Cr12MoV模具钢应用的主要问题与热处理研究进展

1引言

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。cr12mov钢属于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、冷镦模等的重要材料，其消耗量在冷作模具钢中居首位。该钢虽然强度、硬度高，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。

cr12mov钢常用的加工工艺是：下料一锻造一球化退火一机械加工一淬火+低温回火一平磨一线切割加工一组装。

cr12mov钢碳化物级别应不大于2级.其化学成分要求见表1。

cr12mov钢属于高碳高铬钢，含碳量和含铬量高，形成了大量的碳化物和高合金度的马氏体。使钢具有高硬度、高耐磨性。cr12mov钢中的钼增加钢的淬透性并且细化晶粒，钒能细化晶粒增加韧度。又能形成高硬度的vc，以进一步增加钢的耐磨陛。铬又使钢具有高的淬透性和回火稳定性。由于cr的大量存在，钢液结晶时析出的大量共晶碳化物(主要是硬度很高的铬铁复合碳化物(fe，cr)7c3，)极为稳定，常规热处理无法细化。即使经压延后，在较大规格钢材中。仍保留明显的带状或网状碳化物，碳化物分布不均匀，而带状或网状碳化物区是一个脆性区，其塑性、韧度差，不能承受大的冲击力，裂纹很容易在这里萌生与扩展，往往成为裂纹产生的主要原因。较大的碳化物周围常常有空洞、位错等缺陷汇聚，在交变负荷的作用下，这些缺陷进一步聚集和扩展便可萌生疲劳裂纹。碳化物偏析严重，在碳和合金元素富集的区域，钢的熔点降低，易导致模具热处理时过热，使碳和合金元素在奥氏体中溶解度减少，降低淬火后的硬度，且导致碳合金元素富集区与贫乏区之间产生大的组织应力，从而增大模具热处理后的变形量。为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度。—般crl2mov使用时都需要进行锻造和预先热处理，以减少碳化物的不均匀分布，为后续淬火、回火提供优良的原始组织。另外，通过添加微量锌元素进行变质处理口j会加速共晶碳化物

热处理粒化的动力学过程，促进了共晶碳化物的粒化。目前导致crl2mov这种高碳、高铬钢模具损坏的因素很多，但主要的还是锻造工艺和热处理工艺造成的。线切割加工有时也会引起模具开裂。碳化物的不均匀与残留应力的分布是影响模具使用寿命的决定因素。

2锻造

2．1温度控制

cr12mov钢导热性差，锻造温度较窄，加热速度不能太陕。加热要均匀？。一般锻造选择在单相区进行。较高的锻造温度易于塑性变形。但crl2mov钢共晶温度较低(约l 150℃)，稍不注意就会发生过热和过烧。过低的开锻温度使得开停锻温度范围变窄，相应要增加变形火次。过低的终锻温度会产生加工硬化，产生内外裂纹。终锻温度如选在aam线以上，则会在锻后的冷却过程中，沿着晶界析出二次网状渗碳体，这将使得锻件的力学性能大为下降。如选在aam和a1线之间的温度区间锻造，由于塑性变形的机械破坏作用，可使析出的二次网状

渗碳体呈弥散状。crl2mov的终锻温度应控制在aam线以下、al线以上50～100℃。

2．2锻造方法

在锻造方法上。对于crl2mov这样的高碳高铬钢。一般的轴向镦粗、拔长法使坯料心部的变形量不大，无法完全消除组织中的带状碳化物和粗大、不均匀的碳化物组织。用这样的坯料制成的模具会产生组织的不均匀和力学性能的各向异性，增加淬火裂纹和使用脆断的倾向。一般应采用变向锻造法(包括十字镦拔法和三向镦拔法)。而且要严格按照正确的锻造操作规程进行。镦拔的次数应视碳化物不均匀的级别和对锻件碳化物不均匀级别的要求而定。操作过程中应严格执行“二轻一重”的锻造方法，在保证击碎碳化物的同时防止裂纹产生。拔长

进给量每次不少于原始毛坯直径或边长的2／3，下压应均匀一致，决不能在坯料表面造成任何硬性压痕，翻转也应勤快均匀，要坚决避免坯料的同一部位受到反复锤击。以防锤击变形能量变成很大的热能，使金属局部升温、过热，引起开裂。

crl2mov钢的锻造加热曲线如图1所示，其锻造工艺如表2所示。

锻件终锻后应立即打标记并随炉缓冷(炉膛温度700℃)，严禁空冷或放置在潮湿的地面上冷却。为便于后续加工，锻件在冷却后，应在24～32 h内进行退火处理.一般采用等温球化退火。

