不同堆放方式的Cr12MoV冷模具钢脉冲退火后的组织性能分析.docx

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不同堆放方式的Cr12MoV冷模具钢脉冲退火后的组织性能分析

河南科技学院

2009届本科毕业论文

论文题目:

不同堆放方式的Cr12MoV冷模具钢脉冲退火后的组织、性能分析

DIFFERENTFORMSOFCr12MoVCOLDSTACKEDDIESTEELPULSEANNEALEDORGANIZATION,PERFORMANCEANALYSIS

学生姓名：

刘晓明

所在院系：

机电学院

所学专业：

机电技术教育

导师姓名：

王焕琴

完成时间：

2009年6月1日

不同堆放方式的Cr12MoV冷模具钢脉冲退火后的组织、性能分析

摘要

近几年来，我国的模具技术有了很大发展，模具水平有了较大提高。

模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料成型用模具钢三大类。

Cr12MoV钢是一种应用广泛的冷作模具钢,具有高硬度、高强度、高耐磨性和淬火变形小等优点，属高碳高铬类莱氏体钢。

本次毕业设计以Cr12MoV冷作模具钢作为试验原材料,拟用在等温球化热处理工艺的基础上，不同堆放方式下，加上电脉冲这一新型工艺,以期达到保证良好球状珠光体组织的同时，可以在降低硬度，改善切削加工性能和综合机械性能，又能降低球化退火的加热温度，并缩短冷模具钢球化退火的保温时间,提高热处理效率。

关健词：

Cr12MoV,冷作模具钢,不同堆放,球化退火

DIFFERENTFORMSOFCr12MoVCOLDSTACKEDDIESTEELPULSE

ANNEALEDORGANIZATION,PERFORMANCEANALYSIS

Abstract

Inrecentyears,China'stechnologyhasmadesignificantprogressdie,dielevelshavegreatlyimproved.DieSteelbyend-useingeneralcanbedividedintothecolddiesteel,hotdiesteelandplasticmoldingdiesteelwiththreecategories.Cr12MoVsteelisawidelyusedcoldworkdiesteelwithhighhardness,highstrength,highwearresistanceandtheadvantagesofsmalldeformationhardeningisatypeofhigh-carbonhigh-chromiumsteelledeburite.ThegraduationprojectinordertoCr12MoVcolddiesteelmaterialsforthepilotscheme,tobeusedintheballofisothermalheattreatmentprocessonthebasisofthedifferentstackingmodes,togetherwiththeelectricalpulseofthisnewtechnologytoachieveagoodballtoensurethatatthesametimepearlitecanreducethehardnessandimprovethecuttingperformanceandmechanicalpropertiesaswellaslowerspheroidizingheatingtemperature,andshortentheannealingofcolddiesteelballoftheholdingtimetoimprovetheefficiencyofheattreatment.

Keywords:

