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冷冲压模具复合强韧化及微观组织

冯光勇  
【摘要】: 中、小型冷冲压模具工作时受到压缩、冲击、摩擦等机械力的作用,通常表现的失效形式为磨损、变形及断裂等,使用寿命较低,时常选用含较高合金元素的合金钢制造,热处理工艺比较复杂。针对这个问题,本文分析了冷冲压模具的工作条件,指出它的主要性能要求应是良好的耐磨性和足够的强韧性等,因而研究了T12钢和GCr15钢的渗硼工艺,对比研究了它们的常规球化退火,循环球化退火、以及屈氏体化处理和四步热处理的碳化物球化效果,进一步研究了渗硼+四步热处理的复合强化工艺及其组织与性能,分析了渗硼和钢的强韧化机理。根据试验结果和讨论分析,得到以下结论: (1)渗硼温度为850℃,渗硼时间由1h逐步增加到5h时,T12钢的渗层由40μm逐步增加到93μm;GCr15钢的渗层由20μm增加到53μm。这两种钢的渗层深度都随着渗硼时间的增加而增加,渗层厚度的增长速率呈先快后慢的趋势发展;在相同的时间内,T12钢的渗层深度始终高于GCr15钢。渗硼时间为5h,渗硼温度从750℃逐步升高到950℃时,T12钢渗硼层深度由50μm增加到163μm,GCr15钢渗硼层深度由32μm逐步增加到83μm;这两种钢的渗层深度都随着渗硼温度的增加而增加,渗硼层深度增加的速率也随温度升高而加快。 (2)渗硼时间为5h时,温度由750℃逐步增加到900℃时,T12钢渗硼层的硬度由1155 HV_(0.1)逐渐增加到1216 HV_(0.1),到950℃时又下降到1177 HV_(0.1);GCr15钢渗硼层的硬度由1147 HV_(0.1)逐渐增加到1219 HV_(0.1),到950℃时又下降到1163 HV_(0.1)。当温度为850℃时,渗硼时间在1h~5h范围内,T12钢渗硼层硬度在1178HV_(0.1)~1205HV_(0.1)范围内波动,GCr15钢渗硼层硬度在1150HV_(0.1)~1208HV_(0.1)范围内波动,表明渗硼时间对T12钢和GCr15钢的表层硬度值的影响较小。 (3)T12渗硼后,其表面硬度为835HV_(0.1),在次表层硬度达到1220HV_(0.1),随渗层深度的增加,硬度逐步下降至基体硬度;GCr15也随渗层深度的增加,硬度逐步下降至基体硬度,它的渗层表面硬度为831HV_(0.1),次表层的硬度达1211HV_(0.1)。 (4)T12钢和GCr15钢的硼化物层与过渡区的交界十分平坦,其硼化物层与过渡层接触面很少,即硼化物针插入过渡区的厚度较浅(特别是GCr15钢),因而削弱了与金属基体的结合力,这对渗硼层的剥落起到促进作用;另外,由于过渡层中存在着碳和硼的浓度梯度,导致过渡层是逐步地过度到心部基体组织的,这就造成了过渡层与基体组织之间没有明显的分界线,弥补了上述缺陷,即提高了渗层与金属基体的结合力,对克服渗层剥落起到有力的促进作用。 (5)T12钢较好的渗硼工艺为900℃渗硼5h,其渗层厚度可以达到116μm,硬度能够达到1216 HV_(0.1)。GCr15钢较好的渗硼工艺为900℃渗硼5h,其渗层厚度可以达到67μm,硬度能够达到1219HV_(0.1)。 (6)T12钢进行碳化物微细化工艺1(950℃高温固溶+700回火)处理后得到了良好的碳化物微细化效果,其中的碳化物细小、圆整、均匀分布;碳化物微细化工艺2(950℃高温固溶+760℃保温2小时+690℃保温3小时)的碳化物微细化效果次之,其中有部分尖角状碳化物存在;常规球化退火的碳化物球化效果较差,其中存在较多粗大、尖角状的碳化物。四步热处理和屈氏体化处理中的淬火回火工艺与常规的淬火回火工艺相同,都进行760℃加热淬火+150℃回火60min的处理,都得到回火马氏体+碳化物。其中,四步热处理后得到的碳化物最细小、圆整、分布最均匀,而屈氏体化热处理后存在部分粗大、尖角状碳化物,常规热处理后存在较多的粗大、尖角状碳化物。因此,T12钢四步热处理后的强韧性优于屈氏体化热处理,更优于常规热处理。 (7)GCr15钢进行碳化物微细化工艺(950℃高温固溶+700℃高温回火)处理得到了良好的碳化物微细化效果,其中的碳化物细小、圆整、均匀分布;循环球化退火的碳化物微细化效果次之,其中有部分尖角状碳化物存在;常规球化退火的碳化物球化效果较差,其中存在较多粗大、尖角状的碳化物。四步热处理和循环球化退火后的淬火回火工艺与常规的淬火回火工艺相同,都进行840℃加热淬火+150℃回火60min的处理,都得到回火马氏体+碳化物,其中四步热处理后得到的碳化物最细小、圆整、分布最均匀,而循环球化退火+常规的淬火回火后存在部分粗大、尖角状碳化物,常规淬火回火后存在较多的粗大、尖角状碳化物。因此,GCr15钢经四步热处理后的强韧性优于循环球化退火后的淬火回火,更优于常规热处理。 (8)T12钢经过复合强化热处理后具有以下特点:渗硼层厚度能达到120μm,显微硬度在1235HV_(0.1)左右;心部组织为回火马氏体加细小、圆整、均匀分布的碳化物,心部硬度达到61.5HRC;因而能满足中小型冷冲压模具对耐磨性和强韧性的要求。 (9)T12钢的Acm为820℃,在900℃的温度下渗硼5h,渗碳体分解并进入奥氏体,经过5h的扩散,可以在较大程度上使碳原子扩散均匀并达到固溶效果,所以建议把固溶温度由950℃降到900℃左右。 (10)GCr15钢经过复合强化热处理后具有以下特点:渗硼层厚度能达到72μm,显微硬度在1248HV_(0.1);心部组织为回火马氏体加细小、圆整、均匀分布的碳化物,心部硬度达到62.5HRC;因而能基本满足中小型冷冲压模具对耐磨性和强韧性的要求。 (11)GCr15钢经过复合强化热处理后的渗硼层出现少许空洞,没有产生剥落现象,渗硼层过渡比较平缓。把固溶温度由1050℃降到980℃左右,可以达到既能实现固溶的效果,又能克服渗层中的“空洞”现象的目的。 (12)T12钢和GCr15钢经过复合强化处理后都具有良好的耐磨性和强韧性,基本能满足中小型冷冲压模具对使用性能的要求,在实际选用中小型模具材料的时候,需要注意以下问题:GCr15钢的淬透性、抗回火性等性能优于T12钢;对于断面尺寸小于30mm、受力较小的小型冷冲压模具,由于受到的压力比较小,淬透性要求不高,因此选用T12钢进行900℃渗硼+四步热处理复合强化处理就能得到较好的效果;对于断面尺寸大于30mm小于45mm、受力稍大的冷冲压模具,可选用GCr15钢进行900℃渗硼+四步热处理复合强化处理。


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