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Cr12 钢电脉冲球化退火热处理工艺参数的优化
Cr12 钢是一种应用广泛的冷作模具钢, 它具有高硬度、高强度、高耐磨性和淬火变形小等优点, 但其硬度值高, 难以进行切削加工, 且易产生淬火开裂。因此在工业生产中, 常采用等温球化退火的方法来细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性能, 为淬火做好组织上的准备[1]。但常规的等温球化退火工艺, 由于加热温度高、保温时间长、工艺复杂, 使Cr12 钢中碳化物仍呈粗细不同、大小不一、分布不均的现象, 而它们是引起变形开裂的主要原因[2], 直接影响产品的质量和使用性能。故进一步改善Cr12 钢的切削加工性能, 预防开裂倾向已成为工业生产中亟待解决的问题。本文通过正交实验法, 对Cr12 钢进行了研究, 找出了Cr12钢在脉冲电场作用下理想的等温球化退火新工艺参数, 并进行了相应的新工艺实验, 得到了Cr12钢理想的金相组织和切削加工硬度值。
1 实验材料及仪器
1.1 实验材料和物理参数
实验材料为热轧态Cr12 钢, 其Ac1=810 ℃,Acm=835℃, Ar1=755℃, Arm=770℃,MS=180℃。试样尺寸为!14mm×150mm。
1.2 实验仪器
实验用热处理设备为SXZ-2.5-12 高温箱式电阻炉; 硬度在HR-150D 型洛氏硬度试验机上测定; 耐磨性试验在M-2 预磨机上进行; 组织观察在XJ-16 型显微镜上进行。
2 正交试验方案与试验
2.1 确定影响硬度值的因素和水平
影响切削加工硬度值的热处理工艺参数有加热温度、保温时间、脉冲时间、等温保温时间等。将它们分别简称为因素A(加热温度/℃)、B(保温时间/h)、C(脉冲时间/min)、D(等温保温时间/h), 每个因素只取4 个水平, 采用一次回归正交试验设计方法, 选用L16(44)正交表, 按表1 设置的正交试验参数进行实验, 并得到考核硬度指标(HBS)。工艺参数对硬度的影响数据及分析见表2。可看出,A(加热温度)为最显著影响因素, 在选取时直接选水平效应中最大值, 既A4 在加热过程中是重要因素, 所以选取A4; C因素也是重要因素, 选取最大值C4 为的是缩短保温时间。由于B、D 因素不是最大影响因素, 但考虑到等温时材料的组织变化情况取B1D3, 综合考虑选取最佳试验条件是A4B1C4D3 和A2B1C4D2 。按照以上分析, 找出最佳工艺路线方案后, 按照两种最佳方案再做试样两根, 取其中硬度指标最适合的一个。
2.2 脉冲实验方法
实验采用自己制作改进的脉冲发生器, 将金属导线按顺序分别连接在试样两端, 首先把Cr12钢试样装入箱式加热炉内加热到810～840℃, 保温5min 后, 施加800V、50Hz 的脉冲电流5～20 min后, 再保温1.5～3h, 然后随炉冷却至720~740℃,保温5min 后再加脉冲电流5min, 再经1～2.5 h保温后随炉冷至500℃左右再出炉空冷。
2.3 工艺参数对硬度的影响分析
在表2 中考察了4 因素4 水平对硬度的影响。实验选用的脉冲电压800V 、频率50Hz, 为了减少实验次数, 只取有代表性的加热温度810～840℃、保温时间30～180 min、脉冲时间5～20min、等温(720～740 ℃)时间60～150 min , 进行了4 因素4水平组合的16 次有代表性的脉冲实验, 并观察了金相组织和硬度测试, 最后得到最佳参数组合。各因素和水平对硬度均值(K1, K2, K3, K4)的影响如图1 所示。把各参数不同水平下实验结果均值的最大值和最小值之差称为级差F, 见表2。若F 值大, 改变此因素的水平会引起指标发生较大变化, 即因素对指标的影响大。反之, 影响小。从表2 可以看出各参数对指标(硬度)影响的大小顺序, 即FA>FC> FB> FD。根据切削加工时的硬度要求, Cr12 钢经脉冲球化处理后硬度值应该控制在≤220HBS。最理想脉冲球化退火新工艺为第6 组(A2B2C1D4), 即加热温度820 ℃, 保温时间2 h、脉冲时间5min、等温时间2.5 h, 合计275min。比普通球化退火高压釜腐蚀试验结果见表4。表中的腐蚀质量损失为腐蚀前、后试样质量差值的平均值。腐蚀后的试样未去除表面腐蚀物质。试验中所用密封剂专为油田环境设计。其基本原理是根据化合物层孔洞疏松大小和孔洞腐蚀
的机理, 选择合适大小、高渗透性的高分子做主要溶质, 填充进孔洞之中。在孔洞腐蚀中, 所形成的自催化物质是酸性的, 因此密封剂被设计成碱性。密封剂的碱性可以中和孔洞腐蚀的酸性, 再加上密封剂本身体积可以阻碍腐蚀物质的进入, 通过这两条途径来降低腐蚀速率。从表4 可以看出, 使用含密封剂试样之后, 试样的腐蚀质量损失只有没用密封剂时的常规QPQ 处理试样腐蚀质量损失的70%, 只有未处理试样腐蚀质量损失的20%。可以看出, 当试样经QPQ 处理后, 再用密封剂浸泡, 可以使抗腐蚀性能提高为未处理试样的5 倍。从高压釜腐蚀试验可看出, 通过添加密封剂,堵住疏松层中的孔洞, 可以有效地降低腐蚀速率。
