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铬12模具钢的脆性与开裂风险研究

时间:2018-07-26 16:46来源:德松官网 作者:德松模具钢
模具钢的表面脆性开裂敏感性与其热处理工艺有着密切的关系,主要取决于自身的硬度、残留奥氏体量、力学性能数值等,因热处理工艺对这几种因素都不同程度的影响。
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开裂敏感性是材料的一项重要力学性能,这种性能对硬度高、脆性大的材料尤其重要。上半年德松模具钢委托第三方对表面化学热处理后渗层的脆性,即:开裂敏感性进行了一系列研究,例如对渗硼层表面脆性研究、对渗氮层表面脆性测量等,取得了不少重要结果。对于类似Cr12MoV模具钢这样硬度高、脆性亦大的工模具材料出现脆性开裂直至断裂的失效问题相当普遍。现有检测这类材料脆性开裂敏感性的方法较复杂、且分散性大。研究更为简便有效的方法已成为目前高硬度、高脆性材料研究的一个热点问题。
用类似于检测表面硬化层的方法检测这类材料的开裂敏感性是我们研究的主要目的。本次主要针对硬度约60HRC的Cr12模具钢研究经不同热处理工艺后材料表面开裂敏感性,并结合材料其他力学性能进行分析讨论。已有试验研究表明维氏硬度压痕法是一种简便易行的检测工模具钢表面开裂敏感性的方法,它对进一步开展这类材料的研究有重要的理论和实用价值。
 
▇ 研究材料和方法
● 试验材料及热处理工艺
试验用Cr12模具钢化学成分质量分数为(德松标准Cr12钢的金速元素比)。热处理工艺采用不同加热温度油淬后+冷处理( - 196 ℃) +200℃回火。本文仅讨论淬火温度分别为960℃、1000℃、1030℃、1060℃、1100℃的Cr12钢热处理后的表面开裂敏感性。
 
●  力学性能及残留奥氏体测定方法
常规力学性能数据在Instron1255型万能材料试验机上测得压缩试样10mm*20mm;弯曲试样10mm*10mm*120mm,跨距100mm;冲击试验用10mm*10mm*55mm无缺口试样在UT10型冲击试验机上进行。所有数据均取3~4个试样的平均值。残留奥氏体含量测定是在 D/ max rA 型X射线全自动衍射仪上进行。
 
●  表面开裂敏感性检测原理和方法
表面开裂测量方法和受力分析表面开裂敏感性检测的方法用维氏硬度试验法,用一个相对面间夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头在一定载荷下压入被测金属表面,经规定的保持时间后卸除载荷,然后在光学显微镜和扫描电子显微镜下观测压痕正方形边界的组织形态变化。由受力分析可知,只有当作用在边界(特别是四方形边角)的力大于材料局部区域开裂的门槛值时(它是由材料的属性决定的),就可能出现裂纹和破坏,从而就可以判断材料在一定条件下的表面开裂敏感性和开裂抗力。
 
▇  试验结果和分析
开裂检测是在布洛维硬度计上进行的,分别试用了5、10、15、20、30kg砝码的载荷。试样为15mm×10mm的金相试样,试样分别经960℃、1000℃、1030℃、1060℃、1100℃淬火 +冷处理 ( -196℃) +200℃回火。先将试样从粗磨到细磨直至机械抛光,然后用4 %硝酸酒精溶液侵蚀试样,侵蚀程度适中,每个试样分别用维氏硬度打3~5点。
 
●  残留奥氏体量和硬度( HV) 与热处理工艺的关系
淬火后200℃回火存在大量残留奥氏体,随淬火温度升高而增加,在1100℃淬火得大部分残留奥氏体(70 %)+残余碳化物组织。经冷处理可使部分残留奥氏体转变,残留奥氏体含量明显降低,例如1100℃淬火后经冷处理残留奥氏体含量从约70%下降到40%。可见Cr12模具钢在1030℃以下温度淬火后的硬度随淬火温度升高而增加,继续提高淬火温度由于增加了钢中残留奥氏体量使硬度下降。试验结果表明Cr12钢在1000~1030℃淬火可获得最高硬度值约820 HV 。
 
●  力学性能与热处理工艺的关系
用在不同温度淬火处理的Cr12钢试样测得的压缩屈服强度σsc、弯曲强度,Cr12钢的抗压屈服强度随淬火温度的升高,与硬度有相同的变化趋势,在1000~1030℃可获得最高值。Cr12钢的抗弯强度值随淬火温度升高而略有降低,Cr12钢的冲击功在1030℃以前增长趋势缓慢,之后随淬火温度升高而增加。
 
●  表面开裂敏感性结果
测维氏硬度考查表面开裂敏感性的显微形貌可以看出Cr12模具钢在1000℃、1030℃淬火后冷处理+200℃回火后的开裂敏感性较大,看到维氏硬度压痕对角线上有几个裂纹,裂纹走向既有沿晶裂纹,也有穿晶裂纹,一些碳化物也产生开裂。而Cr12模具钢在960℃以及1060℃、1100℃淬火处理的试样表面开裂敏感性小,可以看到维氏硬度压痕对角线完整无裂纹。用此方法测量整体材料与表面硬化层结果完全不同,后者因为表面与基体材料性质不同,表面材料更脆而出现表面层粉碎性开裂,或者脱落现象。
 
▇  分析
从以上结果综合分析可以看出Cr12模具钢的表面开裂性能与材料的组织密切联系。残留奥氏体量是随淬火温度的升高而增加,经冷处理可使部分残留奥氏体转变,残留奥氏体量明显降低。Cr12模具钢的硬度在1030℃以下温度淬火,随淬火温度升高而增加,在1000~1030℃淬火可获得最高硬度。Cr12模具钢的抗压屈服强度随淬火温度的升高与硬度有相同的变化趋势。弯曲强度随淬火温度升高而略有降低,Cr12模具钢的冲击韧度值随淬火温度升高而增加,1030℃以前增加缓慢。从表面开裂敏感性试验结果可以看出开裂试样分别是1000℃、1030℃,淬火后并200℃回火试样,与其他3种工艺(分别是960℃、1060℃、1100℃淬火)未开裂试样相比,可以得出开裂试样的硬度值最高,残留奥氏体量相对较低,弯曲强度值较低,这种状态下试样的脆性大,表面开裂敏感性也大。高硬度试样的表面开裂变化规律与其硬度、抗压强度及冲击韧度值变化规律较好吻合,所以维氏硬度压痕法可以作为检测材料表面脆性开裂性能的一种新方法。
 
▇  结论
Cr12模具钢的表面脆性开裂敏感性与其热处理工艺有着密切的关系,主要取决于自身的硬度、残留奥氏体量、力学性能数值等,因热处理工艺对这几种因素都有影响,所以可以通过调整热处理工艺控制Cr12模具钢的开裂敏感性。
Cr12模具钢在1000℃、1030℃温度淬火后冷处理并200℃回火,其表面脆性开裂抗力小于在960℃、1060℃、1100℃淬火后冷处理并200℃回火,并且表面呈现穿晶裂纹或沿晶裂纹。维氏硬度压痕法可以做为判断Cr12模具钢开裂敏感性的一种简便易行的方法。
 
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