Cr12 鋼是一種應(yīng)用廣泛的冷作模具鋼, 它具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性和淬火變形小等優(yōu)點(diǎn), 但其硬度值高, 難以進(jìn)行切削加工, 且易產(chǎn)生淬火開(kāi)裂。因此在工業(yè)生產(chǎn)中, 常采用等溫球化退火的方法來(lái)細(xì)化晶粒、降低硬度、改善切削加工性能, 為淬火做好組織上的準(zhǔn)備[1]。但常規(guī)的等溫球化退火工藝, 由于加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜, 使Cr12 鋼中碳化物仍呈粗細(xì)不同、大小不一、分布不均的現(xiàn)象, 而它們是引起變形開(kāi)裂的主要原因[2], 直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能。故進(jìn)一步改善Cr12 鋼的切削加工性能, 預(yù)防開(kāi)裂傾向已成為工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法, 對(duì)Cr12 鋼進(jìn)行了研究, 找出了Cr12鋼在脈沖電場(chǎng)作用下理想的等溫球化退火新工藝參數(shù), 并進(jìn)行了相應(yīng)的新工藝實(shí)驗(yàn), 得到了Cr12鋼理想的金相組織和切削加工硬度值。
1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器
1.1 實(shí)驗(yàn)材料和物理參數(shù)
實(shí)驗(yàn)材料為熱軋態(tài)Cr12 鋼, 其Ac1=810 ℃,Acm=835℃, Ar1=755℃, Arm=770℃,MS=180℃。試樣尺寸為!14mm×150mm。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
實(shí)驗(yàn)用熱處理設(shè)備為SXZ-2.5-12 高溫箱式電阻爐; 硬度在HR-150D 型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定; 耐磨性試驗(yàn)在M-2 預(yù)磨機(jī)上進(jìn)行; 組織觀察在XJ-16 型顯微鏡上進(jìn)行。
2 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)
2.1 確定影響硬度值的因素和水平
影響切削加工硬度值的熱處理工藝參數(shù)有加熱溫度、保溫時(shí)間、脈沖時(shí)間、等溫保溫時(shí)間等。將它們分別簡(jiǎn)稱(chēng)為因素A(加熱溫度/℃)、B(保溫時(shí)間/h)、C(脈沖時(shí)間/min)、D(等溫保溫時(shí)間/h), 每個(gè)因素只取4 個(gè)水平, 采用一次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法, 選用L16(44)正交表, 按表1 設(shè)置的正交試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 并得到考核硬度指標(biāo)(HBS)。工藝參數(shù)對(duì)硬度的影響數(shù)據(jù)及分析見(jiàn)表2?？煽闯?A(加熱溫度)為最顯著影響因素, 在選取時(shí)直接選水平效應(yīng)中最大值, 既A4 在加熱過(guò)程中是重要因素, 所以選取A4; C因素也是重要因素, 選取最大值C4 為的是縮短保溫時(shí)間。由于B、D 因素不是最大影響因素, 但考慮到等溫時(shí)材料的組織變化情況取B1D3, 綜合考慮選取最佳試驗(yàn)條件是A4B1C4D3 和A2B1C4D2 。按照以上分析, 找出最佳工藝路線(xiàn)方案后, 按照兩種最佳方案再做試樣兩根, 取其中硬度指標(biāo)最適合的一個(gè)。
2.2 脈沖實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用自己制作改進(jìn)的脈沖發(fā)生器, 將金屬導(dǎo)線(xiàn)按順序分別連接在試樣兩端, 首先把Cr12鋼試樣裝入箱式加熱爐內(nèi)加熱到810～840℃, 保溫5min 后, 施加800V、50Hz 的脈沖電流5～20 min后, 再保溫1.5～3h, 然后隨爐冷卻至720~740℃,保溫5min 后再加脈沖電流5min, 再經(jīng)1～2.5 h保溫后隨爐冷至500℃左右再出爐空冷。
2.3 工藝參數(shù)對(duì)硬度的影響分析
在表2 中考察了4 因素4 水平對(duì)硬度的影響。實(shí)驗(yàn)選用的脈沖電壓800V 、頻率50Hz, 為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù), 只取有代表性的加熱溫度810～840℃、保溫時(shí)間30～180 min、脈沖時(shí)間5～20min、等溫(720～740 ℃)時(shí)間60～150 min , 進(jìn)行了4 因素4水平組合的16 次有代表性的脈沖實(shí)驗(yàn), 并觀察了金相組織和硬度測(cè)試, 最后得到最佳參數(shù)組合。各因素和水平對(duì)硬度均值(K1, K2, K3, K4)的影響如圖1 所示。把各參數(shù)不同水平下實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值的最大值和最小值之差稱(chēng)為級(jí)差F, 見(jiàn)表2。若F 值大, 改變此因素的水平會(huì)引起指標(biāo)發(fā)生較大變化, 即因素對(duì)指標(biāo)的影響大。反之, 影響小。從表2 可以看出各參數(shù)對(duì)指標(biāo)(硬度)影響的大小順序, 即FA>FC> FB> FD。根據(jù)切削加工時(shí)的硬度要求, Cr12 鋼經(jīng)脈沖球化處理后硬度值應(yīng)該控制在≤220HBS。最理想脈沖球化退火新工藝為第6 組(A2B2C1D4), 即加熱溫度820 ℃, 保溫時(shí)間2 h、脈沖時(shí)間5min、等溫時(shí)間2.5 h, 合計(jì)275min。比普通球化退火高壓釜腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。表中的腐蝕質(zhì)量損失為腐蝕前、后試樣質(zhì)量差值的平均值。腐蝕后的試樣未去除表面腐蝕物質(zhì)。試驗(yàn)中所用密封劑專(zhuān)為油田環(huán)境設(shè)計(jì)。其基本原理是根據(jù)化合物層孔洞疏松大小和孔洞腐蝕
