Cr12MoV淬回火热处理...冷轧辊耐磨性影响的试验研究_张璨.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2022.4057前言近20年来，我国模具工艺发展非常迅速，尤其是近几年，模具需求一直以每年15%的速度快速增长，国民经济高速发展对模具工艺提出了越来越高的要求。Cr12 系列钢属高耐磨微变形冷作模具钢，其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高的热稳定性，高抗弯强度等，是重要的冲模、冷镦模材料，其消耗量居冷作模具钢首位。Cr12MoV钢具有高碳及高铬含量，会形成大量的碳化物和高合金度的马氏体组织，使钢材具有高的硬度和耐磨性。同时，钼元素可增加钢的淬透性并且起到细晶作用，钒细化晶粒同时提高韧性，同时钒元素会形成高硬度碳化钒，进一步增加钢的耐磨性。但因含量较大的铬元素，钢液结晶时会析出大量的共晶碳化物，稳定性极高，常规热处理无法细化。其微观组织中通常存在着较多的碳化物，由于碳化物与基体间存在较大的差异，在载荷条件下，应力容易在碳化物周围集中，促进微观裂纹的Cr12MoV淬回火热处理对冷轧辊耐磨性影响的试验研究张璨1陈炜1谢珍勇1尹仕伟2肖玉川1（1.攀钢集团江油长城特殊钢有限公司，四川 江油 621701；2.成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司，四川 成都 610300）摘要:某用户反映长城特钢生产的Cr12MoV冷作模具钢在用于冷轧辊时淬回火热处理状态下耐磨性偏低，影响产品的使用寿命。为了满足该用户对冷轧辊耐磨性的特殊需求，对Cr12MoV冷作模具钢进行了不同淬回火热处理工艺的试验。结果表明Cr12MoV冷轧辊的耐磨性与淬火温度、回火温度有关。关键词:Cr12MoV；冷轧辊；耐磨性；热处理中图分类号：TG142.41文献标识码：B文章编号：1674-0971(2022)-004-05Experimental study on the effect of Cr12MoV quenching andtempering heat treatment on the wear resistance of cold rollZhang Can1,Chen Wei1,Xie Zhenyong1,Yin Shiwei2,Xiao Yuchuan1（1.Jiangyou Changcheng Special Steel Co.,Ltd.,Pangang Group,Jiangyou 621701,Sichuan,China;2.ChengduAdvanced Metal Materials Industrial Technology Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu,610300，Sichuan China）Abstract：A user reported that the Cr12MoV cold work die steel produced by Changcheng Special Steel Co.,Ltd.has low wear resistance under quenching and tempering heat treatment condition when used for cold rolls,which affects the service life of the product.In order to meet the special needs of the user for the wear resistance ofcold rolls,experiments on different quenching and tempering heat treatment processes of Cr12MoV cold work diesteel were carried out.The results show that the wear resistance of Cr12MoV cold roll is related to quenching tem-perature and tempering temperature.Keywords：Cr12MoV,cold roll,wear resistance,heat treatment收件日期：2022-06-04作者简介：张璨（1987-），女，工程师，2010年毕业于四川理工大学材料成型与控制工程，现供职于攀钢集团长城特钢，主要负责工模具产品开发。特钢技术Special Steel Technology第28卷 总第113期2022年第4期Vol.28（113）2022.No.4萌生，进而导致模具的早期失效1-3。冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制应力，加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题，容易导致瞬间高温，使工作辊受到强烈热冲击，造成裂纹、粘辊、剥落甚至报废。因此，冷轧辊要有抵抗因弯曲应力、扭转应力、剪切应力引起的开裂和剥落的能力，同时也要有高的耐磨性、高的接触疲劳强度、高的断裂韧性和热冲击强度等。为提高淬硬层深及接触疲劳寿命,降低淬硬层脆性及过热敏感性，同时也为满足轧件对冷轧工作辊力学性能和使用性能的进一步要求，增加了微量元素的控制。因为此类钢均含有较高的C，较易形成粗大的碳化物，目前，我公司生产的冷轧辊存在不耐磨、调质变形、微观裂纹、碳化物粗大等现象，严重影响用户使用。为了控制碳化物形态，改善调质变形问题、提高耐磨性、降低成本，提高成材率，达到用户使用要求，需采用不同热处理工艺、不同的锭型及不同的锻造方式对轧辊用钢进行试制。1实验方法长城特钢生产的 Cr12MoV 冷轧辊经锻造成材。试样为退火态，规格180mm。热处理制度：9501070温度范围内保温120min淬火油冷，在165200温度范围内保温180min回火，回火1或者2次，每次回火之间空冷至室温。试样规格：热处理试样为 40mm40mm200mm，热处理后截取金相试样 15mm15mm20mm 和横向无缺口冲击试样 10mm10mm55mm。钢的硬度测试，使用全自动布氏硬度计（型号：THBS-3000MD-AZF）测定。钢材在100倍、500倍下检验退火显微组织、夹杂、大块碳化物和共晶碳化物使用奥林巴斯（中国）有限公司生产的OLYMPUS BX41M金相显微镜检验。冲击试样毛坯经热处理后，加工成 10mm10mm55mm无缺口冲击试样，进行摆锤式冲击韧性试验。耐磨性使用MM-P2型磨损试验机检验。2实验结果2.1试验钢的化学成分试验生产的Cr12MoV的化学成分化验结果见表1。2.2显微组织和夹杂、共晶显微组织和夹杂、共晶见表2。2.3 不同热处理工艺对低温回火硬度的影响由图 1 可以看出，淬火温度在 1000之前Cr12MoV钢经过135200低温回火后的硬度逐步上升，当淬火温度控制在10001035之间时，Cr12MoV钢的硬度出现峰值。（见表3）2.4 不同温度淬火和不同温度回火及回火次数对冲击韧性的影响不同温度淬火和不同温度回火及回火次数对冲击韧性的影响试验结果见表4和图2。第28卷第4期张璨，陈炜，谢珍勇，尹仕伟，肖玉川：Cr12MoV淬回火热处理对冷轧辊耐磨性影响的试验研究表1 Cr12MoV钢的化学成分 wt%Table 1 Chemical composition of Cr12MoV steel(wt%)元素含量C1.56Mn0.28Si0.23S0.003P0.021Cr11.72Mo0.49V0.21Ni0.19Cu0.06表2 高倍检验结果Table 2 High magnification test resultsA细0.50.5A粗00B细11B粗00C细00C粗00D细11D粗00共晶43.5块状碳化物（m）40,40图1 淬火温度对硬度的影响Fig.1 Effect of quenching temperature on hardness表3Cr12MoV钢不同温度淬火和不同温度回火后的硬度Table 3 Hardness of Cr12MoV steel after quenchingand tempering at different temperatures淬火温度/（淬火时间120min）950100010351070回火温度/（回火时间180min）135一次62.0162.1462.4960.09165一次59.0561.8461.8860.01两次57.461.060.958.5200两次56.060.159.3157.5 26第28卷第4期影响Cr12MoV钢韧性的因素主要为碳化物的分布情况和奥氏体的含量，奥氏体的特殊结构会降低Cr12MoV钢的强韧性，产生这种结构的重要原因是冷却时间，较快的冷却速度可以使残余奥氏体的数量减少，所以在淬火后选择油冷。另外，为防止Cr12MoV钢变脆，采用多次回火以提高韧性。2.5热处理工艺对Cr12MoV钢金相组织的影响不同淬火、回火温度热处理后，Cr12MoV钢组织中碳化物的分布状态及尺寸大小见图36。