Cr12MoV的机加工锻钢件怎么热处理

imokpk · 发表于 2012-10-13 09:39:45

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含碳量在1%左右，最大界面50平方厘米。要求最终硬度HRC58以上。结构比较简单，板状。

孤鸿踏雪 · 发表于 2012-10-13 13:33:52

本人的拙作《模具热处理及表面强化处理》的第15章：

   第十五章 Cr12型模具钢的锻造、焊补及热处理
   本章摘要：论述了Cr12型冷作模具钢的组织特征、工艺性能，系统介绍了Cr12型钢的锻造、焊补及热处理。
   关键词：Cr12型钢  锻造  碳化物  变形与开裂  偏析  热处理
   15.1  引言
   Cr12型高碳高铬莱氏体钢，是应用范围最广的冷作模具钢之一，但由于其自身的成份及合金化特点，使其原始组织中的碳化物（文中简写为Cm）不均匀度和碳当量极高，从而使其锻造和焊补性能很差，热处理工艺复杂化程度高，严重地制约了这一钢种的广泛应用。
15.2  概述
Cr12型钢是指含碳1.40~2.30%，含铬11~13%的高碳高铬钢（包括Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV 、Cr12Mo1V1）。其铸态组织和高速钢相似，有网状共晶莱氏体存在。供应态的Cr12型钢，虽经轧制使大部分Cm破碎，但仍存在着较严重的偏析。实验表明，直径为15~20mm的Cr12Mo棒材，在以保持细晶粒（10级晶粒度）的最佳温度（1025℃）淬火，并于250℃回火到58~59HRC时，具有很高的强度（315~330kgf/mm2）；而当棒料直径为50~80mm时，强度降低了30%，不超过250kgf/mm2。这种严重偏析的原始组织不经改善直接使用，不仅难以切削加工，还会引起最终热处理时的变形或开裂。因此，在模具制造中，必须在机加工前对原材料进行锻造，辅之以适当的预备热处理，以进一步改善其Cm的分布。同时，由于Cr12型钢具有很高的碳含量和合金元素含量，使得其碳当量很高，从而使其焊补性能很差。
15.2.1  组织特征
退火态的Cr12型钢含有较多的Cm，如Cr12中约有20~28%，Cr12MoV为13~15%。这些钢中添加的Cr大部分形成Cm，只有少数固溶于基体中。
根据X射线衍射分析：Cr12经退火、淬火后的Cm都属于（Cr，Fe）7C3型，有时有少量（Cr，Fe）3C。而Cr12MoV在退火状态除（Cr，Fe）7C3外，还有Cr23C6型存在，而淬火后只有（Cr,Fe）7C3。