Cr12MoV,ColdWorkDieSteel,differentstacking,spheroidizing

目录

1绪论…………………………………………………………………………………...1

2Cr12MoV冷模具钢的化学成分及不同堆放方式下脉冲球化退火后的组织性能分析..……………………………………………………..…………………………….2

2.1Cr12MoV冷模具钢的化学成分..………………………………………………..2

2.2研究Cr12MoV冷模具钢球化退火的主要目的..……………………………….2

2.3Cr12MoV冷模具钢的常规球化退火工艺..……………………………………..2

3实验原理及方案准备………………………………………………………………...3

3.1实验原理………………………………………………………………………...3

3.1.1退火工艺………………………………………………………………...3

3.1.2球化退火………………………………………………………………...3

3.2实验材料………………………………………………………………………...4

3.3实验仪器………………………………………………………………………...5

3.3.1实验中要用到的主要仪器……………………………………………...5

3.3.2制作高温箱式电阻炉的炉门…………………………………………...6

3.3.3预磨机…………………………………………………………………...6

3.3.3金相试验抛光机………………………………………………………...6

3.3.4金相显微镜……………………………………………………………...7

3.4实验过程………………………………………………………………………...7

4工艺处理过程…………………………………………………………………….......8

5金相显微试样的制备………………………………………………………………...9

5.1金相显微分析法………………………………………………………………...9

5.2金相试样制备…………………………………………………………………...9

5.2.1侵蚀…………………………………………………………………….10

5.2.2金相试样制备………………………………………………………….10

6脉冲处理技术……………………………………………………………………….11

6.1电脉冲原理…………………………………………………………………….11

6.2脉冲电流对金属组织变形的影响……………………………….....................11

6.3电脉冲对材料力学性能的影响……………………………………………….12

7实验结果与分析…………………………………………………………………….13

7.1加热温度对钢组织性能的影响……………………………………………….13

7.2加热温度对钢材料力学性能的影响………………………………………….16

7.3组织转变过程图……………………………………………………………….17

7.4电脉冲对组织形态的影响…………………………………………………….18

7.5不同堆放方式球化退化后的金相组织比较………………………………….19

8结论及存在问题…………………………………………………………………….21

8.1结论…………………………………………………………………………….21

8.2实验中存在的问题…………………………………………………………….21

致谢…………………………………………………………………………………….21

参考文献……………………………………………………………………………….22

1绪论

近几年来，我国的模具技术有了很大发展，模具水平有了较大提高。

大型、精密、复杂、高效和长寿命模具又上了新台阶。

大型复杂冲模以汽车覆盖件具为代表，我国主要汽车模具企业，已能生产部分轿车覆盖件模具。

我国的模具工业的发展，日益受到人们的重视和关注。

正由于模具行业的技术进步，模具水平得以提高，模具国产化取得了可喜的成就。

历年来进口模具不断增长的势头有所控制，模具出口稳步增长。

九十年代，我国模具工业进人了快速发展时期，极大地促进了模具钢生产、应用技术的进步。

通过引进先进的设备和技术，已经能够生产高质量的模具钢，有些钢种的冶金质量已达到国际先进水平，并有少量出口，在国际上享有一定的声誉。

但是，我国模具钢生产、应用的总体水平仍然较低，存在许多长期没有解决的问题。

国产模具钢绝大多数是电炉钢，钢的成分偏析大，纯净度低，碳化物级别偏高，疏松级别超标，模块的纵横向性能相差悬殊。

模具钢材料利用率低，原因是钢材中圆棒料占85%以上，锯料、改锻中消耗量大；模块、扁钢、板材等品种很少，精品、制品更少。

模具钢改锻效果差，绝大多数改锻仅以模坯达到形状、尺寸为目的，忽视组织改善，以致模坯中仍保留超级别的碳化物和不利的流线分布。

模具选材和热处理不当也是模具钢应用中一个突出问题。

模具设计、制造者不熟悉材料和热处理，热处理技术人员不熟悉模具工况条件，常常造成选材或热处理工艺不与模具相匹配。

此外，热处理工艺执行不严，热处理设备和工艺落后，操作不当造成模具变形、开裂，是普遍存在的。

调查表明，模具因选材和热处理不当造成早期失效者占70%左右。

表面处理在模具上的应用，除渗碳、渗氮外，其它扩渗处理（渗非金属，渗金属）应用很少，镀膜和喷涂处理应用更少。

一些应用又常因种类和工艺选择不当，达不到预期效果，甚至不但无益，反而有害，成为模具钢应用技术中一个薄弱环节。

模具的用途很广，各种模具的工作条件差别很大，所以，制造模具用材料范围很广，在模具材料中应用最广的当属模具钢。

从—般的碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、高速工具钢、不锈耐热钢直到适应特殊模具需要的马氏体时效钢以及粉末高速钢、粉末高合金模具钢等。

模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具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。

模具工业迅速发展。

模具工业的高要求，对模具材料的性能和使用寿命等提出了更高的要求。

模具材料方面，由于对模具寿命的重视，优质模具钢的应用有较大进展。

因此世界各国的模具钢生产企业及研发机构，不断开发模具钢新材料和采用新的生产技术，以适应模具工业的发展。

随着热处理技术的进步，人们对模具钢材料的性能有了越来越多，越来越高的要求，而提高材料性能，开发新的材料常常离不开新的工艺、新方法。

模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料成型用模具钢三大类。

其中冷作模具钢主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成型的模具。

如：

冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。

冷作模具钢的范围很广，从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。

Cr12MoV钢是一种应用广泛的冷作模具钢,具有高硬度、高强度、高耐磨性和淬火变形小等优点，属高碳高铬类莱氏体钢。

模具在的加工工艺路线中，退火热处理具有承上启下的作用，它能细化晶粒、均匀组织，降低钢的硬度，提高塑性，又能为最终热处理做好组织上的准备。

然而由于传统常使用的诸如普通球化退火、等温球化退火等方法，存在着生产周期长、加热温度高、保温时间长等问题，很难达到工模具钢理想的使用性能要求，往往给经济生产带来一定的影响。

