Cr12MoV鋼沖孔凹模熱處理工藝的改進*

鄧 想,杜 偉,李發闖,文秀海

(河南工學院 材料科學與工程學院,河南 新鄉 453003)

0 引言

Cr12MoV鋼具有淬透性好、熱處理變形小、硬度高及耐磨性好等優點,常用于制作受力較大、形狀復雜的冷作模具,如冷沖裁模、冷擠壓模、冷鐓模等。但Cr12MoV鋼韌性不夠好,在生產熱處理工藝要求比較高,如熱處理工藝不合理,就會造成模具的變形和開裂[1-4]。

某公司生產的扇形管過濾器骨架沖壓模具,其沖孔凹模就選用了Cr12MoV鋼。該件外形尺寸為600 mm×300 mm×30 mm,零件圖如圖1所示。該件的熱處理技術要求為淬、回火后的硬度至少達到56HRC,變形量不大于0.3 mm。其加工工藝路線為:下料→鍛造→球化退火→機加工→線切割孔→淬火+低溫回火→磨削。生產中,采用了常規淬、回火工藝:800—850℃預熱隨爐升溫至980±10℃保溫后油冷;回火溫度為170±10℃,保溫后空冷[5-7]。對凹模質量檢驗時發現其變形量為3—5 mm,超過了允許的變形范圍。

(a)剖視圖

模具材料、模具結構設計及模具熱處理工藝等均會引起模具變形,模具變形會影響沖壓件的尺寸精度。經分析,該件模具材料和模具結構設計沒有問題,而模具熱處理工藝對其變形有一定的影響,因此需對熱處理工藝進行分析與改進。

1 沖孔凹模檢測與分析

1.1 化學成分檢測與分析

沖孔凹模材質為Cr12MoV鋼,采用光譜分析法對其進行化學成分分析,分析結果如表1所示。

表1 Cr12MoV鋼的化學成分(質量分數,%)

由表1可知,該沖孔凹模材料的化學成分符合GB/T 1299—2014《工模具鋼》中Cr12MoV鋼的標準成分,即該廠家采購的Cr12MoV鋼屬于合格的原材料。

1.2 硬度檢測與分析

用HR-150A洛氏硬度計對采用原熱處理工藝生產的沖孔凹模5個不同的位置進行測定,硬度測試結果如表2所示。由硬度測試結果可知,該沖孔凹模熱處理后的硬度滿足其工作要求。

表2 Cr12MoV鋼的硬度值(HRC)

在沖孔凹模加工路線中,球化退火可以消除鍛造產生的應力;球化碳化物可降低硬度,改善切削加工性能,并為淬火做好組織準備;淬火+低溫回火可以獲得大量回火馬氏體,提高硬度與耐磨性,同時降低淬火應力和脆性[5]。

2 熱處理工藝分析

2.1 原熱處理工藝

原熱處理工藝中淬火加熱溫度為980℃,保溫后油冷;回火溫度為170℃,保溫后空冷。為縮短高溫下的加熱時間,防止加熱時產生變形和內應力,在820℃左右進行一次預熱。其工藝曲線如圖2所示。

圖2 Cr12MoV原熱處理工藝曲線

Cr12MoV鋼的相變溫度Ac1=810℃,Accm=1200℃,該沖孔凹模淬火時選擇在Ac1—Accm之間的980℃加熱,有助于Cr和Mo元素的溶解,提高Cr12MoV鋼的淬透性。鋼中的金屬化合物VC在1200℃以上才開始明顯溶入奧氏體,未溶的VC能顯著阻止奧氏體晶粒長大,使鋼既保持強韌性,又提高了硬度與耐磨性。當油冷至MS時,奧氏體轉變為馬氏體,比體積變大,且產生了相變應力,同時淬火時由于模具中心和邊緣的板厚不同,中心部分薄,冷卻速度快,邊緣厚度大,冷卻速度慢,會產生一定的熱應力,兩者的共同作用使內應力增加,導致工件變形量較大。其中一個沖孔凹模在原熱處理后的變形如圖3所示。由于Cr12MoV鋼碳的質量分數大于1.0%,淬火后得到片狀的高碳馬氏體,另外,因加熱過程有一部分合金元素溶入奧氏體,降低了馬氏體的MS和Mf,淬火后會得到一定量的殘余奧氏體,所以淬火后最后的組織為高碳馬氏體、碳化物和殘余奧氏體[7];170℃回火后,高碳馬氏體轉變為回火馬氏體。最終,經過熱處理后沖孔凹模的組織為回火馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體,具有一定的硬度和耐磨性。

圖3 沖孔凹模的變形線

2.2 改進后的熱處理工藝

改進后的熱處理工藝中淬火加熱溫度為1050℃,保溫后空冷至200—300℃左右開始邊校正邊冷卻;回火溫度為170℃,保溫后空冷,其工藝曲線如圖4所示。

圖4 Cr12MoV改進后熱處理工藝曲線

采用改進后熱處理工藝生產的沖孔凹模的硬度測試結果如表3所示,抽查5個工件進行變形量測定,最大變形量均小于0.3 mm。兩種熱處理工藝后沖孔凹模的最大變形量如表4所示。

表3 Cr12MoV鋼的硬度值(HRC)

表4 沖孔凹模的最大變形量(mm)

淬火加熱溫度為1050℃時,更多的碳化物逐漸溶解到奧氏體中,過冷奧氏體的穩定性增加,C曲線右移,獲得馬氏體的臨界冷卻速度降低。為減小內應力,采用比油冷速度慢的空冷方式進行冷卻,Cr12MoV鋼過冷奧氏體向馬氏體開始轉變的溫度MS=185℃,當冷卻至200—300℃,過冷奧氏體還沒有開始轉變為馬氏體,同時含有較多合金元素的過冷奧氏體相對穩定,在冷卻過程中轉變速度較慢。如過冷奧氏體的塑性好,沖孔凹模的塑性也好。此時用壓力機對沖孔凹模進行校正,校正時壓頭下方墊一長圓棒,從一端到另一端逐段進行,沖孔凹模下面兩支點之間的距離為250—300 mm,根據變形量對工件加以校正,兩支點每次同時向前移動約80 mm,如圖5所示。在校正的過程中不斷測量其變形量,直至變形量小于0.3 mm為止。這樣既完成了淬火工藝,又趁熱進行了校正,從而保證了零件的變形量,滿足技術要求。

圖5 沖孔凹模的校正

沖孔凹模淬火后進行170℃低溫回火,得到回火馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體組織,硬度超過58HRC,耐磨性好,同時減小了淬火應力,符合熱處理技術要求。

3 結論

1)Cr12MoV鋼沖孔凹模化學成分符合國家標準規定,采用原熱處理工藝和改進后熱處理工藝的硬度區分不大,均能達到技術要求。

2)原熱處理工藝淬火應力大,導致工件變形大。改進后的熱處理工藝淬火加熱溫度為1050℃,高溫加熱提高了過冷奧氏體的穩定性,沖孔凹模塑性也較好。空冷至200—300℃左右趁機進行校正,可滿足零件的變形要求。淬火后進行170℃低溫回火,既保持了淬火后的高硬度和高耐磨性,又減小了淬火應力。