Cr12冷作模具钢碳化物组织均匀性分析与改善_杨湄

Cr12冷作模具钢碳化物组织均匀性分析与改善西华大学材料科学与工程学院(610039)　杨湄
【摘要】介绍了冷作模具钢中带状碳化物组织存在的原因,以及不均匀的碳化物组织对机械性能的影响。

阐述了消除和改善Cr12钢中带状碳化物组织的热处理工艺。

关键词　Cr12钢　碳化物　热处理
Analysis and Improvement of Carbide Stru cture Homogeneity
in Cr12Cold-w orked Die Steel
Abstract　T he reaso n o f existe nce of banding Ca rbide str ucture in Cr12cold-w o rked die steel and the inf lu-ence of a sy mmetric carbide structure on mechanical behaviour w ere intro duced.T he heat trea tment technolog y fo r eliminating and improv eme nt o f banding carbide structure in Cr12stee l w as represe nted.
Keywords　Cr12steel,ca rbide,hea t treatment
中图分类号:T G457.1 文献标识码:B
C r12属于高碳高铬类钢,这类钢含有较高的C
(1.4～2.3%)和大量的Cr(11～13%),少量的M o 和V。

这类钢普遍用于制造具有高机械强度、高耐磨性、高淬透性以及微小变形的冷变形模具,如:冷冲模,冷墩模,切边模,拉丝模等。

为了保证这些模具具有较高的机械性能,锻件的碳化物分布要均匀,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GB1299—85规定,共晶碳化物不均匀度分为8个级别。

某模具厂采用Cr12钢生产的冷冲压成型模具在使用过程中发生上凸模崩裂,寿命短等问题,对该模具进行金相检验,通过研究分析发现,其碳化物呈带状分布,严重影响了模具的使用寿命和质量。

通过采用正确的热处理工艺方法,模具钢的带状碳化物组织得到了消除和改善,模具钢的质量和寿命得到明显提高。

1　Cr12型冷作模具钢带状碳化物组织的形成
在钢的凝固过程中,由于成份偏析,使含有较高碳和合金元素的钢内出现共晶碳化物,它在热加工过程中随着变形,延伸成为带状分布,称为带状碳化物,或称为碳化物不均匀性。

钢的硬度主要由含碳量决定。

含碳量越高硬度越高,钢中析出的碳化物颗粒越多。

当碳质量分数w(c)超过12%时,渗碳体分布不均匀。

碳化物不均匀除受化学成分影响,还与钢材的冶炼方法、浇注温度、钢的几何形状、大小、钢锭的冷却速度以及成材时的变形程度有关。

Cr12冷作模具钢属于莱氏体钢,在铸态组织中存在“鱼骨”状的共晶碳化物。

莱氏体钢在较高温度区间内凝固,各种相的成分和比容差异较大。

共晶体(奥氏体+碳化物)沿着已形成晶粒的晶界呈网状凝固。

即使在高速冷却条件下,共晶体的析出也很难避免。

在钢锭凝固以后进一步冷却过程中,2次碳化物从过饱和的奥氏体中析出,并沉淀在共晶碳化物上,从而使“网”上的碳化物数量增加,网状加厚。

在铸态下由于网状共晶碳化物的存在,铸钢变得很脆,而且强度很低。

钢在铸态下的原始组织对使用性能影响很大,其中碳化物分布不均匀起着重要作用。

钢在热加工过程中,共晶碳化物被破碎,呈网状分布的碳化物变成颗粒状的碳化物并沿着变形方向延长产生了带状碳化物。

C r12钢的碳化物不均匀性包括网状共晶碳化物和带状碳化物。

网状共晶碳化物存在使钢的强度和韧性明显降低。

带状碳化物使钢材的力学性能和物理性能出现明显的各向异性。

碳化物分布不均匀使钢的磨削性和研磨性都很差,淬火裂纹形成的倾向性增大。

2　碳化物不均匀性对模具钢机械性能的影响
碳化物不均匀使钢的强度及塑性下降。

带状碳化物的存在,造成钢的机械性能各向异性,带越宽,纵、横向的性能差别越大。

表1是碳化物不均匀性对W18Cr4V钢机械性能的影响。

表1　碳化物不均匀性对W18Cr4V钢机械性能的影响
不均匀度级别σb∕M Paαk∕(J cm-2)H RC 335862365.2
433412164.5
531061765
由表1可见,钢的碳化物不均匀度5级比3级的抗弯强度下降了约32%,冲击韧性下降约38%。