不同淬火温度下Cr12MoV钢的微观组织特征如上图所示，当淬火温度大于1035后，钢中出现特钢技术图2 淬火温度对冲击韧性的影响Fig.2 Effect of quenching temperature on impact toughness表4 Cr12MoV钢不同温度淬火和不同温度回火后的冲击韧性（J）Table 4 Impact toughness of Cr12MoV steel afterquenching and tempering at different temperatures(J)淬火温度/（淬火时间120min）950100010351070回火温度/（回火时间180min）135一次30.535.331.120.0165一次36.037.934.325.0两次37.538.235.119.2200两次40.041.032.317.6165两次回火200两次回火图3 950淬火温度下不同回火制度对组织的影响Fig.3 Effect of different tempering systems on microstructure at950 quenching temperature165两次回火200两次回火图4 1000淬火温度下不同回火制度对组织的影响Fig.4 Effect of different tempering systems on microstructureat 1000 quenching temperature135一次回火165一次回火165两次回火200两次回火图5 1035淬火温度下不同回火制度对组织的影响Fig.5 Effect of different tempering systems on microstructure at1035 quenching temperature165两次回火200两次回火图6 1070淬火温度下不同回火制度对组织的影响Fig.6 Effect of different tempering systems on microstructureat 1070 quenching temperature135一次回火165一次回火135一次回火165一次回火135一次回火165一次回火 27第28卷第4期张璨，陈炜，谢珍勇，尹仕伟，肖玉川：Cr12MoV淬回火热处理对冷轧辊耐磨性影响的试验研究大量的沿碳化物组织形成的裂纹，该裂纹在后续加工过程中可能出现延展，在使用过程中更容易发生碳化物脱落从而造成耐磨性下降的现象。对比淬火温度9501 035 的组织形态发现，950淬火后钢的碳化物均存在碳化物呈网状形态，分布不均匀且存在大块碳化物数量较多的情况。一次回火残奥转变不充分，二次回火后残奥转变回火马氏体组织更多更充分，增加其耐磨性。1000和1035温度淬火后，碳化物尺寸更为细小且分布更为均匀，大块碳化物尺寸控制在50mm以内，且经1035温度淬火，200温度回火两次后效果更佳。2.6不同热处理工艺下Cr12MoV钢的耐磨性探究对退火态Cr12MoV冷作模具钢经表5中的性能热处理后，检验材料的耐磨性能。110#所代表经不同热处理实验后的试样，对磨样品为20Cr13钢，对应情况如表5所示。利用MM-P2型磨损试验机对相同热处理后的Cr12MoV钢进行滚动对磨磨损试验，其磨损试验方案为：转速400 r/min，载荷1200 N，磨损时间20h。实验机参数设定见图7。利用电子分析天平测量其质量损失，游标卡尺测量其前后直径。结合表6与图8耐磨试样的磨损量看出，在控制对磨材料磨损量相同的情况下，Cr12MoV钢的耐磨量先下降后上升，相对应判断出，随着淬火温度的不断提升，Cr12MoV钢在10001035能够保持较好的耐磨性能，当淬火温度小于1000或大表5 试验设计方案Table 5 Test Design Scheme编号1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#热处理工艺淬火温度/95095010001000103510351035103510701070淬火时间/min120120120120120120120120120120回火温度/135165135165135165165200165200回火时间/min180180180180180180180180180180回火次数1111112222图7 摩擦磨损实验机参数设定Fig.7 Parameter setting of friction and wear tester表6Cr12MoV钢磨损试验结果Table 6Wear Test Results of Cr12MoV Steel图8 Cr12MoV钢磨损试验结果Fig.8 Wear Test Results of Cr12MoV Steel1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#重量变化（g）磨损前62.776462.425562.638262.908062.991362.895563.381062.951562.919862.9381磨损后62.702162.236362.609662.866862.980762.871463.373862.945562.898262.8362减少值0.07430.18920.02860.04120.01060.02410.00720.00600.02160.1019直径变化（mm）磨损前36.0436.0236.0036.0436.0036.0235.9835.9936.0036.00磨损后36.0236.0035.9836.0235.9936.0135.9735.9835.9935.99变化值0.020.020.020.020.010.010.010.010.010.01 28第28卷第4期特钢技术于1035后，耐磨性逐渐变差。