谈D2模具钢下具氏体等温热处理对模具寿命的改善

亚松

一、问题的提出
    Cr12MoV/D2是目前机械制造行业中较为广泛采用的冷作模具钢。它含有高碳高鉻和微量的钼、钒，内部有一定数量的共晶碳化物，属于莱氏体钢，它具有高淬透性，淬硬性和高耐磨性。
    在经过正常的高温真空淬火和高温回火处理之后，不但模具产生的变形小，而且还能够产生“二次硬化”现象，从而使模具获得高硬度，高强度和高耐磨的性能。因此，这种模具钢非常适合制造各种形状复杂的高精度的冷作模具。
    尽管D2模具钢经过高温真空淬火和高温回火处理后，具有上述优点。但是，它在高温回火之后，往往会造成冲击韧性ak值的明显下降。因为在500~550摄氏度范围进行回火，正好是D2模具钢第二次火脆性区，模具在经过两次较长时间的回火保温过程中，钢内部存在的P、Sn以及As、Sb、S等杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚，致使模具的脆性加重，冲击韧性明显降低。另外，如果原奥氏体晶粒越粗大，则模具的脆性就越大。这对于那些在使用中必须承受较大冲击负荷的模具来讲，则较容易产生脆性裂纹，其使用寿命也会受到较大的影响。然后这些精密模具的材料和加工费用往往很高，无形之中增加了产品的加工成本，降低了企业的利润。
    为此，有些工厂试采用进口的高韧性、高耐磨性冷作模具钢。如采用日本的QCM-8、DC53；美国的Vasco Die、Vasco wear等作为替代材料。但是，这些进口钢的价格不但十分昂贵(通常情况下是D2钢价格的几倍)，而且有时对这些“进口材料”的质量却往往难以确认。因此，对进口的大量使用不得不受到了限制。
    为了解决这一很现实的难题，人们又提出了另外一种方案：
即在不改变模具材料的情况下，通过采用具氏体等温淬火的热处理
工艺方法，改变模具内部的组织结构，获得强韧性好的下具氏体+
少量回火马氏体的复合组织，从而达到提高模具使用寿命、降低产
品加工成本发目的。
二、工艺及模具的组织、性能
    1、工艺首先是将模具从淬火加热的高温置入D2模具钢Ms点以下
附近温度的盐浴中进行短时等温停留，然后在置入较高的下贝氏体等温
转变温度的盐浴中进行较长时间的等温。出炉后将盐渍用热水清洗干净，
进行低温回火，使模具达到所要求的硬度。
    2、模具的组织、性能
    D2模具钢中所含的Cr、Mo、V等强碳化物合金元素，它们主要分布
在碳化物中，需要较高的淬火加热温度才可以不同程度地部分溶入到奥氏
体中，特别是Mo和V所形成的碳化物较难溶解。另外，这些溶入的合金
元素在奥氏体中扩散系数低，同时，受合金元素的影响，碳在奥氏体中的
扩散速度也会减慢。因此，需要较高的淬火加热温度和较长的淬火加热保
温时间。尽管如此，合金元素和碳在奥氏体中的成分分布也是不均匀的，
这主要表现在微观上存在着许多浓度起伏的微小区域。当模具从淬火温度
以较快的冷却速度进行等温淬火冷却时，宏观上碳过饱和的奥氏体来不及
析出二次碳化物即被迅速冷却到Ms点以下附近的等温温度。在盐浴等温
淬火过程中，在相变驱动力的作用下，奥氏体内部分相对贫碳贫鉻的微区，
首先发生了马氏体共格切变。
    由于首先发生的马氏体等温相变时间较短和过冷度较小，故产生的马
氏体数量有限。
    在首先马氏体等温淬火过程中产生的马氏体转变，不但使原来的奥氏
体点阵结构发生了变化，即由γ—Fe转变为α—Fe。而且由于产生的马氏
体比容大，从而对周围的奥氏体产生了弹性应变力，增加了周围奥氏体的
应变能和晶格缺陷。当先马氏体等温淬火结束之后，迅速将模具取出并置
入另外一个下贝氏体盐浴中进行较长时间的等温。此等温过程中转变的下
贝氏体优先发生在先马氏体和相邻的奥氏体界石处。又由于之前发生的先
马氏体转变对周围相邻奥氏体产生了弹性应变力作用的影响，因而使奥氏
体向下贝氏体发生转变的孕育期缩短了，这在现实生产中有着重要的意义。
下贝氏体在形成时，由于温度较低，Fe和合金元素均不能扩散，只有
碳原子还可以扩散，下贝氏体中的铁元素是通过奥氏体共格切变实现点阵
改组，碳化物的形成是依赖碳原子扩散来达到的。
     下贝氏体组织极为细小，下贝氏体片之间互为交角，在金相图上观察
到呈“竹叶状”，细微的碳化物沉淀在下贝氏体的铁素体（轻度碳过饱和）
内，铁素体中的亚结构为位错，而且密度很高，可形成缠结来阻止碳的扩散，
极细的片状碳化物并列成行，约以55~60的角度与下贝氏体长轴相交。但是
在光学显微镜下无法分辨，故看到的是和回火马氏体相似的黑色竹叶状组织。
      尽管模具在下贝氏体转变区等温了较长时间，但奥氏体向贝氏体转变
总是不完全的，它残留在先马氏体和下贝氏体竹叶的间隙里。此刻的残留
奥氏体不但被先马氏体、下贝氏体分割得细小和弥散，而且它本身含有更
高的碳和合金元素，故在金相图片上呈现出耐腐蚀较强的灰白色，又由于
它先后经受了先马氏体和下贝氏体相变两次等温以及相变产物的体积膨胀，
不但使它在三区压应力的作用下发生了弹、塑性变形，而且也产生了热稳
定化。
经过以上等温淬火之后，D2模具内部的组织为：1、少量的回火马氏体
（先淬火得到的马氏体在接着进行下贝氏体等温过程中得到回火）；2、较多
的下贝氏体和弥散分布的残留奥氏体；3、少量的碳化物。
     为了进一步稳定组织和减小模具的内应力，等温淬火之后应再进行较
长时间的低温回火处理。
     模具中获得较多的下贝氏体组织比马氏体细小。从性能上讲，它不但
强度高，更重要的是韧性好，再加上下贝氏体细化了原来的奥氏体组织，从
而使模具在保持原来高硬度的情况下，比原来具有更高的冲击韧性。另外，
等温淬火+低温回火之后，模具组织中有一定数量的残留奥氏体，而残留奥
氏体本身具有较好的塑性，又由于它含有较高的碳和合金元素和弥散分布。
因此，这又有助于提高模具的冲击韧性和抗接触疲劳寿命。
      总之，D2模具在不改变材料的条件下，通过采用下贝氏体等温淬火
工艺方法改变了内部的组织结构，使它的强韧性得到了很大的改善和提高。
避免了模具原来采用常规的高淬+高回热处理所产生的回火脆性，从而不但
使模具可以承受较大的冲击载荷，而且它的寿命也会显著提高。通过实践
证明，在正常使用情况下，模具的寿命可以比常规热处理提高2~4倍，从
而给厂家带来了经济效益。
        （未完待续，欢迎讨论、交流）

