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深冷处理工件

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  随着机械工业的不断发展,对金属材料的要求也越来越高,如何在材料以及热处理工艺既定的前提下尽量提高金属工件的机械性能及使用寿命,这成为很多热处理行业前沿人士思考并探索的问题。 

  一、问题的提出: 

  钢材在热处理工艺之后,其硬度及机械性能均大大提高,但热处理后依然有残存的以下问题: 

  1、残余奥氏体。其比例大约有10%-20%,由于奥氏体很不稳定,当受到外力作用或环境温度改变时,易转变为马氏体,而奥氏体与马氏体的比容不一样,将造成材料的不规则膨胀,降低工件的尺寸精度。 

  2、组织晶粒粗大,材料碳化物固溶过饱和。 

  3、残余内应力。热处理后的残余内应力将降低材料的疲劳强度以及其他机械性能,在应力释放过程中且易导致工件的变形。 

  二、深冷工艺的优点: 

  经过国内外许多金属材料研究者的不懈研究,深冷及超深冷处理工艺被认为是解决以上问题的方法,其优点如下: 

  1、它使硬度较低的残余奥氏体转变为较硬的、更稳定的、耐磨性和抗热性更高的马氏体。 

  2、马氏体的晶界、晶界边缘、晶界内部分解、细化,析出大量超细微的碳化物,过饱和的马氏体在深冷的过程中,过饱和度降低,析出的超细微碳化物,与基体保持共格关系,能使马氏体晶格畸变并减小,微观应力降低,而细小弥散的碳化物在材料塑性变形时可以阻碍位错运动,从而强化基体组织;同时由于超细微的碳化物析出,均匀分布在马氏体基体上,减弱了晶界催化作用,而基体组织的细化既减弱了杂质元素在晶界的偏聚程度,又发挥了晶界强化作用。从而使材料的综合力学性能三个方面的提高:材料的韧性改善,冲击韧性高,基体抗回火稳定性和抗疲劳性提高;耐磨损的性能提高;尺寸稳定性提高。从而达到了强化基体,改善热处理质量,减少回火次数,延长模具寿命的目的。 

  3、材料经深冷处理后内部热应力和机械应力大为降低,并且由于降温过程中使微孔或应力集中部位产生了塑性流变,而在升温过程中会在此类空位表面产生压应力,这种压应力可以大大减轻缺陷对工件局部性能的损害,从而有效地减基体保持共格关系的超微细碳化物,可以使马氏体晶格畸变减小,微观应力降低,而细小弥散的碳化物在材料塑性变形时可以阻碍位错运动,从而强化基体组织。同时由于超微细碳化物颗析出,均匀分布在马氏体基体上,减弱了晶界催化作用,而基体组织的细化既减弱了杂质元素在晶界的偏聚程度,又发挥了晶界强化作用,从而改善了高速钢的性能,使硬度、冲击韧性和耐磨性都显著提高。模具硬度高,其耐磨性也就好,如硬度由60HRC提高至62-63HRC,模具耐磨性增加30%―40%。 

  可看出深冷处理后模具的相对耐磨性提高40%,延长深冷处理时间后,在硬度没有太大变化的情况下,相对耐磨性有所增大。举实例说明:(1)凸模:汽车厂的高速钢凸模,未经深冷处理时只能使用10万次,而采用液氮经-196℃×4h深冷处理后再400℃回火,使用寿命提高到130万次。 

  (2)冲压凹模:生产使用结果表明,深冷处理后产量提高二倍多。 (3)硅钢片冷冲模:为降低模具深冷处理后的脆性和内应力,将深冷处理与中温回火相配合,可改善模具抗破坏性及其它综合性能,模具的刃磨寿命提高3倍以上,稳定在5―7万冲次。 

  经过深冷或超深冷处理的量具,尺寸稳定性、耐磨性有显著的提高。 2、H13钢铝型材热挤模具深冷处理 

  H13(4Cr5MoSiV1)钢是国外广泛应用的一种热作模具钢。在我国近几年来H13钢被普遍推广用于制造铝型材热作模具。铝型材热挤压模具在生产过程中受高温(4500C-5200C),高压及铝材的剧烈摩擦作用,模具的失效主要是由于磨损和热疲劳,以及热处理不当,导致早期失效(如断裂、软、塌、缺等因素)。目前,国内模具平均使用寿命与国际先进水平还存在一定的差距。热处理技术和表面处理技术的落后是造成模具寿命低的主要原因。经深冷处理使H13合金钢的组织发生以下三个变化:1)残余奥氏体一部分乃至全部转变成马氏体;2)残余奥氏体的残余部分组织相对稳定,其组织内部细化,所以得到强化,对韧性作出贡献;3)材料的韧性改善,冲击韧性高; 