3 结论
通过实验证明, 疏松层将降低试样的抗蚀性。使用抛光的方式抛掉疏松层, 在不损伤致密化合物层的前提下, 可以有效地提高抗蚀性。对有些不便抛光的工件, 采取浸渍密封剂的方式来密封孔洞, 也将有效提高QPQ 处理产品的抗蚀性。
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1 实验材料及仪器
1.1 实验材料和物理参数
实验材料为热轧态Cr12 钢, 其Ac1=810 ℃,Acm=835℃, Ar1=755℃, Arm=770℃,MS=180℃。试样尺寸为!14mm×150mm。
1.2 实验仪器
实验用热处理设备为SXZ-2.5-12 高温箱式电阻炉; 硬度在HR-150D 型洛氏硬度试验机上测定; 耐磨性试验在M-2 预磨机上进行; 组织观察在XJ-16 型显微镜上进行。
2 正交试验方案与试验
2.1 确定影响硬度值的因素和水平
影响切削加工硬度值的热处理工艺参数有加热温度、保温时间、脉冲时间、等温保温时间等。将它们分别简称为因素A(加热温度/℃)、B(保温时间/h)、C(脉冲时间/min)、D(等温保温时间/h), 每个因素只取4 个水平, 采用一次回归正交试验设计方法, 选用L16(44)正交表, 按表1 设置的正交试验参数进行实验, 并得到考核硬度指标(HBS)。工艺参数对硬度的影响数据及分析见表2。可看出,A(加热温度)为最显著影响因素, 在选取时直接选水平效应中最大值, 既A4 在加热过程中是重要因素, 所以选取A4; C因素也是重要因素, 选取最大值C4 为的是缩短保温时间。由于B、D 因素不是最大影响因素, 但考虑到等温时材料的组织变化情况取B1D3, 综合考虑选取最佳试验条件是A4B1C4D3 和A2B1C4D2 。按照以上分析, 找出最佳工艺路线方案后, 按照两种最佳方案再做试样两根, 取其中硬度指标最适合的一个。
2.2 脉冲实验方法
实验采用自己制作改进的脉冲发生器, 将金属导线按顺序分别连接在试样两端, 首先把Cr12钢试样装入箱式加热炉内加热到810～840℃, 保温5min 后, 施加800V、50Hz 的脉冲电流5～20 min后, 再保温1.5～3h, 然后随炉冷却至720~740℃,保温5min 后再加脉冲电流5min, 再经1～2.5 h保温后随炉冷至500℃左右再出炉空冷。
2.3 工艺参数对硬度的影响分析
在表2 中考察了4 因素4 水平对硬度的影响。实验选用的脉冲电压800V 、频率50Hz, 为了减少实验次数, 只取有代表性的加热温度810～840℃、保温时间30～180 min、脉冲时间5～20min、等温(720～740 ℃)时间60～150 min , 进行了4 因素4水平组合的16 次有代表性的脉冲实验, 并观察了金相组织和硬度测试, 最后得到最佳参数组合。各因素和水平对硬度均值(K1, K2, K3, K4)的影响如图1 所示。把各参数不同水平下实验结果均值的最大值和最小值之差称为级差F, 见表2。若F 值大, 改变此因素的水平会引起指标发生较大变化, 即因素对指标的影响大。反之, 影响小。从表2 可以看出各参数对指标(硬度)影响的大小顺序, 即FA>FC> FB> FD。根据切削加工时的硬度要求, Cr12 钢经脉冲球化处理后硬度值应该控制在≤220HBS。最理想脉冲球化退火新工艺为第6 组(A2B2C1D4), 即加热温度820 ℃, 保温时间2 h、脉冲时间5min、等温时间2.5 h, 合计275min。比普通球化退火高压釜腐蚀试验结果见表4。表中的腐蚀质量损失为腐蚀前、后试样质量差值的平均值。腐蚀后的试样未去除表面腐蚀物质。试验中所用密封剂专为油田环境设计。其基本原理是根据化合物层孔洞疏松大小和孔洞腐蚀
的机理, 选择合适大小、高渗透性的高分子做主要溶质, 填充进孔洞之中。在孔洞腐蚀中, 所形成的自催化物质是酸性的, 因此密封剂被设计成碱性。密封剂的碱性可以中和孔洞腐蚀的酸性, 再加上密封剂本身体积可以阻碍腐蚀物质的进入, 通过这两条途径来降低腐蚀速率。从表4 可以看出, 使用含密封剂试样之后, 试样的腐蚀质量损失只有没用密封剂时的常规QPQ 处理试样腐蚀质量损失的70%, 只有未处理试样腐蚀质量损失的20%。可以看出, 当试样经QPQ 处理后, 再用密封剂浸泡, 可以使抗腐蚀性能提高为未处理试样的5 倍。从高压釜腐蚀试验可看出, 通过添加密封剂,堵住疏松层中的孔洞, 可以有效地降低腐蚀速率。
3 结论
通过实验证明, 疏松层将降低试样的抗蚀性。使用抛光的方式抛掉疏松层, 在不损伤致密化合物层的前提下, 可以有效地提高抗蚀性。对有些不便抛光的工件, 采取浸渍密封剂的方式来密封孔洞, 也将有效提高QPQ 处理产品的抗蚀性。
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