深冷处理对三角材质Cr12MoV钢性能的影响
杨伟伟;宋广礼;徐磊
【摘 要】对淬火后的Cr12MoV钢采用不同时间深冷处理,经回火处理后,对其进行金相组织分析和力学性能测试。试验结果表明,1050℃淬火+550℃回火后,Cr12MoV钢的冲击功可达4.5 J,淬火后的深冷处理时间>4 h后细化晶相的效果明显,超过12 h 的深冷处理可将 Cr12MoV钢的硬度提升至65.5 HRC,耐连续磨损性能提高2倍,可以有效改进三角的使用工况并延长使用寿命。%Cr12MoV steel samples which were quenched were dealt with cryogenic treatment after tempering process, the effects of cryogenic time on the
metallographic structure and mechanical properties were investigated.The results indica-ted that the impact energy of Cr12MoV steel can reach 4.5 J after quenched at 1 050 ℃ and tempered at 550 ℃.A signifi-cant crystalline refinement happens after 4 h cryogenic treatment,particularly cryogenic treatment for 1 2 h can obviously en-hance wear resistance of Cr12MoV steel with the wear loss decreased by 67.0%,which can obviously improve the wear re-sistance of the triangle cam. 【期刊名称】《新技术新工艺》 【年(卷),期】2014(000)012 【总页数】4页(P62-,65)
【关键词】Cr12MoV钢;深冷处理;硬度;冲击韧度;耐磨性 【作 者】杨伟伟;宋广礼;徐磊
【作者单位】天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387;天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387;天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387
【正文语种】中 文 【中图分类】TG156.91
三角在机械结构中往往被用作高速运动的滑块跑道，在工作过程中，由于不断受到滑块极大的压力、摩擦和冲击作用，要求其材料具有较好的硬度、良好的耐磨性和高的强韧度[1]。作为三角材质的一种，Cr12MoV钢属于碳铬含量较高的莱氏体钢，是一种性能良好、应用广泛的冷作模具钢，在1 050～1 100 ℃淬火，520～55 ℃回火，可获得理想的组织、较高的硬度和良好的耐磨性[2-4]。然而，普通热处理后的Cr12MoV钢内部共晶碳化物多，颗粒较大，而且分布不均匀，长期使用易磨损，严重影响三角的使用寿命。
近年来，已有大量研究通过改善Cr12MoV钢组织中碳化物的分布来提高其工作状况的报道[5-6]。通过等离子体碳氮共渗等技术获得渗层增强Cr12MoV钢的耐磨性[7]。与上述方法相比，深冷处理具有低成本和低能耗的特点，在<-196 ℃的超低温下，大量的奥氏体向马氏体转变，且随着温度降低转变越完全；同时，碳化物从较大的晶粒中缓慢析出，将大晶粒分散为多块硬度较高的微晶[8-9]。深冷处理过程伴随晶格的生长与分化[10]，受时间影响显著，然而关于深冷时间对Cr12MoV钢金相以及力学性能影响的报道较少。
本文对淬火后的Cr12MoV钢采用深冷处理，经过不同的深冷处理时间，对处理后的试样观察晶相结构，并对回火后试样的表面硬度、冲击功和耐磨性进行测试，为优化三角材料的热处理工艺提供参考依据。 1.1 试验材料
试验材料Cr12MoV钢由抚顺特钢有限公司生产，其化学成分见表1。 1.2 热处理工艺 1.2.1 预处理
所选材料为热锻后自然冷却的Cr12MoV钢块。首先对试样钢进行球化退火预处理，以消除锻造后产生的应力。球化退火在KSW-12型箱式电阻炉中进行，工艺为：860 ℃×2 h，随炉冷却至750 ℃后保温4 h，随炉冷却至500～550 ℃取出空气冷却。1.2.2 淬火处理
将退火后试样表面的氧化皮和脱碳层磨掉，利用线切割机将Cr12MoV钢材料切割成尺寸为30 mm×6 mm×7 mm和10 mm×10 mm×55 mm的小块，然后对试样进行最终热处理。在电阻炉中加热到1 050 ℃，维持30 min后取出油冷淬火。 1.2.3 深冷处理
淬火后的试样经过表面处理后，浸入液氮中分别保温2、4、6、8、10和12 h。 1.2.4 回火处理
将深冷处理后的试样置于电阻炉内进行回火处理，升温至550 ℃，保温2 h，空气冷却至室温。 1.3 测试方法 1.3.1 金相测试
热处理后的试样经过多道次的金相砂纸磨制和机械抛光后，在4%(质量分数)酒精溶液中进行浸蚀处理，制得金相试样，利用DM3000M型莱卡金相显微镜观察其金相组织。 1.3.2 硬度测试
