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      深冷處理對材料組織和性能的影響(模具鋼深冷設備)
      來源: | 作者:東啟特鋼 | 發布時間: 2022-05-13 | 48 次瀏覽 | 分享到:
      深冷處理對材料組織和性能的影響(模具鋼深冷設備)
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        深冷處理對材料組織和性能的影響(模具鋼深冷設備)

        

        隨著機械工業的不斷發展,對金屬材料的要求越來越高。如何在材料和熱處理工藝既定的前提下,盡可能地提高金屬工件的力學性能和使用壽命,已經成為很多處于熱處理行業前沿的人思考和探索的問題。

        

      模具鋼


        首先,這個問題:

        

        熱處理后,鋼的硬度和機械性能大大提高,但熱處理后仍存在以下問題:

        

        1.殘余奧氏體。比例大概在10%-20%左右。由于奧氏體非常不穩定,在受到外力或環境溫度變化時,很容易轉變為馬氏體。但奧氏體和馬氏體的比容不同,會造成材料的不規則膨脹,降低工件的尺寸精度。

        

        2.組織晶粒粗大,材料的碳化物被固溶體過飽和。

        

        3.殘余內應力。熱處理后的殘余內應力會降低材料的疲勞強度等力學性能,在應力釋放過程中容易導致工件變形。

        

        二.深冷工藝的優點:

        

        經過國內外許多金屬材料研究者的不懈研究,深冷和超深冷處理工藝被認為是解決上述問題的最佳方法,其優點如下:

        

        1.它將硬度較低的殘余奧氏體轉變為更硬、更穩定、耐磨性和耐熱性更高的馬氏體。

        

        2.馬氏體的晶界、晶界邊緣和晶界分解細化,析出大量超細碳化物。深冷處理過程中,過飽和馬氏體的過飽和度降低,析出的超細碳化物與基體保持共格關系,可使馬氏體的晶格畸變減少,降低微觀應力,而細小彌散的碳化物可阻礙材料塑性變形過程中的位錯運動,從而強化基體結構。同時,由于超細碳化物的析出,均勻分布在馬氏體基體上,削弱了晶界催化作用,基體組織的細化不僅削弱了雜質元素在晶界的偏析程度,還起到了強化晶界的作用。從而從三個方面提高了材料的綜合力學性能:提高了材料的韌性,沖擊韌性高,提高了基體的回火穩定性和抗疲勞性;耐磨性提高;尺寸穩定性得到改善。從而達到強化基體、提高熱處理質量、減少回火次數、延長模具使用壽命的目的。

        

        3.深冷處理后,材料內部的熱應力和機械應力大大降低,在冷卻過程中微孔或應力集中部位發生塑性流變,而在加熱過程中此類空位表面會產生壓應力,可以大大降低缺陷對工件局部性能的破壞,從而有效降低金屬工件變形和開裂的可能性。

        

        三.深冷工藝的生產及應用效果

        

        1.高速鋼冷作模具的深冷處理

        

        不同處理工藝對W6Cr5Mo4V2Co(M2)鋼中殘余奧氏體(體積百分比)的影響

        

        熱處理技術

        

        殘余奧氏體氬

        

        240℃淬火+560℃回火× 1h× 3次

        

        10-196℃深冷處理

        

        在冷處理過程中,大量的殘余奧氏體轉變為馬氏體,特別是過飽和亞穩馬氏體從-196℃到室溫會降低過飽和度,析出尺寸僅為20-60 a的超細碳化物,可以降低馬氏體的晶格畸變和微觀應力,細小彌散的碳化物可以阻礙材料塑性變形過程中的位錯運動,從而強化基體結構。同時,由于超細碳化物顆粒的析出,均勻分布在馬氏體基體上,削弱了晶界催化作用,基體組織的細化不僅削弱了雜質元素在晶界的偏析程度,還起到了晶界強化的作用,從而改善了高速鋼的性能,使硬度、沖擊韌性和耐磨性顯著提高。模具的硬度越高,耐磨性越好。比如硬度從60HRC提高到62-63HRC,模具的耐磨性會提高30%-40%。

        

        可以看出,經深冷處理后,模具的相對耐磨性提高了40%。長時間深冷處理后,相對耐磨性提高,硬度變化不大。舉個例子來說明:

        

        (1)沖頭:汽車廠高速鋼的沖頭不經深冷處理只能使用10萬次,但經-196℃×4h液氮超冷處理后400℃回火,壽命提高到130萬次。

        

        (2)沖壓凹模:生產應用結果表明,深冷處理后產量提高了2倍以上。

        

        (3)硅鋼片冷沖壓模具:為降低深冷處理后模具的脆性和內應力,深冷處理和中溫回火相結合,可提高模具的抗破壞性等綜合性能,模具磨削壽命可提高3倍以上,并穩定在5-7萬次。

        

        經過深冷處理或超深冷處理后,精密測量工具的尺寸穩定性和耐磨性顯著提高。

        

        2.H13鋼鋁型材熱擠壓模具的深冷處理

        

        H13(4Cr5MoSiV1)鋼是國外廣泛使用的一種熱作模具鋼。近年來,H13鋼在中國被廣泛用于制造鋁型材熱作模具。在生產過程中,鋁型材熱擠壓模具要經受高溫(4500-5200℃)、高壓和鋁的強烈摩擦。模具失效主要是由于磨損和熱疲勞,以及熱處理不當,導致早期失效(如斷裂、軟、塌、缺等因素)。目前國內模具平均使用壽命與國際先進水平還有一定差距。熱處理技術和表面處理技術的落后是模具使用壽命低的主要原因。H13合金鋼經深冷處理后,顯微組織有以下三種變化:1)部分甚至全部殘余奧氏體轉變為馬氏體;2)殘余奧氏體的結構相對穩定,其內部組織細化,因此得到強化,有助于韌性;3)提高了材料的韌性,沖擊韌性高;

