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提高3Cr2W8V钢压铸模具寿命的热处理工艺研究(图)

作者: 来源: 发布时间:2009-6-8 9:58:20  点击数:3653

 

3Cr2W8V钢是目前广泛应用的压铸模具钢,内蒙古某电机厂的电机转子铝压铸模具 就是采用此种钢制造。模具外形如图1所示,压铸是在130吨压铸机上进行。模具型腔 面与高温铝液频繁接触,承受由于反复加热与冷却而产生的交变应力作用。同时,型腔承 受很大的挤压、冲击和摩擦,模具工作条件极为苛刻。在此种工作条件下,模具的失效方 式为粘铝、龟裂和早期服裂,致使模具寿命不高。模具的早期脆裂是失效的主要矛盾,模 具的硬度和强度指标过高以及韧性不足是导 致早期脆裂的原因。为了提高模具的寿命, 必须提高3Cr2W8V钢的综合性能,对此,我 们进行了研究。

1 试验方法

试验材料为3Cr2W8V钢,其成分为:0.376%C,2.40%Cr,8.10%W,0.4%V, ≤0.4%Si,≤0.4%Mn。

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本试验采用10×10×55(mm)标准梅氏冲击试样。抗粘铝和热疲劳试样尺寸如图2 所示。用JB30冲击试验机、HR—150洛氏硬度计、HB—3000布氏硬度计、Instron—1251 型电液伺服万能材料试验机测定冲击韧性、 硬度、断裂韧度等指标。用电阻加热炉(内放 铝坩埚)加热到700℃,随后水冷的方式进行 热疲劳试验。 Neophot型金相显微镜观察球 化退火组织,用DS—III型扫描电镜观察断裂 韧度试样断口形貌。

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2 试验结果及分析

2.1 气体氮碳共渗对抗粘铝和热疲劳性能的影响

将热疲劳试样校正常工艺调质处理后,再将一部分试样在570℃×3h进行气体氮碳 共渗,另一部分试样不进行氮碳共渗,然后进行对比试验。试验过程是:将试样放入 700℃的铝液中加热5秒钟,然后立即放入水中急冷,每次重复上述工艺过程。试验结果 表明,未经氮碳共渗的试样,3—5次循环就粘铝,而经过氮碳共渗的试样,几百次以后仍 末出现粘铝现象,而且脱模容易。还发现,未经氮碳共渗的试样,经60次循环,试样表面 就出现微裂纹,而经过氮碳共渗的试样,试验160次循环以后开始出现微裂纹,证明了经 过氮碳共渗的试样抗热疲劳性能好,比未经氮碳共渗的试样的抗热疲劳性提高1.6倍。

氮碳共渗后的试样,其最表面是白亮层,由比较致密的 ε—Fe2—3(N,C)化合物组 成 [1] ,这与铝的晶体结构不同,且浸润性不好,这可能是试样不粘铝的原因。

材料的热疲劳性能是决定热模具寿命的重要指标之一。热疲劳除了与材料的导热系 数和热膨胀系数等物理性质有关外,还与材料的高温强度和塑性有关。热疲劳裂纹往往 在表面热应力最大的区域形成,模具表面受到剧烈氧化时会加速损伤过程,若材料抗氧化 性能好,则可减轻损伤。试样经氮碳共渗后,高温屈服强度提高,塑变抗力提高,延缓了裂 纹萌生,同时,氮碳共渗试样的表层具有抗氧化性,可减轻氧化侵蚀时的损伤过程,这可能 是提高抗热疲劳性的原因。

2.2 球化退火工艺优选

热模具钢一般都采用中温加热退火和等温球化退火作为预处理工艺,用这种工艺处 理,3Cr2W8V钢球化组织不均匀,碳化物的形貌和分布不好,模具的强韧性不足,因而使 用寿命低,三向循环锻造虽改善碳化物偏析 [2] ,但对碳化物圆整度改善有限,而且工艺复 杂。为了获得细小、匀、圆的碳化物,对各种球化退火工艺进行了大量试验,优选出两种效 果显著的高温固溶预处理球化退火工艺,其结果见表l、图3、图4。