利用HR-150A洛氏硬度计(上海精密仪器有限公司生产)测量其硬度；采用A型球锥菱形压头，初压力为98.07 N，加压至588.4 N，由ASTM E140换算成HRC硬度。
1.3.3 冲击功测试
用JBN-300B型摆锤式冲击试验机(西安明科斯实验仪器公司生产)进行20 kg、120°角的冲击试验测试，冲击试样为U型缺口试样，缺口深度为2 mm，冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，在室温下测定试样的冲击功为AKU，单位为J。 1.3.4 磨损试验
利用M-2000型磨损试验机(宣化平衡机公司生产)对不同热处理之后的试样进行测试试验，磨损试样尺寸为30 mm×6 mm×7 mm，转速为200 r/min，载荷为200 N，磨损时间为30 min；利用FA1004型电子天平(上海精科有限公司生产，精度为0.000 1 g)称量其磨损前后的质量变化ΔW(取3次的平均值)，计算其相对磨损率，作为耐磨性的评价指标；为了观察抛光后试样的磨损形貌，对磨损后的试样在柴油中超声清洗，烘干表面后，采用TM-1000台式扫描电镜(日本日立测试公司生产)观察钢样表面磨损形貌。
2.1 不同时间深冷处理后Cr12MoV钢的显微组织
Cr12MoV钢属过共析钢，淬火前组织为球状珠光体和碳化物组成的混合相。深冷处理时间对马氏体晶相变化的影响如图1所示，可以看出，热处理后Cr12MoV试样钢的金相组织为回火马氏体和残余奥氏体的混合物，马氏体分布并不连续，碳化物含量较高，形状较为粗大，呈带状分布且不均匀；深冷处理2 h后的试样内仍含有较高的奥氏体；超过6 h处理的试样中，马氏体晶粒由原先的30 μm左右转变为12～18 μm；超过12 h的深冷处理后，最初形成大块结构的回火马氏体几乎全部转化为尺寸更加均匀的马氏体晶粒，碳化物弥散分布在晶粒之间，为整个结构提供更强的耐磨性[11]，研究Cr12MoV钢组织发现，深冷处理6 h后残余奥氏体体积含量由35.4%降到5.6%[12]。
2.2 深冷处理时间对Cr12MoV钢力学性能的影响
Cr12MoV钢经不同时间深冷处理后，回火后的力学性能见表2。
从表2可以看出，与未进行深冷处理相比，进行深冷处理的Cr12MoV试样钢的硬度都有所提高，其中，深冷处理12 h的试样钢硬度提高幅度最大，相对提高了3.4 HRC，这是由于在超低温条件下，淬火组织中的残余奥氏体转变为马氏体而引起的。经过深冷处理的试样钢，其冲击功相对有所下降，原因是淬火组织在深冷处理过程中发生了转变。Cr12MoV钢的淬火组织在进行深冷处理时，残留奥氏体的转变很容易在材料内部形成内应力，之外还存在微细碳化物析出和马氏体组织碎化的过程。由于淬火后直接进行深冷处理会发生残余奥氏体大量转变为马氏体，且在转变的过程中会产生较大的相变应力，当相变应力通过相对滑移无法进行释放时，即可能产生显微裂纹，在冲击载荷作用下，这些显微裂纹进行低能量扩散，将导致冲击功下降，冲击韧度降低。通过分析还可以得出，延长深冷处理时间对冲击韧度的影响不大，但延长深冷处理后的回火时间可以使钢的硬度明显增加。 2.3 深冷处理时间对Cr12MoV耐磨性的影响
不同时间深冷处理后Cr12MoV试样钢的相对磨损率如图2所示。相对质量损失率是对应未深冷处理的Cr12MoV钢试样的相对质量损失作为参考标准得到的百分比，相对质量损失通过ΔW/W1计算，其中，ΔW为磨损量，W1为磨损前质量。
从图2可以看出，与未经过深冷处理的试样相比，深冷处理的试样耐磨性较好，且试样的深冷处理时间越长，钢样的磨损率越小，其中，经12 h深冷处理后的试样钢相对磨损率下降了67.0%。这是由于在深冷处理过程中，马氏体体积收缩，造成内部碳化物析出，细化后的马氏体晶粒具有更高的硬度，而碳化物有利于改善晶粒之间的接合，减小钢样的表面磨削损伤。刘勇等人的研究发现深冷处理后的高碳合金钢碳化物体积含量增加近1倍[13]，而在图1中也发现，碳化物不仅有体积增加的趋势，而且形成分布均匀的网格，形成均相结构，避免结构局部出现应力
集中。上述作用均能有效地增强试样的耐磨性。 2.4 深冷处理时间对表面磨损形貌的影响
深冷处理后Cr12MoV钢的表面磨损形貌如图3所示。可以看出，经过加压钢—钢磨损后，钢样表面充满平行分布的沟槽状划痕和碎屑，沟槽和碎屑的数量显示是磨粒磨损与粘着磨损的依据。沟槽的产生是由于应力集中导致的晶粒被成块刨离钢样表面；碎屑则来自于碳化物或晶粒碎化，磨损试样钢与对磨钢环在干摩擦过程中不断摩擦生热焊合—撕裂形成的。与未深冷处理的试样(见图3a)相比，深冷处理后的试样钢表面的沟槽较浅且较窄，说明在磨削过程中，钢样受力较均匀，不容易产生过大损伤。深冷处理时间>6 h的试样表面磨损产生的碎屑非常少，对应图2中试样深冷6 h后的磨损率明显下降。
1)淬火并经深冷处理后，Cr12MoV钢的硬度略有提高，且深冷处理时间越长则硬度相对越大，12 h的深冷处理可使硬度达到65.5 HRC，达到硬质合金的使用要求。 2)经过深冷处理回火后，Cr12MoV钢碳化物晶粒分布更加均匀且细化，材料冲击韧度相对降低；延长深冷处理时间对冲击韧度的影响不大，但延长深冷处理后的回火时间可以使钢的硬度明显增大。
3)干摩擦磨损条件下，Cr12MoV钢的磨损形式为粘着磨损与磨粒磨损共存，深冷处理能够明显提高Cr12MoV钢的耐磨性能，且深冷处理时间>6 h后，材料的耐磨性有明显的提高，其相对磨损率<58%。
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