另外，当回火次数为一次时，对比9501035相同淬火温度下，回火温度为165钢的耐磨性较135有所下降；当回火次数为两次，淬火温度1035时，回火温度对钢耐磨性的影响不明显，但当淬火的温度达1070时，仍出现随着回火温度的提高钢耐磨性降低的情况。3讨论当Cr12MoV钢在加热过程中突破临界点的时候，其碳化物溶解至奥氏体内，随着淬火温度的升高，溶解到奥氏体内的碳化物的量就增加，所含的碳和铬就增加，结果淬火后形成的马氏体的合金度就越高，因此模具硬度越高，耐磨性也随之增强。随着淬火温度的升高，碳化物过分溶解，奥氏体被合金元素过饱和变得很稳定，以至淬火时奥氏体不发生转变，而作为残留奥氏体保留下来，得到少量粗大马氏体，钢的硬度低。淬火后随回火温度的升高，硬度逐渐降低，这与回火过程中马氏体的回火转变有关。钢被加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温并充分奥氏体化后，通过浸入冷却介质使钢的温度快速降低到室温，钢中奥氏体会转变为马氏体，强度和硬度得到明显提高。淬火过程中，奥氏体向马氏体转变的开始温度被称为马氏体开始转变点（Ms），随着温度的下降，到一定温度时奥氏体全部转变为马氏体达到转变完成，则此温度被称为马氏体终止转变点（Mf）。Ms与Mf与材料的化学成分关系紧密，特别是含碳量对Ms和Mf的影响最大，含碳量越高转变温度值越向下移。残余奥氏体的形成原因主要有两个方面4：一是钢的马氏体转变终了温度(Mf)在室温以下，钢淬火到室温时马氏体转变过程停止，未转变的残余奥氏体被保留；二是在马氏体转变过程中，当大部分马氏体形成后奥氏体被分割成一块块很小的区域而被保留下来。残余奥氏体的存在增大了钢件尺寸的不稳定性，易形成磨削裂纹和未回火马氏体等。影响Cr12MoV钢韧性的因素主要为碳化物的分布情况和淬回火温度的选择。淬火后通常选择油冷。另外，为减轻Cr12MoV钢的脆性，采用多次回火以提高韧性。以上实验结果表明：Cr12MoV钢最佳强韧配合的淬火温度为10101035，在这个温度区间内淬火，不仅硬度高、冲击韧性高，而且残留奥氏体适度。950淬火后碳化物呈网状形态，分布不均匀且存在大块碳化物数量较多的情况。1000和1035温度淬火后，碳化物尺寸更为细小且分布更为均匀，大块碳化物尺寸控制在50m以内，且经1035温度淬火，200温度回火两次后效果更佳。根据表6和图8，在控制对磨材料磨损量相同的情况下，随着淬火温度的提升Cr12MoV钢的磨损量先下降后上升，950淬火热处理后磨损量很大；在10001035淬火热处理后达到良好的耐磨性能，且在1035淬火温度下效果最佳，当淬火温度提高到1070后，耐磨性变差。耐磨性试验结果的变化趋势与硬度值的变化趋势基本保持一致。另外，当回火次数为一次时，对比 9501035相同淬火温度下，回火温度为165钢的耐磨性较135有所下降；当回火次数为两次，淬火温度1035时，回火温度对钢耐磨性的影响不明显，但当淬火温度达1070时，仍出现随着回火温度的提高钢耐磨性降低的情况。所以选择一个最佳的淬回火温度至关重要。4结 论通过分析Cr12MoV冷作模具钢在经不同热处理工艺试验后硬度、组织、性能、残奥等变化，耐磨性等差异，分析了Cr12MoV冷作模具钢中碳化物析出相的尺寸、形态及力学性能与材料耐磨性的关系。（1）确 定 了 最 佳 淬 火 温 度，Cr12MoV 钢 在10001035能够保持一个较好的耐磨性能，且在1035该淬火温度下效果最佳。（2）Cr12MoV 钢在 1035温度下淬火，且在200温度的回火两次效果最佳。（3）由于样品有限，本文只研究了135-200低温回火试验，在1035+200回火两次的试样状态下组织、硬度、弯曲强度、冲击韧性和耐磨性最佳。参考文献1 刘云旭.新型材料及其应用M.武汉:华中理工大学出版社,1990.2 李杰.工程材料学基础M.长沙:国防科技大学出版社,1994.3 李超.金属学原理M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1989.4 付军,王秋成,胡晓冬.7050 铝合金板材深冷处理时温度场的数值模拟 低温与特气,2005,23(02):20-3+38.29