上述转变未全部完成，同时也形成了大量不均匀分布的共晶碳化物，使淬火过程中产生的内应力不能得到完全消除，加上坯料在进行切割加工时破坏了模具内部原来的平衡状态，导致材料表面因受拉应力而产生裂纹。4

51、.1.1.3本章小结 通过化学成分、力学性能和金相组织分析，表明cr12钢材料存在分布不均匀的共晶碳化物，以及淬火后产生的残余应力未能在回火时得到消除，而随后的切割加工又导致材料内部残余应力分布不平衡，最终产生裂纹。在设计cr12钢热处理工艺时，在保证使用寿命的前提下，尽量采用300350的高温回火，以消除残余应力，或采取锻件等温球化退火+淬火等热处理工艺，打碎共晶碳化物以获得弥散均匀分布的细粒碳化物，达到提高材料综合性能的目的。4.2 典型冷作模具钢性能与失效关系中容易产生内应力，造成脆性开裂25。在淬火冷却过程中冷却过快，引起表里温差过大，内应力集中，当表层已经冷却下来，心部深处仍然处于高

52、温状态，外表面开始收缩，此时变化不是很大；当心部深处冷却到一定温度，心部收缩增加，引起心部三角裂纹。铸造钢球也出现相同的开裂现象。通过试验分析得出，铸造钢球在凝固到13001000时采用铸造连体轧机加压铸造，可消除铸造热应力，抑制心部深处三角裂纹的形成。另外回火时空冷速度过快，产生热应力，也会引起自然开裂。（1）工艺改进措施改进后的工艺流程方案一， 轧材毛坯下料（或铸造连轧加压毛坯）加热锻造进冷床微风（或水雾）淬火冷却到（冷却速度控制在2045/min）一定温度下贝氏体等温转变25min左右空冷到220280地坑保温回火（注意控制温度和时间）埋沙保温冷却抽样检验。改进后的工艺流程方案二， 金属

53、模加压铸造进冷床微风（或水雾）淬火冷却到（冷却速度控制在2045/min）一定温度2045/min下贝氏体等温转变25min左右空冷到220280地坑保温回火（注意控制温度和时间）埋沙保温冷却抽样检验。（2）检验及使用效果对经上述改进工艺后生产的钢球取样进行组织和力学性能试验。用金相显微镜观察其组织，结果为均匀细化的针状下贝氏体26组织，见图4-3所示。将规格为10mm x 10mm x55mm的试样在jb-3db型冲击试验机上进行冲击试验，其冲击韧度k100j/cm2。在kpe-3000型布氏硬度机上测得其硬度为5256hrc。在3.5m高的仿真落球机上进行冲击次数试验，随意抽取32个球为一

54、组，冲击次数达一万次以上，破碎率0.5。图4-3 m-b合金贝氏体钢球的金相组织通常选用的冷作模具钢要求有足够的强度（ 包括抗拉、抗压和抗弯强度）、韧度、硬度、抗磨能力（ 特别是表面抗磨损能力）及抗疲劳能力（ 特别是多冲疲劳性能）；对于大载荷的冷挤压和冷镦锻体成型模具，因剧烈变形产生热量（约300），要求材料具有更高的抗变形和断裂能力。根据文献27整理的部分冷作模具钢典型处理工艺及其力学性能，可以供选择模具材料和制定热处理工艺参考。4.2.1 冷作模具失效问题探讨通过对国内冷镦、冷冲、冷挤压模具失效情况调查分析，冷作模具主要失效类型是过载失效和磨损失效，约占失效总数的80%90。冷镦模具以裂断

55、或非正常磨损（局部脱落）为主，冷挤压模具以脆断或磨损失效为主，而冷冲模具以磨损失效为主。高工作应力，大波动应力的冷挤压和冷镦模具出现脆性开裂失效的比例明显高于低工作应力的冷冲模具。冷作模具钢工作应力、硬度和寿命的关系统计结果表明，对于制品为钢铁材料，冷挤压模具承受的平均工作应力约2500mpa，使用硬度6264hrc；冷镦模具承受的平均工作应力约1500mpa,使用硬度5862hrc；冷冲模具承受的平均工作应力500mpa，使用硬度6062hrc。其中以冷挤压模具应力最大，实际上还要承受10%20%2的随机载荷，模具局部应力要超过上述应力。冷作模具钢工作硬度对寿命的影响是综合作用的结果。图4-4所示为冷挤压用w6mo5cr4v2钢冲头（挤压20cr钢）工作硬度与失效类型、使用寿命时统计图。图4-4 w6mo5cr4v2钢冷挤压冲头硬度与失效类型、使用寿命统计图图所示w6mo5cr4v2钢硬度与寿命关系说明，寿命曲线存在两个低寿命的硬度区（即图4-4中c和a+b区），当硬度低于63hrc时（塑变失效为主）或高于64hrc时（脆断失效为主）的低寿命区。对于早期失