        

        例子如下:

        

        測試工件是鋁擠壓模具。工件加工,但不精加工,按照模具常規熱處理工藝:1040℃淬火,580℃回火(兩次),滲氮。

        

        常規模具熱處理+深冷處理工藝:

        

        (1)1040℃淬火,580℃兩次回火,過冷(-196℃×24h ), 150℃×30分鐘回火,滲氮。

        

        (2)1040℃淬火,590℃兩次回火,過冷(-196℃×24h ), 100℃×30分鐘回火,滲氮。

        

        深加工工藝(2)兩套模具由鋁型材廠投入使用,結果一套模具生產出9.5噸合格型材,工廠認為效果良好。另一家鋁型材廠使用了工藝(1)的兩套模具,產能達到9.2噸/套。按生產的型材壁厚偏差0.1mm的質量標準,一般只能生產4-5噸鋁型材;深冷處理后的兩對模具已超過上述輸出水平。拉制的型材產品質量優良,主要表現在光潔度高,截面均勻性好。實驗結果基本表明,采用深冷處理工藝(1),H13鋼鋁型材的使用壽命可提高40%以上。

        

        3.Cr12MoV鋼冷鐓模具的深冷處理

        

        Cr12MoV鋼含碳量和含鉻量高,能形成大量高合金化程度的碳化物和馬氏體,使鋼具有較高的硬度和耐磨性。同時,鉻使鋼具有較高的淬透性和回火穩定性,鉬增加鋼的淬透性,細化晶粒,釩可以細化晶粒,增加材料的韌性,它可以形成高硬度的VC,進一步增加鋼的耐磨性。因此,Cr12MoV鋼是一種廣泛用于制造冷作模具的材料。

        

        以Cr12MoV鋼硅鋼片的沖頭為例;

        

        制造工藝:下料→鍛造→球化退火→機加工→最終熱處理→磨削。最終熱處理工藝為:1030℃淬火,220℃回火。雖然在加工前對毛坯進行了改造,但熱處理后的模具使用壽命并不高。

        

        (1)沖頭失效分析

        

        通過對26個失效沖頭的分析,發現模具失效的原因是劈裂和折斷,折斷位置基本在沖頭長度方向的中間,劈裂位置都在韌性接頭的底部。斷裂前后沖頭的尺寸和形狀沒有變化,斷裂過程中沒有發現塑性變形,均為脆性斷裂。失效沖頭化學成分:1.65C,0.36Si,0.30Mn,12.1Cr,0.46Mo0.23V,0.027S,0.026P金相組織:回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體,其中殘余奧氏體含量較大,碳化物大小不均勻,部分顆粒較大,大的碳化物有棱角。

        

        Cr12MoV鋼屬于萊氏體鋼。盡管大的共晶碳化合物在鍛造過程中被壓碎,但顆粒仍然很大且分布不均勻。這些粗糙且有棱角的碳化物降低了沖頭的強度和韌性。沖頭工作時承受較高的載荷,容易在角狀碳化物與基體的結合處萌生疲勞裂紋,并沿縱向向上發展??梢钥闯?,沖頭的早期失效主要是疲勞斷裂,疲勞斷裂的疲勞源主要在刃口和中部的角狀碳化物與基體的交界處。只有通過鍛造工藝和熱處理工藝改變大塊共晶碳化物的形態,才能提高鋼的強度和韌性。

        

        另外,低溫淬火回火后,顯微組織中殘留奧氏體較多,其含量約為30%以上,使模具的硬度和耐磨性不足。因為沖裁硅鋼片的沖頭需要鋒利的刃口,一旦在沖裁過程中刃口變鈍,沖孔邊緣就會產生毛刺,所以沖頭在使用中稍有鈍角就必須打磨修邊,同時沖頭的長度也縮短了。沖頭的長度減少到一定程度就會報廢,所以模具的使用壽命不高。除強化鍛造工藝外,在正常模具熱處理的基礎上增加了深冷處理工藝。深冷處理實際上是淬火的繼續,利用過冷來增加馬氏體相變的驅動力。隨著低溫溫度的降低,過冷度增加,殘余奧氏體向馬氏體的轉變更加完全。此外,深冷處理還能促進淬火后形成的馬氏體中析出超細碳化物,其數量和擴散程度明顯大于未經深冷處理的。這些從馬氏體中析出的高度彌散的碳化物可以提高基體的抗壓強度和沖擊韌性,即提高強度和韌性。這些碳化物的析出將顯著提高材料的耐磨性、耐熱性、硬度和其他性能。沖頭經1030℃油淬后,放入液氮中進行深冷處理,時間≤25分鐘;材料經深度處理后,在220℃回火。在沖裁同一批硅鋼片的條件下,對新工藝處理的52對沖頭與原工藝處理的沖頭進行了對比。經深冷處理的52副沖頭中,合格率達到95%以上,使用壽命提高了8倍。由于韌性和疲勞強度的提高,避免了沖頭的斷裂,顯著延長了沖頭的使用壽命,降低了電機用硅鋼片的生產成本,提高了工廠的經濟效益。

        

        四.深冷處理在制造業中的應用前景

        

        在模具制造過程中,模具的質量直接影響企業的經營狀況。采用深冷處理技術可以延長模具的使用壽命,增加企業的經濟效益。因此,低溫改性技術已在模具行業得到應用,并取得了良好的經濟效益,具有很大的實用價值。深度處理在航空航天、兵器、工程機械、道路橋梁、半導體、電器、計算機等領域有著廣泛的應用前景。


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