Cm的硬度，研究报告指出：（Cr,Fe）7C3型为： 2300HV；（Cr，Fe）23C6型为1500HV。
Cr12型钢经淬火处理后，其Cm变化不大，而基体中的C和Cr则有所增加，如淬火温度为950~1000℃时，C含量约为0.5%，Cr含量约为4~5%。
15.2.2  耐磨性
Cr12型钢在一般淬火温度下，实际只溶解少量的Cm，退火后的Cm总量约为17%，经1040℃加热高温下仍可保留14%左右，Cr7C3的硬度为2300HV，远非马氏体硬度可比，高硬度的Cr7C3质点存在，使得钢具有极高的耐磨性。
15.2.3  淬透性和淬硬性
Cr12型钢具有很高的含碳量和合金元素含量，因而具有很高的碳当量（Cep）：
Cep=C+1/6Mn+1/15Ni+1/5Cr+1/4Mo+1/13Cu+1/2P
   同时，由于Cr是强烈增加淬透性元素，从而使Cr12型钢具有很高的淬透性和淬硬性。Cr12型钢可以空冷硬化，有效厚度在300~400mm模块可在油中淬透。
15.2.4  微变形
因为高硬度的Cm热膨胀系数小（具有分布均匀的球状Cm的Cr12型钢，其膨胀系数很低α=13.6×10-6），再加上淬火钢中总有一定数量的残余奥氏体存在，所以Cr12型钢若经合理的锻造和恰当的预备热处理，其淬火时变形很小，有“微变形钢”之称。
15.2.5  锻造性能
如本章（15.2.2）所述，Cr12型钢在高温状态仍存在着较多的Cm，从而使其变形抗力较大，变形能力较小，即热塑性低，锻造性能差。Cr12型钢是模具钢中最难锻造的钢种。图15-1是Cr12Mo1V1低温和高温下，变形量、变形抗力与温度变化的关系。
15.2.6  焊接性能
淬透性和淬硬性是决定焊接性的重要因素。碳当量值越大，淬透性和淬硬性越高，对钢的焊接性能损害程度越大。由于Cr12型钢的含碳量和合金元素含量很高，碳当量值很大，因而焊接性能很差。同时，由于Cr12型钢高温淬火时的Mf点很低（如Cr12MoV用1100℃淬火时Mf点为-140℃），从而使其焊接开裂敏感性很强。
15.2.7  热处理工艺性能
Cr12型钢淬火温度范围窄，试验证明，其对淬火温度波动特别敏感。在生产中，淬火温度即使相当小的波动也会引起较大的反应，如温度超过最佳温度范围之上15~20℃，就能使残余奥氏体的数量大为增加，从而使其硬度和耐磨性急剧下降，（如图15-2、图15-3），强度降低15~20%。Cr12MoV在最佳淬火温度增加30~40℃，晶粒就增加1.5~2级，Cr12Mo淬火温度由1020℃上升至1060℃，晶粒度将会由10~11级急剧长大到8~9级。
15.3  Cr12型钢的锻造
如前所述，由于Cr12型钢具有严重偏析的Cm分布，不仅使其难以切削加工，而且使其在最终热处理中的变形和开裂敏感性增强。而共晶态的Cm很稳定，以热处理方法无法细化，在生产中常通过对Cr12型钢轧材（供应态）进行改锻，使其基体上的脆性相（Cr，Fe）7C3碎裂成链状，以细化其组织并促进其组织均匀化。另外，锻造还可焊合钢材内部的气孔或微裂纹，并改善松散的晶界组织状态。
15.3.1  锻造加热
Cr12型钢含有很高的C和Cr，导热性很差，加热速度要缓慢均匀，大锻件必须采用预热加热或以阶梯加热方式控制加热速度，钢件在炉膛的位置适当，有时还要反复翻转，以使受热尽量均匀。
15.3.2  锻造温度
Cr12型钢锻造加热温度为1100~1150℃，始锻温度为1060~1080℃，终锻温度为900~850℃。由于其锻造温度范围窄，除小锻件外，一般均需两火以上，到达终锻温度时，应立即入炉，进行二火加热。
15.3.3  锻造工艺方法
15.3.3.1  “两轻一重”打法
即坯料温度高于1050℃时轻打，在1050~900℃重打，低于900℃时轻打。这种方法可避免出现裂纹和锻“酥”，因为高温时，钢的基体塑性很好，重打虽可加速成形而不易打裂，但难以将Cm打碎；低温时重打会造成开裂或打“酥”，在1050℃~900℃时，基体强、硬度较高，于此范围重打，易获得Cm碎化均匀的效果。
15.3.3.2  锻造比
锻造比最好大于3，若Cm偏析严重，则应使锻比大于6。初锻时，控制变形量每次不超过5%，这样可使外围得到轻度变形，并锻合内部缺陷，以提高塑性。为防止锻裂，锻造时还应注意棱角处的温度不低于800℃，有工厂还将砧铁等工具预热到150~400℃，忌用冷砧、冷钳与热锻件接触，因接触部位易出现裂纹。
15.3.3.3  六面揉锻
为最大限度地碎化和均匀Cm分布，应采用镦粗—拔长且反复多次的变形工艺，镦粗压缩比最好大于50%，最后象揉面团一样，上下、前后、左右翻动进行六面揉锻，这样才有利于使Cm破碎。
15.3.4  碳化物流线取向
在工模具制造中，仔细选择模块在锻坯中所处的部位，可使畸变保持最小。对畸变特别敏感的方向和部位应尽可能与碳化物流线方向垂直；截面的变化和截面上组织的变化所引起的畸变应考虑相互抵消或削弱，而不允许迭加。因此，锻造时要使Cm流线的取向与锻造方向平行，如图15-4（a）；模块取材时，应使Cm流线与使用时的受力方向垂直如图15-5（b）。改变棒材Cm流线方向的方法如图15-4（c）。
15.3.5  锻后冷却
由于Cr12型钢含碳量及合金元素含量很高，如锻后采用缓慢冷却，则易在晶界上析出网状Cm，从而影响毛坯质量，故锻后一般先快冷（空冷、风冷）至700℃左右时，进行坑冷或入炉缓冷。
15.4  Cr12型钢预备热处理
预备热处理是为了改善模具钢的切削加工性及为最终热处理打基础的各种退火、正火或其两种以上的组合的处理方法。
Cr12型钢锻造后，模具毛坯有很大的内应力，硬度也很高（477~635 HBW）难以切削加工，必须进行退火。
15.4.1  球化退火
如前所述，球化退火是把钢的显微组织处理成球化体的热处理工艺方法。一般是通过加热，使钢奥氏体化后，较长时间地保持在略低于下临界点的温度，然后缓慢地冷却下来。
Cr12型钢的下临界点（AC1）为795~810℃，故常采用图15-5工艺曲线进行球化。
15.4.2  正火
正火是将钢件加热至高于Acm点（Fe-C平衡相图的ES线）时，二次Cm溶解，随后在空气中或吹风快冷，使有害钢件的粗大Cm网络来不及形成，而退火和淬火工艺所采用的加热温度较正火要低，从而难以消除严重的网状Cm危害。故一旦出现网状Cm，则必须在球化退火前，以正火予以消除或降低其级别。
Cr12型钢在锻后若冷却不当，极易形成Cm网络，一旦出现这种有害组织，则必须先除网后球化。因为唯有正火能够使晶粒细化并使网状Cm固溶破断，从而有效地消除Cr12型钢中的二次Cm粗大网络。
