提高gcr15钢冷冲模具使用寿命的研究.pdf

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1、提高?门?钢冷冲模具使用寿命的研究西安工业学院周受娜?摘典】作者试验研究了? ?钢冷冲模具,经高温固溶碳化物细化预处理,和 四次循环加热淬火后的强韧性及其使用寿命。结果表明,碳化物和奥氏体双细化工艺,可获得? 卜?的碳化物,奥氏体 晶粒度为刊级,且增加了位错马氏体的相对数量,显著地改善了? ? ?钢的塑性和韧性,能有效地防止? ?钢冲头的早期脆断。生产考核表 明,? ?钢冷冲模具采 用双细化工艺,使用寿命提高?倍。? ?,? ? ? !? ? ? ? ?的? ? ? ?七? ?甲?一? ?泣?爪?心? ? ?一? ? ?了? ? ?让?、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?及? ?呈?

2、?里?一?卜?,? ? ? ?位?吐? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?了 ?一。?! !#!%? & ()& ? !+ ,# !?& ! .!&! /& 0.#& .?#, itwasa五。,nt五atb 了 thisdo ub lerefin*ngproees s,it,5se r丫ie elifee ane extendedsixtimes.一、前言目前,许多工厂用G cr1 5钢制 造中小型冷冲模具,由于韧性不 足,使用中常发生早期脆断,模具材料消耗增加。例如西安某厂生产波浪形轴承保持架,冲孔用的G cr1 5钢冲头(见图1),按常规工艺处理后,一般平均寿命仅有2000件。所以在

3、不降低强度和耐磨性 的情况下,研究提高模具韧性的强韧化处理工艺,有一定实际意义。碳化物和奥氏体双细化工艺,近十几 年来国内外相继开展了许多研究工作i3,在提高轴承零件的接触疲劳寿命方面取得比较明显的效果。我们根据G crl s钢 冷 冲模具的服役条件,结合现场生产在他人工作的基础上,采用盐浴炉进行高温固溶和循环加热淬火双细化工艺试验,对不 同的工艺参数及热处理效果作了分析对比,并在生产中进行了验证。闷卜 N.人心,卜寸 卜卜O洲勺l06呻刁冲. 炸a C一一一,:。卜工口一勺洲到一. 55士“。之3 9图1冲头简图56M。A.Greenfie lde tal, Metall。trans,V0

4、13,!9 72,26492659F. CHoldeneta l( (Tran日。AIME) )Vol2001954, 16978HaroldMargolin etVol14 A, 1 982, 204 3T,JIT P E H O r H HA.4, 7677 73.al一Metall.trans,中M M, 1982,2 6二、试验方法1.试验用钢及冶金质,试验用G cr1 5钢的化学成分如表1,冶金质量见表2,原始组 织为球化退火组织。裹1试验用钢的化学成分吵( %)1。1620。240.280.004!0.009裹2冶金质t检查结 果位状珠光体碳化物不 均 匀性网状带状非金属夹杂物氧化

5、物 l硫化物点状1级处理3 h。断裂韧性试样断口用T sM一1型扫描电镜观察。4.机械性能洲试用 1 0t万能试验机测定。“、挠度f,试样为中 1 0x120ol u。用6 t一次摆锤冲击弯曲试验机测定。,试 样为10x10x55m I U无缺口。用三点弯曲试验测定断裂韧性K:。,用10x20x84(跨距som m)及xsx30x132(跨距12om。)的三点弯 曲标准板状试样。先在Pw3一1 0型高频疲劳试验机上预 制疲劳裂纹,然后在IOt材料验试机上压断。2级2级 2级 ,级 1。艳2.热处理 工艺中1 6x1 5I n。试样碳化物细化预处理高温固溶加热,用高温盐浴炉,等温冷却及高温回火用