经查阅资料发现，电脉冲处理技术正是这样一种新兴的工艺，目前采用脉冲电场对材料进行改性处理，已是国内外近年来尝试的一种新型热处理工艺。

如何通过电脉冲球化退火获得理想的球化体组织，在降低硬度，改善切削加工性能的同时，又能降低球化退火的加热温度、缩短保温时间，成为亟待解决的问题。

以此作为出发点，本次毕业设计的主要目的为：

尝试采用正交实验法找出模具钢，理想的电脉冲球化退火的热处理参数，以加快国内热处理技术的改革与发展很有必要。

本次毕业设计以Cr12MoV冷作模具钢作为试验原材料,拟用在等温球化热处理工艺的基础上，加上电脉冲这一新型工艺,以期达到保证良好球状珠光体组织的同时，可以在降低硬度，改善切削加工性能和综合机械性能，又能降低球化退火的加热温度，并缩短冷模具钢球化退火的保温时间,提高热处理效率。

2Cr12MoV冷模具钢的化学成分及不同堆放方式下脉冲球化退火后的组织性能分析

2.1Cr12MoV冷模具钢的化学成分

表1Cr12MoV冷模具钢化学成分

材料

C％

Si％

Mn％

Cr％

P％

S％

Cr12MoV

2.00-2.30

≤0.4

≤0.4

11.5-13.0

≤0.03

≤0.03

2.2研究Cr12MoV冷模具钢球化退火的主要目的

退火热处理具有细化晶粒、均匀组织，降低钢的硬度，提高塑性，又能为最终热处理做好组织上的准备。

通过球化退火处理使Cr12MoV冷模具钢组织中的碳化物以细小、球状的形态弥散分布在基体中。

但由于传统常使用的诸如普通球化退火、等温球化退火等方法，存在着生产周期长、加热温度高、保温时间长等问题，目前对冷作模具钢的预处理是锻后球化退火,采用这种常规退火处理工艺,不但周期长,耗能多,效率低,而且很难得到小粒度、分布均匀的碳化物组织，很难达到工模具钢理想的使用性能要求，往往给经济生产带来一定的影响。

［5］因此采用一种加快碳化物球化速度，提高球化退火工艺效率的新方法，探讨一种在脉冲电场作用下对Cr12MoV冷模具钢球化退化的新工艺，本次毕业设计主要是利用往届毕业生对Cr12MoV冷模具钢正交实验的最优结果，与本次毕业设计的实验—起探讨不同堆放方式脉冲球化退火的Cr12MoV冷模具钢组织和性能分析的实验结果进行比较和分析，得出最优的实验结果。

2.3Cr12MoV冷模具钢的常规球化退火工艺

本次试验设计是在普通球化退火的基础上加上电脉冲工艺来做的，所以必须对常规的工艺路线图了解清楚，在加脉冲的时候，注意缩短加热温度后的保温时间和等温保温时间。

以此为参考设计出电脉冲下的球化退火热处理新工艺路线图。

在传统热处理当中经常用的Cr12MoV冷模具钢退火热处理工艺路线如图1所示：

图1Cr12MoV冷模具钢普通球化退化工艺路线图

3实验原理及方案准备

3.1实验原理

3.1.1退火工艺

crl2型属莱氏体钢，其铸态组织和高速钢相似，有骨骼状的莱氏体存在，钢厂虽经轧制将碳化物击碎，但碳化物偏析仍很严重，必须经过压力加工，把网状共晶碳化物打碎，使其分布尽可能均匀些。

［6］

退火是应用非常广泛的一种热处理。

在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火经常作为预先热处理工序，安排在铸造或锻造之后、切削（粗）加工之前，用以消除单一工序所带来的某些缺陷，为接下来的工序作准备。

例如在铸造或锻造等热加工以后，钢件中不但存在残余应力，而且组织粗大不均匀，成份也有偏析。

这样的钢件，机械性能低劣，淬火时也容易造成变形或开裂。

经过适当退火可使钢件的组织细化，成份均匀，应力消除，从而改善机械性能并为以后的淬火作好准备。

同时经过退火后还可以使钢件硬度达到170～250HBS左右，而且比较均匀，从而改善了钢件的切削性能。

根据钢的成份和工艺目的不同，退火操作可分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火等。

3.1.2球化退火

球化退火是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。

球化退火主要应用于过共析碳钢及合金工具钢（如制造刀具、量具、冷模具用钢等），一般情况下过共析钢的组织为层片状的珠光体秘网状的二次渗碳体组成，不仅珠光体本身较硬，而且由于网状渗碳体的存在，更增加了钢的硬度和脆性。