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从图中看出,优选的两种工艺球化退火后的组织较好,碳化物细小、均匀、圆整度好。 将图3和图4相比较,图3的碳化物比图4的碳化物细小,但碳化物的均匀性、圆整度不 如图4,其硬度较高。所以,从机械加工的性能和碳化物的圆整度及操作方便考虑,选用 表1中的工艺2是合理的,以下试验均采用此工艺。

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2.3 不同温度淬火回火后的硬度和冲击韧性

将3Cr2W8V钢用新工艺球化退火后,加工成冲击试样经不同温度淬火回火后、做冲 击试验,并测定随炉试样的洛氏硬度,其结果见图5。从图5a可以看出,随淬火温度升高、硬度提高,同样温度回火,淬火温度高者,硬度也高,说明高温淬火能提高红硬性。从图5b可以看出,提高淬火温度,冲击韧性降低;淬火温度—定时,随回火温度升高,冲击韧 性提高。同样温度回火,淬火温度低者,冲击韧性高。从冲击韧性考虑,压铸模具宜采用 较低温度淬火和高温回火的工艺。但850℃淬火比900℃淬火试样的冲击韧性有所降低,可能与加热温度太低,溶入奥氏体的合金元素少有关。因为溶入基体的合金元素减少,会降低基体的强度,影响冲击韧性的提高。

2.4 冲击韧性对比

对不同工艺球化退火的试样。再经不同温度淬火回火,对试样的冲击韧性进行比较, 其结果见图6,由图可见,在相同淬火温度下,经过高温固溶预处理球化退火的试样,冲击 韧性高。冲击韧性提高的原因是 [3] ,经过高温固溶预处理球化退火后,使碳化物细小均匀。

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2.5 断裂韧度KIc试验

试验采用三点弯曲试样,试样尺寸为100×20×l0(mm)。经不同工艺进行热处理, 用φ0.15mm钼丝切割缺口,在Amsler高频疲劳试验机上预制裂纹,所施负荷为试样强 度的30%,然后在Instron—1251型电液伺服万能材料试验机上测定。实验方法执行 GB416—84《金属材料平面应变断裂韧度KIc试验方法》,试验结果见表2。由表2看出、 经过高温固溶预处理球化退火、再经淬火回火的试样,具有高的断裂韧度,其KIc值较常 规处理提高1.36掊。经过高温淬火的试样也有较高的断裂韧度,其K1c值较常规处理 提高1倍。但回火后的硬度对KIC有较大影响,如09试样。图7为试样断口中心区的 扫描电镜形貌。由图7a看出,试样断裂特征为准解理形貌。有少量微坑、因解理面较多, 故KIC较低。由图7b看出、试样断口仍为准解理形貌,但具有韧性断裂的微坑特征,所 以,KIc显著增高。图7c是经过高温固溶预处理球化退火再经淬火回火的试样断口电镜 形貌,具有典型的韧性断裂韧窝形貌,所以KIc值明显增高。当含碳量一定时,钢的断裂 韧度随碳化物的平均距离减少(通过碳化物粒子细化)而增加[4],因此,由于高温固溶预 处理使碳化物细化是提高3Cr2W8V钢KIc的重要原因。

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2.6 实际应用
用常规工艺处理的3Cr2W8V钢压铸模具,每副模具只能压铸300件,模具寿命低, 后经氮碳共渗处理,模具寿命提高。但早期开裂的现象时有发生。当用新工艺+氮碳共 渗综合处理后,避免了模具早期断裂现象,脱模顺利,模具寿命显著提高。结果见表3。

从表3可以看出,采用新工艺+氮碳共渗(1150℃油冷+800℃炉冷+1075℃油冷+680℃ 回火二次+氮碳共渗),取得了满意的结果。

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3 结论

(1)3Cr2W8V钢采用高温固溶预处理新工艺可使碳化物细小,均匀,圆整度好,同时,冲击韧性,断裂韧度KIc提高。
(2)采用综合工艺处理的3Cr2W8V钢电机转子铝压铸模具寿命显著提高。

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