15.4.3  消应力退火（或称稳定化松驰处理）
消应力退火是为了消除工件内部存在的各种残余应力而进行的退火，温度一般较低（低于Ar1）,这种方法实质上同稳定化（松驰）处理是一回事。只不过稳定化（松驰）处理一般用于机械加工过程中的各环节，而消应力退火多用于毛坯。
稳定化（松驰）处理温度，原则上越高越好。但经调质处理，最后需氮化的工模具，则温度不能高于调质时的回火温度，以免引起基体软化，影响模具使用性能。
15.5  Cr12型钢的焊补
在模具制造中，由于加工失误而引起的尺寸超差或其他缺陷是常见的，为了缩短生产周期、降低生产成本，不得不对超差件进行补救，这就是模具的焊补。
Cr12型钢具有很高的淬透性、硬度、耐磨性和塑性，但高温塑性差。因此，在焊补时，工艺上最主要的问题就是避免焊缝处产生应力集中，否则会使焊缝及附近的热影响区塑性降低、脆性增大并产生裂纹。
15.5.1  模块的预热
需焊补的模块应在空气炉中随炉升温至500℃，预热10min后，方可取出进行焊补；
15.5.2  焊前准备
焊条使用前烘干（250~350℃×1~2h），严禁将焊条突然放入高温炉或高温烘烤后突然冷却，以免焊条药皮开裂（剥落）。烘好后的焊条可置入80~100℃的烘箱，随用随取。
15.5.3  焊机、焊条及焊层
采用直流反接法焊机，电流调至90~105A，堆322型焊条（φ3.2mm）。在破裂处采用多层多道焊，每层用分散断续的短焊缝间花相连，边焊边敲渣，堆焊3~4层，焊好后进入550℃左右的炉子保温1~2h（消除焊接应力），然后取出打磨。
15.5.4  焊接技巧
在整个焊补过程均采用短弧施焊，焊条不做横向摆动，在缺陷处引弧，采用划弧法，划弧长度10~20mm，焊条角度约75°，每段短焊时间约1~2S，停弧后，对坡口焊接时，边敲渣边锤击，停弧时间为5~8S，接着往下焊，敲渣主要是改善焊缝金属组织和消除焊接应力。
15.5.5  焊补效果
无论模块大小、厚薄，电流选取95~105A，φ3.2焊条，均能取得良好的焊补效果。
15.6  Cr12型钢的最终热处理
如前所述，最终热处理是指以使模具获得高强、硬度、高耐磨性及一定冲击韧度为目的的淬火、回火工艺。
关于Cr12型钢的最终热处理工艺及操作技术广泛见诸各类教科书、工具书及文献资料等，大体为热处理工作者所熟知，本文无意重复罗列，唯有以下五点是值得强调的。
15.6.1  Cr12型钢的过热敏感性
如前所述，Cr12型钢淬火温度范围窄，尤其是高温硬化时，过热敏感性极强，温度稍高或时间稍长，则残余奥氏体量急剧增加，晶粒急剧长大。因此，采用高温硬化时，硬化温度及保温时间非常关键，笔者作过大量实验，大多文献介绍的淬火温度及保温系数偏高而可靠性不足，不能盲目照搬。
15.6.2  Cr12型钢的中温淬火法
据介绍，我国的热处理工作者在原有两种淬火方法的基础上，探索出一种中温淬火法，如Cr12MoV经1060℃的中温淬火并深冷处理后，400℃回火仍可使硬度保持在60HRC以上，这种方法既能保证模块的高硬度和强韧性，又能使应力消除比较彻底，因而值得进一步探讨和推广。在实际生产中，为防止模块淬火后直接深冷处理引起开裂，常在淬火后，先进行200℃左右的低温回火，再进行深冷处理，效果较好。深冷处理的温度可达-196℃(液氮)、使残余奥氏体消失迨尽。
15.6.3  Cr12型钢的分级淬火
分级淬火的关键是：淬火温度、分级温度和分级停留时间。
由于分级淬火温度比普通淬火温度高10~20℃，这对于过热敏感性很强的Cr12型钢显然是不利的。
分级温度则取决于钢的淬透性、技术要求、工件的形状和尺寸等因素。一般高淬透性的Cr12型钢可选择Ms+10~30℃，对于较大的模块，可采用Ms-（30~40℃）的温度。
分级停留时间按4min/25mm计，为了获取最高硬度，则分级停留时间一般不得超过10~15mm，大型模具作分级淬火时，要想在一完全避免贝氏体转变的保温时间获得均温是不现实的。对于Cr12型钢，由于分级停留时间的延长将引起奥氏体的沉化稳定，应严格加以控制。
15.6.4  Cr12型钢的二次硬化特性
根据对Cr12型钢的合金化分析，由于Cr的Cm不产生弥散硬化作用（这是因为Cr7C3型Cm在500~550℃迅速粗化、偏聚所致），而Cr12Mo、Cr12MoV、Cr12Mo1V1虽含有少量的Mo和V ，但Mo和V的Cm（MoC、V4C3）析出温度较其高温回火温度要高，故Mo、V的Cm弥散硬化效果并不显著。可见，Cr12型钢的二次硬化效果主要依赖于淬火后回火过程的残余奥氏体分解及贫化后的残余奥氏体的二次淬火机理。
当淬火温度太高或保温时间过长时，淬火后组织会含有大量的残余奥氏体（60%以上时失去磁性），其非常稳定，绝非多次高温回火可以使其显著降低的。
15.6.5  Cr12型钢的回火
实践证明，在同一温度下，采用一次性长时间回火与多次短时间回火，其效果是不同的。因此，无论采用何种方法硬化的模块，为最大限度地降低残余应力和稳定其组织，均应回火两次以上（尤其是质量大的模块）。
15.7  Cr12型钢的表面强化处理
Cr12系列钢是广泛应用的冷作模具钢，其膨胀系数与Ti（C、N）层的热膨胀系数比较接近，它的淬火温度与化学相沉积温度一致，故其非常适合沉积Ti（C、N），其沉积层性能好，与基体结合牢，工件尺寸变形能控制在±0.02mm，模具寿命长。
在实际生产中，在淬火前进行沉积，沉积后淬火可取得很好效果。
表15-1为Cr12及Cr12MoV在不同沉积温度下，沉积Ti（C、N）的厚度和硬度。
表15-1  Cr12型钢在不同沉积温度下沉积Ti（C、N）厚度与硬度的关系
沉积温度（℃）    钢种             硬度（HV）    沉积层厚（μm）
1020                   Cr12MoV 1932～2055       4～5
                  Cr12                   2290～2898    5.3～5.7
   900                   Cr12MoV 1682～1855    4.3～5.6
                  Cr12                   2015～1855    4～6
   880                   Cr12MoV 1740～1834    3～4.4
                  Cr12                   1854～1897 1.8～2.2