  举例如下: 

  试验工件为铝型材挤压模。工件经机械加工,但未进行精细加工,按模具常规热处理工艺:1040℃淬火580℃(两次)回火,氮化。 

  模具常规热处理+深冷处理工艺: ⑴、1040℃淬火580℃两次回火,深冷 (-196℃×24h),150℃×30min回火,氮化。 

  ⑵、1040℃淬火590℃两次回火,深冷(-196℃×24h),100℃×30min回火,氮化。 

  深冷处理工艺(2)的两套模具交铝型材厂生产使用,结果其中一套生产出合格型材9.5吨,该厂认为模具效果不错;工艺(1)的两套模具在另一铝型材厂使用,生产量达到9.2吨/套。按所生产型材壁厚0.1mm偏差的质量标准计算,一般只能产出铝型材4-5吨的水平;经过深冷处理的两副模具已经超过上述产量水平。拉出的型材产品质量优良,主要表现在型材光洁度高,截面均匀性好,实验结果基本说明,按深冷处理工艺(1),处理H13钢铝型材热作挤压模具,能提高使用寿命40%以上。 

  3、Cr12MoV钢冷镦模深冷处理 

  改锻,但热处理后模具使用寿命不高。 

  (1)凸模失效分析 

  通过对26个失效的凸模分析,发现模具失效的原因是劈裂与折断,其折断位置基本处于凸模长度方向的中间位置,劈裂位置全部处于韧口底部,凸模断裂前后的尺寸和形状没有变化,在断裂过程中没有发现任何塑性变形,全是脆性断裂。失效凸模化学成分:1.65C、0.36Si、0.30Mn、12.1Cr、0.46Mo、0.23V、0.027S、0.026P。 

  金相组织:回火马氏体+碳化物+残余奥氏体,其中残余奥氏体含量较多,碳化物大小不均,有的颗粒较大,且大块碳化物还带有棱角。 

  实验证明,对W6Mo_SCr4V2高速钢丝锥深冷处理性能影响的四大因素为:深冷温度、深冷保温时间、回火温度和冷却速度,其中影响因素为深冷温度。因此,在深冷处理的实验和模拟过程中,应尽量地降低深冷处理的温度,以期待获得性能。 

  未经深冷处理的高速钢丝锥微观组织中,灰色针状或黑色片状马氏体组织数量相对较少,白色的残余奥氏体数量较多且分布不均匀,经深冷处理后的高速钢丝锥微观组织中,马氏体组织数量相对增多且细化很多,同时在马氏体晶界上析出细小弥散的碳化物颗粒。

  Cr12MoV钢具有高的含碳量和含铬量,能形成大量碳化物和高合金度的马氏体,使钢具有高硬度,高耐磨性。同时,铬又使钢具有高的淬透性和回火稳定性,钼增加了钢的淬透性并且细化晶粒,钒既可以细化晶粒又可以增加材料的韧性,又能形成高硬度的VC,以进一步增加钢的耐磨性,所以Cr12MoV钢是制造冷作模具广泛使用的材料.  

  以Cr12MoV钢硅钢片凸模为例: 

  制造工艺为:下料→锻造→球化退火→机加工→热处理→磨削。热处理工艺为:淬火加热温度1030℃,回火220℃。虽然在机加工之前,毛坯经过改锻,但热处理后模具使用寿命不高。 

  (1)凸模失效分析 

  通过对26个失效的凸模分析,发现模具失效的原因是劈裂与折断,其折断位置基本处于凸模长度方向的中间位置,劈裂位置全部处于韧口底部,凸模断裂前后的尺寸和形状没有变化,在断裂过程中没有发现任何塑性变形,全是脆性断裂。失效凸模化学成分:1.65C、0.36Si、0.30Mn、12.1Cr、0.46Mo、0.23V、0.027S、0.026P。 

  金相组织:回火马氏体+碳化物+残余奥氏体,其中残余奥氏体含量较多,碳化物大小不均,有的颗粒较大,且大块碳化物还带有棱角。 

  实验证明,对W6Mo_SCr4V2高速钢丝锥深冷处理性能影响的四大因素为:深冷温度、深冷保温时间、回火温度和冷却速度,其中影响的因素为深冷温度。因此,在深冷处理的实验和模拟过程中,应尽量地降低深冷处理的温度,以期待获得更好的性能。 

  未经深冷处理的高速钢丝锥微观组织中,灰色针状或黑色片状马氏体组织数量相对较少,白色的残余奥氏体数量较多且分布不均匀,经深冷处理后的高速钢丝锥微观组织中,马氏体组织数量相对增多且细化很多,同时在马氏体晶界上析出细小弥散的碳化物颗粒。

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