6、中温盐浴炉和硝盐浴炉。循环快速加热用C一10 0型盐浴炉,淬火冷却用 8 0以下的 2 0号机油,低温回火用油浴炉。3.金相组织 及 断口分析显微组织显示,珠光体用4%苦味酸酒精溶液侵蚀,其余组织用4%硝 酸酒精溶液侵蚀。奥氏体晶粒用苦味酸( 5g)+1 2烷 苯基黄酸钠(4 9)+HZo(10001)+HZoZ(少量)的棍合侵蚀剂。奥 氏体晶粒度按YB 27一6 4标准评定。马 氏体形态、精细结构的分析用JEM-2 0OCx型透射电镜,由弯曲试样上切 取试片。碳化物平均直径的测定,用塑料一碳二级复型,在D x一20 1型透射电镜上观察,在 500。倍电镜照片上直接测定同样大 小面积上的碳化物

7、。取每颗碳化物的长径与短径的平均值。残留奥氏体的测定采用磁性法。在弯断后的弯曲试样上切取中10x3Om m试 样。标样经8 45加热淬油后,立 即进行一8 0“c冷三、热处理工艺及显微 组织分析热处理工艺见图2。其中A、 B为双细化工艺,D为常规工艺,c为探讨组织遗传所进行的试验工艺。1.工 艺A及钢的 显微组织为了细化G crl s钢中的碳化物,首先应使其全部溶解。碳化物全部固溶的温度为10401050“ C1,加热保温时 间)30min,在640一650, C等温Zomin,随 后空冷,得到细小均布的细片状珠光体,如图3。其片间距为0.4 0卜m。高碳钢循环 加热淬火温度是根据淬火后硬度制

8、定的4。Gcr1 5钢加 热 淬 火常用845OC,但循环加热温度要比常规的低一 些。另外,快速加热温度还与原始组 织形态 有关,原始组织较粗,温度应高些,原始组织较细,温度可低些。试验中采用82 0Oc循 环加热淬火,加热速度 2 0。30 0/mi n,硬度达HR C6 264。经四次循环加热淬火后,奥氏体晶粒度达1 4级,如图4。四次 循环加热淬火,除使奥氏体超细化外,还得到极好的显微组织,如图5。由于碳化物细化,淬火加热时溶解速度较快,加速 了奥氏体均匀化,因而显著改善了轴承钢常 规淬火时 因墓体组织不均 匀造成的“黑 自区”特征。另外,208 082 2 2 U U U10 40 1

9、0 5 0 ) ) ) ) ) ) )i i i0今 0习10 50 丽卿: 5:3。820160 120磊C印梅喃协r、 嚓叫酬|.时户马, ml几图2热处理工艺K5000 (复型) x500图3工艺A预处理钢的组织注、B图中悴火加热退度应为(珠光体片部) 1040、 050图4工艺A四次(。 d)循环加热神 火后奥氏体晶粒细化情况X500由于快速加热使奥氏体形成温度提高,使形成的奥氏体含碳量降低, M,点 升 高,淬火后易获得较多数量的位错马氏体。金属薄膜透射电镜观察到互相缠结成团的、高密度位错构成的黑色 网络胞状组织,及少量密集而平行的孪晶条痕。在板条马氏体界面及片状马氏体周 围,存在着

10、片状分布的残留 奥氏体,见图6。图5工艺A处理钢循环四次淬火后的组织x5002.工艺B及 钢的显 微组 织Gcr15钢高温固 溶 后在 . 640650o C等温,可获得细小均匀的片状珠光体。对于高碳钢预处理组织,总希望得到粒状珠光体。工艺B采用贝氏体等温淬火后高温回火预处理,获得了 回火索氏体,见图7。其碳化物平均直径为0.32卜 m。因贝 氏体转变不完全,等温后空冷可产生马 氏体,易变形、开裂,故等温后不 冷却,直接进行高温回火。文献d指出,循环加热淬火,可 在同温度多次循环,也可用逐次降温多 次循环。工艺B采用了由86082 0Oc,每 次降低1 5Oc的四次循环加热悴火,与同样温 度8

11、 20下循环四次淬火的,其细化效果相近,处理后奥氏体晶粒度达1 4级,见图8。 B工艺处理后钢的组织见图g。3.工 艺C及 钢的显 徽组织工艺c的预处理同工 艺B。如果材料有组织遗传现象时,则循环加热淬火不能使晶粒细化。为了解GC rl s钢是否存在组织遗传性, 第一次循环加热温度选用8900C,奥氏图6工艺A处理钢的薄膜透射龟镜赚片卜又5 0 D0 0.孪晶马 氏体与位错马氏体b)大盘仪错亚结构的板条马 氏体卜图7工艺B预处理钢 的组织 x500b )x500O0(发型)图8工艺B处理 钢四次循环加热后奥氏休细化情况x50 0a一860,b一845,。一830,d一820体晶粒为6级。第二次

