模具制造业是高技术密集型产业，模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。据统计，金属零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，模具被誉为“工业之母”。模具用材料体系包括各类模具钢，钢结硬质合金以及新型材料70余种。其中Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9SiCr、GCr15、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等钢种是模具生产中常用的材料，约占80%。模具的失效可分为非正常失效和正常失效。非正常失效是指模具未能达到一定工业技术水平下所公认的寿命就无法继续服役的失效，也称模具的早期失效。其形式有塑性变形、断裂、局部严重磨损等；正常失效是指模具经长时间服役，因缓慢塑性变形、蠕变、均匀磨损以及疲劳断裂，致使其不能继续服役而造成的报废。实践证明，模具的淬火变形与开裂，使用过程中的早期断裂、变形、磨损等虽与材料的冶金质量、锻造、加工有关，但与热处理关系更大。根据失效原因的分析统计，热处理不当引起的失效占50%以上。合理选择热处理工艺可以使模具达到微变形、高性能和高寿命，因此热处理工艺的发展是提高模具质量的重要保证。本文针对几种常用的模具钢在加工和使用过程中的自行开裂和早期失效的现象，探索热处理工艺对其寿命的影响，旨在使用这些材料制备的模具今后有更高的寿命和可靠性。

 

1、 试验材料及方法

 

    本文选取的材料分别为T8、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、9SiCr，这些钢材价格较为适中，性能基本能够满足60%～80%的模具生产需求。其主要化学成分如表1所示。

 

      热处理对模具寿命的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处理质量不良两个方面。因此，正确制定热处理工艺,提高产品热处理质量，对延长模具使用寿命起着关键作用。热处理的最终目的是使模具有良好的表面质量和强度、塑性和韧性的合理配合。本实验选取的5种材料，主要是在它们传统的热处理工艺(表2)上进行优化。

 

 

     在HT-2402材料试验机上分别按照国标GB 6397-86和GB 14452-93进行静拉伸和弯曲实验，在摆锤冲击试验机上按照国标GB 2106-80做冲击韧性实验。分别测试材料的屈服强度(σ0.2)、抗拉强度(σb)、伸长率(δk) 、抗弯强度(σbb)和冲击韧度(aKV)，用洛氏硬度计分别测量在供货态、常规热处理和优化热处理下试样的硬度。    

 

     在XJL-03型金相显微镜下观察热处理前后试样的金相组织，用4%的硝酸酒精腐蚀。在JSM-6700F型的扫描电镜下分析在拉伸、弯曲和冲击试验下各试样的断口形貌。

 

2、 试验结果及分析

 

2.1 金相组织分析

 

      图1为5种模具材料在供货态及优化热处理态下的金相组织照片。可以看出：在供货态下，T8钢的组织为细片状珠光体+极少量呈断续网状分布的铁素体。由于碳含量偏下限，故在退火冷却时沿晶界析出极少量铁素体。CrWMn 基体为索氏体+细片状珠光体及部分细球状珠光体，白色细小颗粒为二次碳化物。9SiCr的组织为细片状珠光体+铁素体。Cr12MoV基体为索氏体及块状共晶碳化物，稍大的颗粒为二次碳化物。GCr15基体为细片状珠光体及少量细粒状珠光体和部分碳化物颗粒。经优化热处理后，T8钢的基体为回火高碳马氏体+少量残余奥氏体(白色)；晶界处的黑色团状为回火屈氏体，由于试样冷却速度不足，因此在冷却过程中析出屈氏体组织(又称极细珠光体)。CrWMn的基体为回火细马氏体，白色细小颗粒为二次碳化物，碳化物分布较为均匀。9SiCr的组织为细的回火针状马氏体， 白色颗粒状为未溶解的碳化物，分布均匀。Cr12MoV的基体为回火马氏体，少量残余奥氏体，白色大块状为共晶碳化物，细小颗粒为二次碳化物，在基体上尚有少量回火不充分的马氏体(呈浅黄色)。GCr15的组织为回火马氏体及细小颗粒状碳化物， 马氏体的亮区明显比黑区多，属正常淬火、回火的显微组织。这与文献中的典型组织基本一致。

 

2.2 力学性能分析

 

     表3为5种模具材料热处理前后力学性能的测试结果。可以看出，热处理前GCr15的屈服强度和抗拉强度最大，然后依次为T8、CrWMn、9SiCr、Cr12MoV。其中9SiCr的屈服强度比Cr12MoV大，但抗拉强度却最小。这与它们的退火组织有关，9SiCr的组织为细片状珠光体+铁素体，Cr12MoV的组织为索氏体及块状共晶碳化物，稍大的颗粒为二次碳化物。所以9SiCr的屈服强度比Cr12MoV大，但抗拉强度却最小。而GCr15的组织为细片状珠光体及少量细粒状珠光体和部分碳化物颗粒，所以屈服强度和抗拉强度最大。

 

      热处理后Cr12MoV有最大的冲击韧度值，然后依次为9SiCr、CrWMn、GCr15和T8，说明Cr12MoV钢对缺陷的敏感程度低，有较好的塑韧性。这是因为C12MoV的基体为回火马氏体，少量残余奥氏体，白色大块状为共晶碳化物，细小颗粒为二次碳化物， 在基体上尚有少量回火不充分的马氏体(呈浅黄色)。由弯曲曲线还可知GCr15最先断裂，其他依次为9SiCr、Cr12MoV、CrWMn，T8钢最后断裂。再者T8钢的抗弯强度最大，然后依次为CrWMn、Cr12MoV、9SiCr、GCr15。这是因为T8钢的基体为回火高碳马氏体+少量残余奥氏体(白色)；晶界处的黑色团状为回火屈氏体，使得T8钢在脆断前产生颈缩后聚集的塑性变形，导致它的抗弯强度的提高。

 

2.3 断口形貌分析

 

     热处理前的拉伸试样断口的微观形貌如图2所示。韧窝上有一些撕裂棱，这属于韧性断裂。

     图3和图4分别为热处理后的弯曲试样和冲击试样断口的微观形貌， 断口上有大量短而弯曲的撕裂棱，也能看到舌状花样，这属于脆性断裂。

 

 

3、 结语

 

      (1) 5种模具材料优化后的热处理工艺及性能是，Cr12MoV经1010℃淬火、200℃回火后的硬度为63HRC；T8经785℃淬火、200℃回火后的硬度为61HRC；CrWMn经835℃淬火、200℃回火后的硬度为60.2HRC；9SiC 经865℃淬火、200℃回火后的硬度为61 HRC；GCr15 经835℃淬火、200℃回火后的硬度为61.5HRC。

 

     (2) 5种模具材料热处理前(退火状态下)的组织结构为珠光体和粒状碳化物，断口形貌为韧性断裂，热处理后的显微组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体，断口形貌为大量短而弯曲的撕裂棱加局部韧窝。

 

 

来源：西安理工大学

关键词： 模具材料热处理 显微组织