3热处理工艺

3．1预处理

由于crl2mov钢含有高碳高铬，其内部组织碳化物多，特别是一些形状不规则的碳化物，这些碳化物的边缘呈尖角状，尖角的存在极易造成应力集中而增加淬火开裂、磨裂的危险。必然会造成模具的早期脆性损坏。因此，需要对crl2mov钢进行预处理，预处理一般有正火、退火、调质、高温回火、高温固溶处理+高温回火预处理工艺等，其目的是为了改善毛坯的组织．使钢的淬透性增加，有利于改善钢的切削加工性能，为后续的热处理工艺做好组织准备.

3．1．1球化退火

锻造后常用的预先热处理是球化退火。以便获得细小、均匀的球形碳化物分布。完全退火将使cr12mov钢形成网状碳化物，而且在终的淬火、回火过程中仍能保持，这将使其脆性增加而不能使用。球化退火工艺如图2所示。球化退火后的组织为索氏体型珠光体+粒状碳化物，硬度为207～255hb.

3．1．2调质处理

当锻件的碳化物偏析比较严重，常规球化退火工艺效果不理想时，可采用锻后调质处理，即锻后稍作停留或在精加工前增加一道调质工序,也可利用锻后余热直接进行球化退火或循环球化退火,调质处理后锻件能获得均匀细致的索氏体组织，不仅可保证工件后淬火具有均匀的硬度，而且有利于淬火后减小工件的变形，增加工件的尺寸稳定性。cr12mov钢的调质处理工艺见图3。

与球化退火相比，采用高温调质工艺更有利于碳化物形态的改变,这是因为高的加热温度促进碳化物进一步溶解，原来在低温下不能溶解的、略大的一些碳化物可以进一步溶解。一些更大些碳化物也会发生尖角微溶现象，因为碳化物尖角处曲率半径小，与其接近的固溶体碳浓度高，而与平面处(曲率半径大)相接近的固溶体浓度低，在高温下碳的扩散过程加剧，必然引起碳的扩散而打破平衡，导致尖角处的渗碳体溶解，并在平面处析出，使尖角处发生钝化(曲率半径相对变大)。这种尖角形态的消失或缓解可减轻碳化物呈尖角时易造成应力集中的不利影响。再则高温下融入碳化物增多，完全溶解了的碳化物在高温回火过程中以极细粒状均匀析出，又进一步减轻了碳化物存在的不利影响，因均匀分布的极细粒状碳化物不会造成应力集中而大大降低了钢的脆性，增强了韧度，所以crl2mov钢制模具增加高温调质工序是提高模具强韧度的重要环节。

3．1．3高温固溶+高温回火

对于大型的crl2mov钢冷作模具，还可采用高温固溶处理+高温回火预处理工艺(又叫双重固溶球化处理)，其工艺如图4所示。

对锻造模块直接进行两次固溶处理，即在锻造高温固溶细化处理后，再进行一次加热固溶球化处理，可使球化过程加速，同时又可使碳化物的大小、形状及分布得到改善，为终热处理提供了良好的组织准备。

3．1．4几种预处理工艺的比较

比较了球化退火、调质处理、高温固溶淬火+高温回火、高温调质处理这几种预处理工艺的球化效果，发现经高温固溶淬火十高温回火和球化退火处理后，碳化物颗粒细小，分布均匀弥散，高温固溶淬火+高温回火的球化效果。高温调质处理得到的碳化物也很细小，但碳化物的分布效果不如球化退火和高温固溶淬火+高温回火2种工艺理想。高温固溶淬火+高温回火+980℃淬火+240℃回火是cr12mov钢强韧化热处理工艺，

在保证硬度较高的条件下，其冲击功值可达3．04 j，比原工艺(球化退火+980℃淬火+210℃回火)的冲击功值1．69j提高了80％。

3．2热处理工艺分类

cr12mov钢一般有3种热处理工艺：①一次硬化处理方法(如图5所示)，采用低温淬火低温回火。即950～1000℃加热淬火，200℃回火；②二次硬化处理方法，采用高温淬火高温回火，即1 100℃左右加热淬火，500-520℃回火；③中温淬火中温回火工艺，即1 030℃左右加热淬火，400℃左右回火。方法①可获高硬度及较高韧度，但抗压强度低；方法②可获较高硬度及抗压强度，韧度也好；方法③可获较高硬度和抗压强度，强韧度适中。