12、加热用8 45OC,将原来粗大的奥氏体细化到8级,经830OC和820OC第三和第四次循环加热后,奥氏体晶粒度达1 3级。由此表明,Gc rl s钢没有组 织遗传性。与图8比较,可以看出,对于细晶粒钢第二次循环加热就可取得明显 的细化效果,对于粗晶粒钢,则要较多次循环加热才能显著细化。4.常规工艺及铆的显徽组织原始组织经球化处理,碳化物平均直径为0.外m。经845淬火,奥氏体晶粒度 为 8级。淬火组织中因基体浓度不均匀,造成了明显的“黑白区,如图1 0所示。在混合马氏体中以孪晶马氏体为主,低温回火后由马氏体中析出的。一F.二 c相互垂直分布在马氏体基体中。图9田10工艺B处理钢循环四次淬火组织

13、x50 0常规工艺淬火俐的组织x500四、机械性能试验 结果及分析四种工艺处理的G cr 15钢,机 械性 能测试结果如表3所示。经双细化处理后,强度,硬度稍有降低,但塑性、韧性均有提高。其中KI。提高幅度很大,其原 因是显微组织及其形态的变化,导致了断裂机制改变。1.马 氏体 形态及 亚结构的影晌轴承 钢常规工 艺淬火后,由于奥氏体基体浓度不均匀,得到的是细片状马 氏体和少量隐品马 氏体,亚结构以孪晶为主,回火时“一Fe xC沿孪晶面析出,呈不均匀 分布,增加了脆性。同时片状马 氏体易产生显微裂纹,裂纹尖端有较大应力集中,裂纹常沿孪晶面发生准解理脆性断裂。采用 双细化 工艺,不仅能使晶粒细化

14、,而且增加了位错马氏体数量。位错马 氏体的韧性比孪晶马 氏体好,已为人们所熟知。K, 。试样断目扫描电镜微观分析表明,经双细化工 艺处理的,是准解理韧性断裂。常规工艺处理的则是准解理脆性断裂。2.碳化物细化 的影响 G Cr1 5钢淬火后般都要保留一定数量的碳化物。一则为 了增加耐磨性,另外可减少奥氏体含碳量,以便获得较多的板条马氏体。但碳化物影响钢的韧性,特别是当碳化物呈大块状、不均匀分布时,常常是裂 纹源,促使裂纹扩展。经细化处理后,碳化物,尺寸显著减小且均匀分布,明显改善了它对韧性的有害影响。同时,碳化物细小还促使了奥氏体细化及其成分的均匀性,有利于消除淬火组 织的“黑白区”。另外,细小

15、均 匀分布的碳化物,还有弥散强化作用。3.奥氏体晶粒细化的影 响循环加热淬火,可使奥氏体 超细化,经四次循环后可达1 4级 的超 细品粒度。按-H a ll一Pet比公式,品粒越 细小,在 外 力作用下,塑性变形的扩展受到 品界的阻碍作用愈大,有利于提高强度。另外,品粒 愈小,裂纹穿越晶界扩展消耗的功愈多,钢材的韧性也愈好。细化晶粒可 同时改善强度和韧性。因此,获得细小晶粒一直是热处理领域中的重要研究课题。4.残留奥氏体 的影晌轴承钢中的残留奥氏体,有增加塑性、韧牲、缓和应力集 中、延缓裂纹扩展,提高静弯曲强度等作用。但也有降低硬度的不利影响。在轴承钢中有适量的残留奥氏体,与硬度高、脆性大的马