dikly_84

楼主是否考虑过大批量的产品需要连续生产呢？

wyj_8407

D2模板一般会作线割,楼主考虑过线割开裂的情况吗?
楼主说"通过实践.....模具的寿命可以比常规热处理提高2~4倍，".如果楼主能有具体实例,那就更好了.

亚松

有金相图片可供大家参考

亚松

Cr12Mo1V1/D2钢大负荷冷镦模下贝氏体等温加低温回火处理后的金相组织

亚松

D2钢等温淬火后的下贝氏体形态

亚松

D2钢等温淬火与回火之后的金相组织

亚松

等温淬火与二次回火之后得到的精细、强韧化组织

亚松

D2钢高淬+高回处理后第二回火脆性

亚松

此方案已在具体产品中实施，证明是可行的。

shenfuhai

亚松 发表于 2011-11-2 11:01
等温淬火与二次回火之后得到的精细、强韧化组织

这两个图片中，看不到下贝。

shenfuhai

亚松 发表于 2011-11-2 10:49
Cr12Mo1V1/D2钢大负荷冷镦模下贝氏体等温加低温回火处理后的金相组织

这5楼的图片，黑乎乎的，也看不到下贝呀。

亚松

可能照片压缩过，下次上传个清晰的。

亚松

dikly_84 发表于 2011-11-1 09:28
楼主是否考虑过大批量的产品需要连续生产呢？

这里是为模具做的工艺

亚松

shenfuhai 发表于 2011-11-3 07:04
这5楼的图片，黑乎乎的，也看不到下贝呀。

5楼是回火多次后的相片，所以下贝几乎看不见，另外几张图是回火一次后的图，可以看见下贝氏体。

shenfuhai

楼主,有没有等温淬火后,没有回火的样品图片;回火后马针容易混淆为下贝,造成分辨错误.

亚松

shenfuhai 发表于 2011-11-4 07:05
楼主,有没有等温淬火后,没有回火的样品图片;回火后马针容易混淆为下贝,造成分辨错误.

暂时没有，等下次做的时候再说。5楼相片为产品最终的图，模具寿命提高了2—4倍，受到了厂家的好评。

好好学学

楼主的具体工艺可否讲讲,本人是专业做模具热处理的,一直在做等温淬火.以做了好几年.希望可以与楼主交流.

亚松

目前出差在外，有空了会和大家交流切磋。

shenfuhai

楼主可否做过DC53材料的 等温淬火？