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    1. 鉻12模具鋼表面脆性與開裂性的研究

      日期: 2018-11-29  來源:51模材  點擊數:  

        開裂敏感性是材料的一項重要力學性能,這種性能對硬度高、脆性大的材料尤其重要。據了解,一些機構對表面化學熱處理后滲層的脆性,即:開裂敏感性進行了一系列研究,例如對滲硼層表面脆性研究、對滲氮層表面脆性測量等,取得了不少重要結果。對于類似Cr12MoV模具鋼這樣硬度高、脆性亦大的工模具材料出現脆性開裂直至斷裂的失效問題相當普遍?,F有檢測這類材料脆性開裂敏感性的方法較復雜、且分散性大。研究更為簡便有效的方法已成為目前高硬度、高脆性材料研究的一個熱點問題。


        用類似于檢測表面硬化層的方法檢測這類材料的開裂敏感性是我們研究的主要目的。本次主要針對硬度約60HRC的Cr12模具鋼研究經不同熱處理工藝后材料表面開裂敏感性,并結合材料其他力學性能進行分析討論。已有試驗研究表明維氏硬度壓痕法是一種簡便易行的檢測工模具鋼表面開裂敏感性的方法,它對進一步開展這類材料的研究有重要的理論和實用價值。


      鉻12模具鋼表面脆性與開裂性的研究


        ▇ 研究材料和方法


        ● 試驗材料及熱處理工藝


        試驗用Cr12模具鋼化學成分質量分數為(德松標準Cr12鋼的金速元素比)。熱處理工藝采用不同加熱溫度油淬后+冷處理( - 196 ℃) +200℃回火。本文僅討論淬火溫度分別為960℃、1000℃、1030℃、1060℃、1100℃的Cr12鋼熱處理后的表面開裂敏感性。


        ● 力學性能及殘留奧氏體測定方法


        常規力學性能數據在Instron1255型萬能材料試驗機上測得壓縮試樣10mm*20mm;彎曲試樣10mm*10mm*120mm,跨距100mm;沖擊試驗用10mm*10mm*55mm無缺口試樣在UT10型沖擊試驗機上進行。所有數據均取3~4個試樣的平均值。殘留奧氏體含量測定是在 D/ max rA 型X射線全自動衍射儀上進行。


        ● 表面開裂敏感性檢測原理和方法


        表面開裂測量方法和受力分析表面開裂敏感性檢測的方法用維氏硬度試驗法,用一個相對面間夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭在一定載荷下壓入被測金屬表面,經規定的保持時間后卸除載荷,然后在光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡下觀測壓痕正方形邊界的組織形態變化。由受力分析可知,只有當作用在邊界(特別是四方形邊角)的力大于材料局部區域開裂的門檻值時(它是由材料的屬性決定的),就可能出現裂紋和破壞,從而就可以判斷材料在一定條件下的表面開裂敏感性和開裂抗力。


        ▇ 試驗結果和分析


        開裂檢測是在布洛維硬度計上進行的,分別試用了5、10、15、20、30kg砝碼的載荷。試樣為15mm×10mm的金相試樣,試樣分別經960℃、1000℃、1030℃、1060℃、1100℃淬火 +冷處理 ( -196℃) +200℃回火。先將試樣從粗磨到細磨直至機械拋光,然后用4 %硝酸酒精溶液侵蝕試樣,侵蝕程度適中,每個試樣分別用維氏硬度打3~5點。


        ● 殘留奧氏體量和硬度( HV) 與熱處理工藝的關系


        淬火后200℃回火存在大量殘留奧氏體,隨淬火溫度升高而增加,在1100℃淬火得大部分殘留奧氏體(70 %)+殘余碳化物組織。經冷處理可使部分殘留奧氏體轉變,殘留奧氏體含量明顯降低,例如1100℃淬火后經冷處理殘留奧氏體含量從約70%下降到40%??梢奀r12模具鋼在1030℃以下溫度淬火后的硬度隨淬火溫度升高而增加,繼續提高淬火溫度由于增加了鋼中殘留奧氏體量使硬度下降。試驗結果表明Cr12鋼在1000~1030℃淬火可獲得最高硬度值約820 HV 。


        ● 力學性能與熱處理工藝的關系


        用在不同溫度淬火處理的Cr12鋼試樣測得的壓縮屈服強度σsc、彎曲強度,Cr12鋼的抗壓屈服強度隨淬火溫度的升高,與硬度有相同的變化趨勢,在1000~1030℃可獲得最高值。Cr12鋼的抗彎強度值隨淬火溫度升高而略有降低,Cr12鋼的沖擊功在1030℃以前增長趨勢緩慢,之后隨淬火溫度升高而增加。


        ● 表面開裂敏感性結果


        測維氏硬度考查表面開裂敏感性的顯微形貌可以看出Cr12模具鋼在1000℃、1030℃淬火后冷處理+200℃回火后的開裂敏感性較大,看到維氏硬度壓痕對角線上有幾個裂紋,裂紋走向既有沿晶裂紋,也有穿晶裂紋,一些碳化物也產生開裂。而Cr12模具鋼在960℃以及1060℃、1100℃淬火處理的試樣表面開裂敏感性小,可以看到維氏硬度壓痕對角線完整無裂紋。用此方法測量整體材料與表面硬化層結果完全不同,后者因為表面與基體材料性質不同,表面材料更脆而出現表面層粉碎性開裂,或者脫落現象。


        ▇ 分析


        從以上結果綜合分析可以看出Cr12模具鋼的表面開裂性能與材料的組織密切聯系。殘留奧氏體量是隨淬火溫度的升高而增加,經冷處理可使部分殘留奧氏體轉變,殘留奧氏體量明顯降低。Cr12模具鋼的硬度在1030℃以下溫度淬火,隨淬火溫度升高而增加,在1000~1030℃淬火可獲得最高硬度。Cr12模具鋼的抗壓屈服強度隨淬火溫度的升高與硬度有相同的變化趨勢。彎曲強度隨淬火溫度升高而略有降低,Cr12模具鋼的沖擊韌度值隨淬火溫度升高而增加,1030℃以前增加緩慢。從表面開裂敏感性試驗結果可以看出開裂試樣分別是1000℃、1030℃,淬火后并200℃回火試樣,與其他3種工藝(分別是960℃、1060℃、1100℃淬火)未開裂試樣相比,可以得出開裂試樣的硬度值最高,殘留奧氏體量相對較低,彎曲強度值較低,這種狀態下試樣的脆性大,表面開裂敏感性也大。高硬度試樣的表面開裂變化規律與其硬度、抗壓強度及沖擊韌度值變化規律較好吻合,所以維氏硬度壓痕法可以作為檢測材料表面脆性開裂性能的一種新方法。


        ▇ 結論


        Cr12模具鋼的表面脆性開裂敏感性與其熱處理工藝有著密切的關系,主要取決于自身的硬度、殘留奧氏體量、力學性能數值等,因熱處理工藝對這幾種因素都有影響,所以可以通過調整熱處理工藝控制Cr12模具鋼的開裂敏感性。


        Cr12模具鋼在1000℃、1030℃溫度淬火后冷處理并200℃回火,其表面脆性開裂抗力小于在960℃、1060℃、1100℃淬火后冷處理并200℃回火,并且表面呈現穿晶裂紋或沿晶裂紋。維氏硬度壓痕法可以做為判斷Cr12模具鋼開裂敏感性的一種簡便易行的方法。


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