这不仅给切削带来困难，而且还会引起淬火时产生变形和开裂。

为克服这一点，在热加工之后必须安排一道球化退火工序，使网状二次渗碳体及珠光体中的层片状渗碳体都发生球化，变成球状（粒状）的渗碳体，即“球化体”。

其主要目的是为了降低硬度，改善切削加工性，细化均匀组织提高材料的力学性能，并为以后的淬火热处理做好准备。

球化退火是应用于过共析钢及合金工具钢的一种退火方法。

将钢加热Ac1（20～30℃）然后缓冷下来。

随炉冷却到略低于Ar1（20～40℃）的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。

等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。

和普通球化退火相比，球化退火目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中（这种组织称为球化珠光体）。

球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度，改善切削加工性能，获得均匀的组织，为淬火做组织准备，经最终热处理获得良好的综合机械性能。

共析钢、过共析钢的锻件，锻后的组织一般为细片状珠光体，如果锻后冷却不当，还会出现网状碳化物，不仅硬度高，难以切削加工，而且增加了钢的脆性，淬火容易过热，产生变形和开裂，通过球化退火，使碳化物发生球化，获得粒状珠光体，具有良好的切削加工性能，而且减少淬火加热时的过热敏感性及变形开裂的倾向性。

经过淬火、回火后，使钢得到回火马氏体和粒状碳化物组织，这种组织与片状珠光体最终热处理获得的组织相比，在强度、硬度相同的条件下，塑性和韧性较高，且具有较高的接触疲劳强度和疲劳强度。

［17］

3.2实验材料

目前，我国模具选材用钢较为广泛，除了工具钢（碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢）外，还有轴承钢、弹簧钢、调质钢、渗碳钢、不锈钢等，钢种达数十种之多，但常用的只有二十余种，而用量最多的只有八种：

Cr12、Cr12MoV、CrWMn、3Cr2W8V、5CrMnMo、SCrNiMo、45、40Cr。

据统计，这八个钢号年用量占我国模具钢年总用量的80%。

根据老师的指导和自己认真的查找资料，统计资料表明，因选材和热处理工艺不当，造成模具早期失效的情况约占失效总数的70%。

因此，合理选材，正确制订热处理工艺，对于延长模具使用寿命起着关键作用。

综合考虑材料来源、价格等因素，国内常用Cr12系列钢制作为常用冷作模具钢。

Cr12系列钢主要有Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV等3种，其中以Cr12MoV和Cr12,应用最为广泛。

材料具有高的淬透性、强度和耐磨性，但它们属于莱氏体钢，含有大量的一次、二次碳化物，且偏析很大。

最终在导师的审核通过的情况下，选用的试验材料是常用冷模具钢中的Cr12MoV冷模具钢属高耐磨微变形冷作模具钢，其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度，仅次于高速钢，是冲模、冷镦模的重要材料，其消耗量在冷作模具钢中居于首位。

Cr12MoV冷模具钢有较高的含碳量，且加入少量Mo、V，因此在其他性能相当的情况下有较好的热加工性，较好的冲击韧性和较好的碳化物分布，此钢多用于制造冷切剪刃、切边模、量规、拉丝模、挤压成型模、搓丝板、丝锥、螺纹滚模以及要求高耐磨的冲压模等模具。

模具在生产过程中的使用寿命取决于选用的材料及热处理的性能，一般合金工具钢的淬透性好，热处理后的性能均比碳素工具钢好，即使使用这种优质的模具钢，由于热处理工艺、原材料碳化物分布形态。

Cr12MoV钢是我国刀具材料的主选钢种，由于其卓越的性能，已发展应用到模具工业，成为制造高精度、高耐磨冷作模具，以及制造温挤、热挤、塑料等模具的理想材料。

Cr12MoV系列钢网状共晶碳化物通过普通的热处理很难消除，必须在锤上反复镦拔，才能使其细化、均匀。

但锻后应进行球化退火，目的是降低硬度、消除应力、细化均匀组织，而且还可以减少最终热处理的变形和开裂倾向。

处理后组织为珠光体和粒状碳化物。

通过资料查出Cr12MoV冷模具钢的临界温度Ac1（钢在加热时珠光体向奥氏体转变的实际温度线）的温度是810℃，Acm（钢在加热时渗碳体向奥氏体溶解的理论温度线）的温度835℃。

