Cr12MoV 模具钢的回火工艺

Cr12MoV 模具钢的回火工艺 

邓小虎1 , 巨东英2 (1. 天津职业技术师范大学 天津市高速切削及精密加工重点实验室, 天津 300222; 2. 日本埼玉工业大学 先端科学研究所, 深谷 埼玉 3690293)

摘要:对淬火后 Cr12MoV 钢试样进行不同温度和时间的回火处理,并对回火后试样的力学性能和微观组织进行分析。 结果表明,回 火时间对试样微观组织结构以及力学性能有显著影响,当回火时间由 0. 5 h 增加到 3 h,回火后析出的合金碳化物组织更为细小,回 火后试样畸变和残余应力更小,表面硬度分布更均匀;与回火时间相比,回火温度从 490 ℃ 升至 510 ℃ 时,回火组织和力学性能变 化很小。 因此,采用 490 ℃回火 3 h 可以同时满足提高性能和节能的需要。 关键词:Cr12MoV 钢;回火温度;回火时间;合金碳化物;畸变 中图分类号:TG113; TB333 文献标志码:A 文章编号:0254-6051(2016)01-0039-04 

 模具是现代制造业核心工具,是工业制造中不可 缺少的成型工具。 近 20 年来, 我国模具工业发展非 常迅速, 尤其是近几年, 模具需求一直以每年 15% 左 右的速度快速增长。 国民经济的高速发展对模具工业 提出了越来越高的要求, 也为其发展提供了强大的动 力。 作为主要模具材料的模具钢则是模具制造的基 础,随着模具工业的迅速发展,对模具钢的数量、质量、 品种、规格、性能等各个方面提出更高、更新的要求。 Cr12MoV 钢是应用最为广泛的冷作模具钢[1] 。 虽然 强度、硬度较高, 耐磨性好, 但其韧度较差, 对热加工 工艺和热处理工艺要求较高, 处理工艺不当, 很容易 造成模具的过早失效[2-3] 。 研究发现,淬火过程中得到马氏体加下贝氏体复 相组织具有比单一马氏体或者下贝氏体组织更好的强 韧性[4] ;另外,淬火后组织中含有适量的残留奥氏体 可一定程度上提高材料的韧性,对于合金钢来说,合金 元素的种类和含量对钢淬火后残留奥氏体的量也有显 著影响[5] ;合理的淬火温度会使钢保留需要的高温组 织和细小的晶粒,以保证回火后获得良好的综合性能。 近年来,国内外学者在 Cr12MoV 钢热处理新工艺 方面开展了广泛的研究[6-8] 。 研究表明,Cr12MoV 钢中 碳化物的形态和分布对其韧性有很大影响(弥散碳化物 析出强化)。 因此,通过适当的回火工艺控制材料组织 中碳化物的形状、数量、尺寸和分布等,可改善强韧性, 获得较高的综合力学性能。 另外,不同回火温度对合金 钢的拉伸和冲击性能有很大影响,通常情况下,增加回 火温度会增加冲击韧性并降低拉伸强度;由于二次硬化 现象的发生,在 500 ~ 600 ℃间增加回火温度也可一定 程度上提高合金钢的硬度。 综上,在 Cr12MoV 热处理 工艺开发已取得了一些成果,但也存在工艺过程较复 杂、热处理过程能源消耗大等缺点。 本论文拟通过研究 不同回火工艺参数条件下 Cr12MoV 钢的微观组织和力 学性能特征,进而找出更节能的热处理工艺。试验采用的 Cr12MoV 钢是一种典型的高碳高合 金钢,其化学成分见表 1。 将用于热处理的 Cr12MoV 钢加工成大小为 ϕ20 mm × 50 mm 的圆柱试样,进行调 

