Cr12MoV钢是目前国内广泛使用的冷作模具钢 之一。该钢具有淬透性好、硬度高且耐磨、热处理变形小等优点,常用于制作那些承受重负荷、生产批量大、形状复杂的冷作模具,如冷冲、压印、冷镦、冷挤压模等。但该钢的显著缺点是脆性大,常常导致模具的早期失效。因此,如何提高其强韧性,防止模具过早断裂失效,是该钢用户经常遇到且需要解决的问题。模具失效分析表明,热处理因素影响最大,约占50%。本文在已有研究的基础上,针对热处理生产中影响Cr12MoV钢性能的诸因素,分析评述了提高其模具寿命的热处理工艺方法和措施。

1:改进预备热处理 Cr12MoV属于高碳高铬莱氏体钢。碳化物含量 高,且常呈带状或网状不均匀分布,其形状、大小及分 布对钢的性能影响很大,尤其大块状尖角碳化物对钢基体的割裂作用较大,往往成为疲劳断裂的策源地。经过改锻,碳化物被击碎,偏析状况得到有效改善,但其形态还不理想,且锻后硬度也偏高。因此Cr12MoV钢锻后常采用球化退火作为预备热处理,以获得均匀、细小的球形碳化物,降低硬度,改善切削加工性能,同时为后续淬火做好组织准备。当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,让奥氏体回复和开始再结晶,然后立即淬火,700～750℃回火。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。

Cr12MoV钢一般淬火温度为1000～1040℃,而调质的淬火温度可达1120℃,高的温度一方面促进了较小碳化物的完全溶解,另一方面也促进了大块碳化物尖角的局部溶解;而且,溶入基体的碳化物在随后高温回火过程中再度均匀弥散析出,使碳化物的形态、大小及分布得到改善,有利于提高模具的强韧性。 例如,Cr12MoV钢增加一道调质工序(1100℃加热淬火+700℃回火)后进行1000℃淬火及200～220℃回火处理,不仅使碳化物的粒度、形状、分布及球 化程度较常规工艺处理有显著改善,而且性能上Ρbb提高20%,Αk值提高15%。 用此工艺处理的Cr12MoV钢落料模,凸凹模刃口件总寿命达150万次,寿命提高5倍。失效后取样金相检查,碳化物不均匀度为1级。轧丝机上用于轧制梯形丝杠的Cr12MoV钢轧丝模,采用常规1020℃淬火、250℃回火,模具寿命只有几百件,都是脆性断裂失效。在精加工前增加一道调质工序(850℃预热、1120℃加热淬油、760℃高温回火),然后在1020℃加热230℃分级淬火、400℃回火2次,硬度为57～58HRC,模具寿命达2000多件,达到了进口模具水平。

2:改进淬火及回火 Cr12MoV钢最终硬化处理分为 “一次硬化处理”和“二次硬化处理”。一次硬化处理是指低温淬火(～1000℃)与低温回火(～200℃);二次硬化处理是指高 温淬火(～1100℃)与高温回火(～500℃)。研究与实践表明,Cr12MoV钢经一次硬化处理后,硬度高(60～62HRC)、耐磨、晶粒细小、韧性好、淬火变形小,且残留奥氏体(AR)量适度,是较佳的常规强韧化处理工艺。

Cr12MoV钢经过改锻及预处理,碳化物的粒度、 形状、分布得到改善,但还是有个别碳化物尺寸较大且有棱角,降低了钢的断裂韧性。如果一次硬化处理时,在特定温度如800℃左右充分预热,使不均匀分布的碳化物特别是大块尖角形碳化物不断分解、扩散,有利于形成大量高度弥散分布的形核中心,使随后淬火时有利于形成高度弥散分布的细粒碳化物,能有效提高钢的强韧性和模具使用寿命。如Cr12MoV钢经特定温度预热,1000℃淬火、200℃回火,组织为细针状回火马氏体+均匀弥散分布的碳化物+少量小块状碳化物及少量AR,使其拉丝模的寿命提高近1倍。Cr12MoV钢经800～850℃预热,1020～1050℃加热淬火,2次160～180℃低温回火,使用效果较好。 如果Cr12MoV钢未改锻,采用固溶双细化处理,即500℃及800℃左右二级预热,1100～1150℃固溶处理,淬入热油或等温淬火,750℃高温回火,机加工后960℃加热油冷后进行最终热处理,也可使碳化物细化、棱角圆整化,晶粒细化。

Cr12MoV钢强韧性不足,还与淬火温度较高,奥氏体晶粒较大,使随后淬火后的马氏体粗大有关。如果Cr12MoV钢通过低温加热,等温淬火,先形成适量的的B下组织,割裂了原奥氏体晶粒,使随后形成的针状M细化;且B下易在未溶碳化物与基体的界面处形成,本身韧性也较好,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,使强韧性增加。例如Cr12MoV钢经520℃×12h预渗氮、1000℃×10min扩氮、260℃×4h等温淬火,并于230℃×2h回火的复合强韧化处理,得到适量的B下 与M的复相组织,扩氮层显微硬度达900～1000HV,心表硬度过渡均匀,可使模具寿命提高一个数量级[10]。文献[11]针对Cr12钢也提出了在850℃预热、1030℃加热、280℃等温淬火、200℃回火的复相强韧化处理工艺。等温时得到7%～10%的B下与M的复相组织,具有最佳的耐磨性与冲击韧度的搭配,使Cr12钢自行车把节头冷镦模寿命提高3～4倍,对Cr12MoV钢同样有借鉴意义。