Ar1（冷却时奥氏体向珠光体转变的实际温度线）的温度是755℃。

根据球化退火规范，确定奥氏体化加热温度是830～850℃，等温温度是720-740℃。

Cr12MoV冷模具钢的临界温度表2。

表2Cr12MoV冷模具钢的临界温度

临界点

Ac1

Acm

Ar1

Arcm

温度（近似∕℃）

810

835

755

770

本次实验所用的材料Cr12MoV冷模具钢，是与老师研究后决定的，老师帮助我联系好购买材料的厂家，然后我们利用周末的时间去厂家进行购买，到那之后，我与老师联系看看需要购买多大规格的材料试样，最后我们决定购买直径为10mm规格的Cr12MoV冷模具钢试样。

但由于一些原因，我们在选料的时候开始很疏忽，已经购买了直径为12mm规格的圆柱棒料，因此只有在三层摆放方式时使用，另外原来实验室的设备上一些零件丢失，我在这次购买材料时，我还购买了以下材料：

铁丝、石棉、石棉板等。

3.3实验仪器

3.3.1实验中要用到的主要仪器

热处理试验后还要磨出材料的金相组织，除了捆绑工件的铁丝，钳子等工具之外，还要有进行粗磨时的各种型号的砂纸，抛光液，及40%的销酸侵蚀液和用来堵箱式电阻炉炉门的耐火材料板。

主要实验仪器：

（1）SXZ—25—12高温箱式电阻炉如图2所示

（2）脉冲电场发生器，放大器及导线

（3）HR—1500洛氏硬度测试机

（4）预磨机和金相试验抛光机

（5）金相显微镜

试验过程经过老师的指导选取脉冲电压为800伏，脉冲频率是50HZ，通电脉冲时间是5～20min。

图2箱式电阻炉示意图

3.3.2制作高温箱式电阻炉的炉门

由于原有炉门的保温性不太好，所以在这次毕业设计实验中，我们需要自己制作一个比较保温的炉门，具体的步骤是这样的，我先把炉门的具体尺寸测量出来，然后按尺寸进行裁剪。

由于实验中要用到两个SXZ—25—12高温箱式电阻炉，所以必须做出两个完全配合的炉门，所用的材料是石棉和海绵垫子。

3.3.3预磨机

预磨机是一种湿式磨光机，它利用各种不同粒度的抗水砂纸，对各种金属及其合金的试样进行抛光。

采用本预磨机，除以机械磨光代替手工操作提高制备试样的效率以外，还能完全除去试样切割过程中产生的塑性变形和表面加热痕迹，供进一步抛光后进行组织的显微测定。

预磨机在工作时，将清水不断注入旋转的磨盘中，抗水砂纸在下面的水因离心力的作用被抛出盘外，砂纸在大气压的作用下可以自由地伸缩从而紧贴在磨盘上，因而无须将砂纸粘结或夹紧，使用及更换十分方便。

预磨机由铝铸件构成的底座、磨盘、和塑料压制的磨光罩及盖等基本部件组成，底座上安装有两个磨盘，可供两人同时操作。

3.3.3金相试验抛光机

金相试验抛光机适用于对经磨光后的金属材料进行抛光，可获得光亮如镜的金属表面，供在显微镜下观察与测定金相组织。

抛光机由焊接支架、工作台面、抛光盘、抛光织物、抛光罩及开关盒等基本元件组成。

工作台面上安装有两个抛光盘，可供两人同时操作，使用十分方便。

两台电动机都置于工作台面下部，通过固定片与台面连接。

固定抛光盘用的锥套通过螺钉与电动机轴相连。

抛光织物通过套圈紧固在抛光盘上，电动机的起停可分别由安装在开关盒上的开光进行控制，电机起动后，便可用手对试样施加压力在转动的抛光盘上进行抛光。

抛光过程中加入的抛光液可通过固定在台面上的塑料盘中的排水管排出。

抛光罩及盖可防止灰尘及其它杂物在机器不使用是落在抛光盘上而影响使用