具体工艺为 1025 ℃ 淬火,在 490、510 ℃ 分别 保温 0. 5、3 h。 对热处理后的试样进行力学性能分析 和微观组织表征。 为了检验热处理后试样的切削性和 耐磨性,采用 MHT-10 显微硬度测量仪(载荷砝码 100 g, 加载时间 10 s) 对硬度进行测量;利用 Rigaku PSPC / MICRO 应力分析仪对残余应力进行测量,具体位置见 图 1。 采用 JEOL JXA-8100 电子探针(EPMA)对元素 分布进行测定;采用 ZEISS Axiovert 200 MAT 光学显微 镜观察微观组织分布;采用 Rigaku Smartlab X 射线衍 射仪对不同衍射峰进行物相标定,通过相对强度法计 算残留奥氏体体积分数。 表 1 Cr12MoV 钢的化学成分(质量分数,%) Table 1 Chemical composition of the Cr12MoV steel (mass fraction, %) C Si Mn Cr Mo V Fe 1. 5 0. 31 0. 42 12 0. 81 0. 21 余量 

 畸变量及力学性能分析 为不同回火条件下 Cr12MoV 钢试样畸变量、 图 1 热处理试样测量位置 Fig. 1 Measured point of the heat treatment sample 残余应力和硬度分布的测量结果。 从图 2 中可以看 出,不论是试样底面还是侧面,当回火时间由 0. 5 h 增 加到 3 h 时,残余应力显著降低,畸变量显著减小。 通 常情况下,表面压应力越高,则疲劳强度越高,切削性 能越差。 因此,通过增加回火时间降低表面压应力,可 提高钢的切削性能。 通过比较 490 ℃和 510 ℃回火温 度下的测量结果,发现与回火时间相比,回火温度对畸 变量和残余应力的影响较小。 图 2( c)为测量得到的硬度结果。 可以看出,尽 管随着回火时间的增加,最大硬度值降低,但当回火 时间较长时,试样不同位置的硬度分布更为均匀。 当前研究采用的 Cr12MoV 钢热处理前硬度为 654 HV0. 1,热处理后各测定点硬度均大于此值,并没有第 1 期 邓小虎,等:Cr12MoV 模具钢的回火工艺 41 因为回火处理出现硬度下降。 另外,从图 2( c) 中还 可以看出,不同回火温度条件下测量得到的硬度结 果变化较小 2. 2 微观组。织分析 图 3 为采用光学显微镜(OM)得到的 Cr12MoV 钢 微观组织结果。 图 4 为采用电子探针(EPMA)得到的 碳元素和钼元素分布。 从图 3 中可以看出,回火时间为 3 h 时晶粒组织 更为细小。 当回火时间为 0. 5 h 得到的组织晶粒尺寸 为 10 ~ 30 μm,而回火时间增加到 3 h,晶粒尺寸减小 到 5 ~ 15 μm。 分析原因为,回火过程中残留奥氏体的 分解会增加合金碳化物析出量[8] 。 当前研究通过相 对强度法计算得到了不同回火条件下残留奥氏体含 量,试样 1 ~ 4 得到的残留奥氏体分数分别为10. 87%、

 从以上结果可得出,随着 回火温度或回火时间的增加,残留奥氏体量也随之减 少。 高温回火中随着残留奥氏体进一步分解,溶入基 体的碳化物均匀弥散析出,显著降低了晶粒尺寸。 从图 4 中可以看到,回火后形成的碳化物主要为 碳化钼,和 OM 结果一致,当回火时间为 3 h 时,碳和 钼元素含量更高,其分布也更为均匀。 3 结论1) 当回火时间由 0. 5 h 增加到 3 h 时,可显著降 低 Cr12MoV 钢试样热处理后的畸变量和残余应力,并 且试样表面硬度分布更均匀。 2) 当回火时间由 0. 5 h 增加到 3 h 时,Cr12MoV 钢中残留奥氏体含量显著降低,回火组织晶粒尺寸更 细小,合金碳化物分布更均匀。 通过 EPMA 分析可 得,回火后主要的碳化物为碳化钼。 3) 通过对 510 ℃ 和 490 ℃ 回火温度条件下试样 进行比较,发现试样热处理后力学性能和微观组织基 本不变。 因此,采用 490 ℃ 、3 h 的回火工艺可以同时 满足提高力学性能和节能的需要。

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