3:增加深冷处理 Cr12MoV钢经常规1020～1040℃淬火,AR量较 多,约30%左右,硬度、耐磨性不足,且易出现磨削裂纹,使模具提早破坏。深冷处理过程中,由于AR转变成M,以及超细碳化物析出,使钢的硬度、冲击韧度及耐磨性都得以提高,从而显著提高其力学性能和模具寿命,属于简单易行的强韧化热处理工艺。例如:

(1)Cr12MoV钢经1030℃加热淬火,180℃回火,-196℃深冷处理,再200℃回火,其ΑK值比常规热处理提高21%,使扇形冲压模具的寿命提高1.5～2倍。

(2)Cr12MoV钢经1030℃淬火,100℃回火,-160℃深冷处理2h,500℃回火两次,与常规处理相比,其冲击韧度变化不大,硬度提高1～2HRC,Ρbb提高约5%,耐磨性大幅度提高,可使M12螺母冷镦模寿命提高2倍[15]。

(3)Cr12MoV钢1060℃淬火并深冷处理后,400℃回火硬度仍可保持60HRC;而常规淬火后,要保持60HRC的硬度,回火温度不能超过200℃。采用1060℃淬火,-196℃深冷处理和400℃回火的M16螺母六方冷镦冲模的使用寿命比常规工艺处理的模具提高8～9倍。

(4)Cr12MoV钢经1000℃加热,300℃分级淬火,180℃回火2次,放入液氮中深冷处理,取出放入60～70℃热水中急热解冻,再在150～200℃回火。经此工艺处理的缝纫机校架冷挤压凹模寿命为未经深冷处理的1.6倍。

(5)Cr12MoV钢硅钢片冷冲凹模,经1030℃淬火、180℃回火后,AR量较多,硬度不够(仅为57.5HRC),耐磨性不足,且易出现磨削裂纹。经1100℃淬火、液氮深冷处理、520℃回火,能明显降低AR量,平均硬度为67.4HRC,耐磨性增加,凹模寿命由原来的9.2万次提高到84.3万次,全部为磨损正常失效。

深冷处理不仅提高了钢的强韧性、耐磨性、模具寿命,而且能稳定模具尺寸,改善加工精度及表面质量,挽救一些尺寸超负公差的零件。例如:Cr12MoV钢淬火后冷到-196℃,然后升温至室温后马上343℃×1h回火,油冷硬度63HRC,收缩率为0.0012%;Cr12MoV钢淬火后冷到-196℃,升至室温后于510℃×1h回火,油冷,再重复两次-196℃、510℃×1h回火,再经232℃×1h回火后空冷,硬度59.5 HRC,收缩率为0.0002%。Cr12MoV钢经1040℃真空加热淬火,200℃回火后,冲模外径普遍减小60～80Λm,已无抛光余量(真空处理前仅留0.02mm加工余量),经-196℃×4min深冷处理,外径普遍增大100Λm;再经230℃回火,外径又减小10～20Λm,满足了加工要求。冲模经1000℃真空加热淬火,200℃回火后外径变化不大。

4 表面强化处理 模具的表面处理方法很多,新的处理技术也不断涌现,但对Cr12MoV钢模具而言,应用较多的主要有渗氮及其多元复合渗、硬化膜沉积技术等。

(1)渗氮及多元复合渗 Cr12MoV钢1110℃淬火、540℃回火2次,经520～540℃渗氮2～6h后,表面硬度1042HV0.1,心部硬度62.5HRC;980℃淬火、180℃回火,渗氮2～6h后表面硬度1120HV0.1,心部硬度53HRC。耐磨性提高45%～67%。

将Cr12MoV钢的渗氮工艺和淬火、回火结合起来的复合强韧化处理得到细小弥散的B下与M的复相组织,以及少量的AR,心表力学性能过渡均匀,渗层深度达300Λm,使模具寿命大幅度提高。

在渗氮的同时渗入硫(S)和氧(O),模具表面不仅具有高的硬度、耐磨、减摩及抗胶合能力,而且能加速N的渗入,提高经济效益。Cr12MoV钢经1020℃淬火、560℃回火,然后在550℃进行2h的离子O、S、N共渗,渗层厚度为0.16～0.18mm,表面硬度为1000～1200HV。Cr12MoV钢牙膏管冷挤冲头采用此工艺处理后,平均寿命3.5万件,提高3.5倍。

对Cr12MoV钢先进行等离子渗氮,然后再采用等离子S、N、C共渗工艺,在其表面形成具有一定硬度梯度的硫化物层+渗氮层的复合表面层,能显著提高其耐磨性及抗咬合性能,摩擦系数降低2/3。

在渗氮或复合渗表面处理中,加入适量的稀土元素,不仅能提高渗速,而且能优化表面渗层的组织结构,改善表面的物理化学性能,强化表面,是延长模具寿命的新途径。

(2)硬化膜沉积技术 硬化膜沉积技术目前应用较成熟的有CVD、PVD、电火花涂敷等。CVD、PVD由于设备原因成本较高,只在一些精密、长寿命模具上应用。电火花表面涂敷由于方法简单,效果好,因而实际生产中应用较为广泛。Cr12MoV钢制落料及拉伸复合凹凸模经980℃淬火,400℃回火,硬度为48HRC,通过对模具刃口用WC电极进行电火花强化,涂层硬度达1100HV以上,模具平均寿命10050件,比常规一次硬化处理提高9倍。