3　改善Cr12冷作模具钢碳化物不均匀性的热处理工艺
3.1　锻造工艺制定的依据
3.1.1　锻造比
Cr12钢的铸态组织中含有大量的M7C3、M23C6
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复合碳化物。

为了使这些碳化物破碎和均匀分布,在热加工过程中必须采用大的锻造比。

图1为C r12M o1V1钢锻造比对共晶碳化物的影响结果。

图1试验数据表明,当锻造比<15时,共晶碳化物随锻造比的增加有较大改善。

锻造比>15时,碳化物均匀度变化不明显。

在实际生产中,锻造比按≥5控制可使粗大的碳化物得到较充分的破碎,钢材的碳化物均匀度小于5级。

图1　锻造比对共晶碳化物的影响
3.1.2　锻造工艺
1)C r12钢共晶温度较低,加热时稍不注意就会过热过烧,因此,要严格控制锻造加热温度上限,锻造加热时通常总加热时间分配为
预热时间∶加热时间∶保温时间=6∶3∶12)C r12钢在锻造时的进料量应控制在l /h =0.6～0.8较为适宜,而且前后各遍压缩时的进料位置应当相互的错开。

3)镦粗-拔长工艺中,3向镦拔综合了轴向镦拔和横向镦拔的优点,能更充分的破碎钢中的碳化物和消除其方向性。

3.1.3　改锻和退火工艺
1)改锻工艺。

锻胚加热采用低温装炉,缓慢加热,2级预热(1级预热500～550℃,保温2～3h ,2级预热800～850℃,保温1～2h ),然后缓慢升温至加热温度1100～1150℃,每毫米直径或厚度保温1.5～2.0min ,始锻温度为1030～1060℃,终锻温度840～880℃,采用3向镦拔法,锤击时要做到“2重1轻”及“2均匀”(始锻、终锻轻击,中间重击,各部分变形均匀,温度均匀)的操作要领,锻至850℃后,采用锻后缓冷(砂冷或石灰冷),并及时等温退火。

2)等温退火工艺。

加热温度850～870℃,保温2～4h 。

加热速度≤100℃/h ,炉冷至等温温度720～740℃,保温3～6h ,以≤30℃/h 速度炉冷至500℃后出炉空冷。

热处理工艺曲线见图2。

经过以上热处理后,带状碳化物得到了消除和改善。

在粗加工后、精加工前采用调质处理,
可使碳化图2　热处理工艺曲线
物达到细小、均匀分布,以便进一步机加工成形。

3)某厂用Cr12钢生产的冷冲压成型模具失效
后的金相检验中有明显的带状组织,碳化物偏析严重,见图3,其碳化物不均匀度>5级。

后经上述改锻、等温退火等热处理工艺处理后,模具的显微组织见图4,其碳化物不均匀度≤2～3级,显微组织为索氏体+合金碳化物。

从图3和图4可见,Cr12钢经改锻后,其碳化物均匀性得到明显改善。

该厂生产
的Cr12钢冷冲压成型模具的上凸模使用寿命由原
来的1万件上升到3万～4万件。

图3　冲压成型模具失效前图4　冲压模具经过热处理后
4　结语
Cr12钢中的碳化物不均匀性是在铸态组织结晶过程中形成的大量的共晶网状碳化物。

这些碳化物都很硬,很脆,虽经开坯轧制,碳化物有一定程度的破碎,但碳化物沿轧制方向呈带状、网堆积状分布,偏析程度随钢材直径增大而严重。

碳化物不均匀会降低钢的抗弯强度σ
b 和冲击韧性αk ,对钢的硬度H RC 影响不大。

Cr12钢中的碳化物不均匀性可以通过改锻和等温退火方式得到消除和改善,但是3向镦拔这种方式操作复杂,成本较高。

[参考文献]
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[2]模具实用技术丛书编委会.模具材料与使用寿命.北京:机械工业出版社,2000.
[3]陈再枝,蓝德年.模具钢手册.北京:冶金工业出版社,2002.
责任编辑　吕德龙
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