一次硬化处理方法是采用较低的淬火温度进行淬火。然后进行1--2次低温回火。选用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强度和韧度较好，钢的硬度和耐磨性高，热处理变形较小。一般淬火液选用淬火油或硝盐浴，采用单液淬火，也可采用双液分级淬火。钢中的残留奥氏体量在20％左右,回火温度一般为160～200℃。回火时间为2-4h，回火以2次为宜，这样在机加工过程中工件不易开裂。二次硬化处理方法是采用较高的淬火温度进行淬火，然后进行多次高温回火。达到二次硬化的目的。经二次硬化处理，钢有较高的红硬性、耐磨性和回火稳定性，但强度和韧度会稍降低。一般淬火液选用淬火油或硝盐浴，采用单液淬火或双液分级淬火。淬火温度高，淬火后钢中有大量残留奥氏体，硬度比较低，但采用较高的温度(490-520℃)回火后，工件硬度也可以提高到60～62 hrc，硬度的提高主要是由于残留奥氏体在回火过程中转变为马氏体。回火一般以3次为宜。二次硬化处理适合于工作温度较高(400～500℃)且承受载荷不大或淬火后表面需要渗氮的模具。采用较低温度淬火+贝氏体等温处理工艺,可使晶粒细小。提高模具的抗弯强度和韧度，延长模具使用寿命。一般情况下，c12mov钢强度高、塑性低，而下贝氏体组织却具有较高强度和韧度，下贝氏体断裂韧度比回火马氏体高。终热处理时常用贝氏体等温处理，模具得到较多的下贝氏体，割裂了原奥氏体晶粒，使随后形成的针状马氏体细化。下贝氏体易在未溶碳化物与基体的界面处形成。本身韧度也较好，可通过自身塑性变形而缓解应力集中，有助于降低裂纹萌生及扩展，脆断几率减小，使强韧度增加。

采用中温淬火低温回火，使模具获得了较高硬度和韧度，同时获得了高强度，从而保证了模具寿命。由于中温加热可完全奥氏体化，而合金元素未完全熔于奥氏体内，避免得到过饱和马氏体。采用低温回火可保证工件所需硬度，二次回火可使淬火应力充分消除。深冷处理在提高模具钢的力学性能和延长模具

寿命方面效果显著，属于简单易行的强韧度处理工艺。工模具钢的深冷处理可以在淬火和回火工序之间进行或在淬火回火后进行。当深冷处理在淬火后立即进行时，一方面发生残留奥氏体向马氏体的转变，另一方面热力学不稳定的马氏体将析出大量微细的碳化物，钢的硬度升高，韧度有所下降。淬火回火后再进行深冷处理，残留奥氏体已经在回火过程中完成了转变，钢的硬度只略有升高或保持不变，由于大量的细小分散的碳化物由马氏体中析出，降低了马氏体的过饱和度和内应力，改善了钢的韧度。～次硬化处理结合深冷处理一般用于要求获得高的硬度、良好的韧度及变形较小的模具，如复杂的凹模、凸模等。二次硬化处理结合深冷处理一般用于要求获得高的红硬性、高的耐磨性、需要渗氮、工作温度较高、承受载荷不大的模具。二次硬化处理时，cr12mov钢在同一温度下淬火后的模具进行一78℃冷处理后，只需在480℃回火一次，硬度便可达60-62hrc,减少了回火次数，可缩短工艺时间10--15h，节约电能30％～50％，取得明显经济效益。crl2mov钢凹模进行液氮深冷加高温回火处理，使凹模的平均使用寿命从9．2万次提高到84．3万次，且中间刃磨次数从1班2次，提高到2班1次。对一些体积比较大或无法锻造的模具，可采用固溶双细化处理,固溶双细化工艺是完全利用热处理方法，通过高温固溶使碳化物细化、棱角圆整化，通过循环细化使奥氏体晶粒超细化。固溶双细化热处理工艺为：1 130℃真空加热淬火(高温固溶)+760℃高温回火+960℃真空加热淬火(细化晶粒)+终热处理，工艺