   参考文献
1  咸阳机器制造学校．合金钢及热处理工艺学[M]．北京:机械工业出版社，1979，164~165．
2  秦启泰．应用热处理[M]．北京：金盾出版社，1997，39~40，86~88．
3  易文质．模具热处理[M]．长沙：湖南科学技术出版社，1981，11~13，74~75．
4  金属材料与热处理译从编委会．模具热处理（1）[M]．上海：上海科学技术编译馆，1965．
5  程培源．模具材料与使用寿命[M]．北京：机械工业出版社，2000，40~46．
6  [日]日本热处理技术协会．热处理指南（上）[M]．北京：机械工业出版社，1987，65，283．
7  徐进等.模具钢[M]．北京：冶金工业出版社，1998，191．
8  陈治泉．Cr12MoV钢模具裂纹的补焊．模具工业，1993（4），47．
9  吕耀坤等．Cr12型钢化学气相沉积Ti（C、N）的工艺与设备．金属热处理，1989（5），10．

孤鸿踏雪 · 发表于 2012-10-14 14:27:43

本人的拙作《模具热处理及表面强化处理》的第15章：* B2 T' H1 n: ?
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第十五章 Cr12型模具钢的锻造、焊补及热处理3 a0 F1 v& D% ?( ~1 n# j6 j
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孤鸿踏雪发表于 2012-10-13 13:33

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