16、 氏体共存时,既 可提高钢的强度,又可提高韧性。当残留奥氏体成薄片状分布在板条马 氏体板条间和片状马氏体周 围时,能显著提高衰3碳 化物G01 5钢机械性能试验结果奥 氏体 晶拉度硬度机械性能。 。l 。二, e断口特征(卜m)l(级)I(HR C)(胜g鉴、】 J J I一,沂织组徽显工艺(卜m)emZ)mma/2)板 条M为主A夕1 4. 1 2%余为K板 条M为 主A左1 5. 1 4%余为K板条M为主A夕1 8. 1 4%余为K6263344。2122。6862 63336。7171。761 62336。8110。6。一6 3 6 4 1 3 5 6。459.33准解 理韧性断口,有许

17、多撕 裂梭 和韧窝,浅嫩坑 型断口准 解理脆性 断口,沿晶间断,宏观断口平 清卜一卜一沙M一马氏体月刀一残佘奥氏体K一碳 化物强韧性。因为残 留奥氏体存在,能使材料断裂时吸收的能量增加,同时使裂纹延展方 向发生分叉,沿马 氏体发展的裂纹一旦达到马氏体和残留奥氏体界 面,裂纹即停止发展。若再加大载荷,裂纹将分叉绕过残留奥氏体才能继续发展。这表明,残留奥氏体增加了材料抵抗裂纹扩展能力,同时还可减缓板条马氏体间密集排列位错前端的应力集中。对于片状马氏体,则可缓和马 氏体中显微裂纹和孪晶所引起的应力集 中,降低裂纹发展速度,显著提高断裂韧性。当残留奥氏体沿原奥氏体晶界呈 网状或块状分布时,则对钢的强韧

18、性不利。在外力作用下,晶界上网状或大块状残留奥氏体一首先大量塑性变形,降低了屈服强度和弯曲疲劳强度,大量塑变的残留奥氏体与马氏体交界处,会产生较大的应力集中,很快形成裂纹,并沿两 相 晶 界发展,出现大量晶间断裂。经四次循环加热淬火后,残留奥氏体量不仅增多,且成片状均匀分布在板条马氏体板条间及片状马氏体周围,对强韧性有较大贡献。所以,碳化物及奥氏体双细化处理后,不仅细化了晶粒,而且马 氏体与残留奥氏体形态、分布和匹配 良好,使Kl。大 幅度提高。并由准解理的脆性断裂变为准解理的韧性断裂。五、改进冲头热处理工艺的生产考核根据表3机械性能试验结果对比及生产考核表明,工艺A、 B均优于工艺D,但考虑

19、到工艺A比工艺B更适合生产中 应用 推广。从工艺c的晶粒细化效果及强韧 性 来看,都比工艺A、 B差,不适于模具生产应用。六、结论(1)GCrl s钢没有组织遗传现象,用碳化物细化预处理和四次循环加热 淬 火工艺,碳化物和奥氏体进行双细化处理,可使碳化物尺寸细化到0.3林 m,奥氏体晶粒度达1 4级,且淬火后能获得较多的板条马氏体及形态、分布良好的残留奥氏体,并能改善常规悴火的.黑 白区”。因而在硬度、强度基本保持不变的情况下,断裂韧性提高23倍。(2)双细化工艺用于处理冷冲模具,可取得满意的强韧化效果,防止 了早期脆断,延长了使用寿命。(3)循环加热淬火,在循环次数一定时,加热速度越快,加热

20、温度越低,则细化效果越好。随循环次数增加,晶粒细化到一定程度后不再有细化效果,一般循环加 热34次。(4)应用循环加热淬火时,为得到满意的强韧化效果,原始组 织应进 行细化预处理。原始组织中碳化物愈细小、弥散、均匀分布,对奥氏体晶粒细化作用愈大。按常规工艺D处理的冲头,在冲轴承波浪形保持架的孔时,除少数 因装配或操作不当损坏外,其失效形式均为折断,平均寿命约2000件,未出现磨损失效,故属早 期脆断。采用双细化工艺(工 艺A和B)处理的冲头,失效形式虽也是折断,但由于强韧性提高,其平均寿命为1400。件。,考文献1cASt王ekels,Mef Tran一,1974, 5,8652e.A.stiekel。等,芙国专利, No. 4, 0 23-988, 19 77一 5一 1 74李超 等:GCr1 5钢碳化物细 化处理 及对接触 波劳性能的影响, 19794KAGran ge,MetTrans,1971, 2,6578