的機(jī)理, 選擇合適大小、高滲透性的高分子做主要溶質(zhì), 填充進(jìn)孔洞之中。在孔洞腐蝕中, 所形成的自催化物質(zhì)是酸性的, 因此密封劑被設(shè)計(jì)成堿性。密封劑的堿性可以中和孔洞腐蝕的酸性, 再加上密封劑本身體積可以阻礙腐蝕物質(zhì)的進(jìn)入, 通過(guò)這兩條途徑來(lái)降低腐蝕速率。從表4 可以看出, 使用含密封劑試樣之后, 試樣的腐蝕質(zhì)量損失只有沒(méi)用密封劑時(shí)的常規(guī)QPQ 處理試樣腐蝕質(zhì)量損失的70%, 只有未處理試樣腐蝕質(zhì)量損失的20%?？梢钥闯? 當(dāng)試樣經(jīng)QPQ 處理后, 再用密封劑浸泡, 可以使抗腐蝕性能提高為未處理試樣的5 倍。從高壓釜腐蝕試驗(yàn)可看出, 通過(guò)添加密封劑,堵住疏松層中的孔洞, 可以有效地降低腐蝕速率。
3 結(jié)論
通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明, 疏松層將降低試樣的抗蝕性。使用拋光的方式拋掉疏松層, 在不損傷致密化合物層的前提下, 可以有效地提高抗蝕性。對(duì)有些不便拋光的工件, 采取浸漬密封劑的方式來(lái)密封孔洞, 也將有效提高QPQ 處理產(chǎn)品的抗蝕性。
1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器
1.1 實(shí)驗(yàn)材料和物理參數(shù)
實(shí)驗(yàn)材料為熱軋態(tài)Cr12 鋼, 其Ac1=810 ℃,Acm=835℃, Ar1=755℃, Arm=770℃,MS=180℃。試樣尺寸為!14mm×150mm。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
實(shí)驗(yàn)用熱處理設(shè)備為SXZ-2.5-12 高溫箱式電阻爐; 硬度在HR-150D 型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定; 耐磨性試驗(yàn)在M-2 預(yù)磨機(jī)上進(jìn)行; 組織觀察在XJ-16 型顯微鏡上進(jìn)行。
2 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)
2.1 確定影響硬度值的因素和水平
影響切削加工硬度值的熱處理工藝參數(shù)有加熱溫度、保溫時(shí)間、脈沖時(shí)間、等溫保溫時(shí)間等。將它們分別簡(jiǎn)稱(chēng)為因素A(加熱溫度/℃)、B(保溫時(shí)間/h)、C(脈沖時(shí)間/min)、D(等溫保溫時(shí)間/h), 每個(gè)因素只取4 個(gè)水平, 采用一次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法, 選用L16(44)正交表, 按表1 設(shè)置的正交試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 并得到考核硬度指標(biāo)(HBS)。工藝參數(shù)對(duì)硬度的影響數(shù)據(jù)及分析見(jiàn)表2?？煽闯?A(加熱溫度)為最顯著影響因素, 在選取時(shí)直接選水平效應(yīng)中最大值, 既A4 在加熱過(guò)程中是重要因素, 所以選取A4; C因素也是重要因素, 選取最大值C4 為的是縮短保溫時(shí)間。由于B、D 因素不是最大影響因素, 但考慮到等溫時(shí)材料的組織變化情況取B1D3, 綜合考慮選取最佳試驗(yàn)條件是A4B1C4D3 和A2B1C4D2 。按照以上分析, 找出最佳工藝路線(xiàn)方案后, 按照兩種最佳方案再做試樣兩根, 取其中硬度指標(biāo)最適合的一個(gè)。
2.2 脈沖實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用自己制作改進(jìn)的脈沖發(fā)生器, 將金屬導(dǎo)線(xiàn)按順序分別連接在試樣兩端, 首先把Cr12鋼試樣裝入箱式加熱爐內(nèi)加熱到810～840℃, 保溫5min 后, 施加800V、50Hz 的脈沖電流5～20 min后, 再保溫1.5～3h, 然后隨爐冷卻至720~740℃,保溫5min 后再加脈沖電流5min, 再經(jīng)1～2.5 h保溫后隨爐冷至500℃左右再出爐空冷。
2.3 工藝參數(shù)對(duì)硬度的影響分析
在表2 中考察了4 因素4 水平對(duì)硬度的影響。實(shí)驗(yàn)選用的脈沖電壓800V 、頻率50Hz, 為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù), 只取有代表性的加熱溫度810～840℃、保溫時(shí)間30～180 min、脈沖時(shí)間5～20min、等溫(720～740 ℃)時(shí)間60～150 min , 進(jìn)行了4 因素4水平組合的16 次有代表性的脈沖實(shí)驗(yàn), 并觀察了金相組織和硬度測(cè)試, 最后得到最佳參數(shù)組合。各因素和水平對(duì)硬度均值(K1, K2, K3, K4)的影響如圖1 所示。把各參數(shù)不同水平下實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值的最大值和最小值之差稱(chēng)為級(jí)差F, 見(jiàn)表2。若F 值大, 改變此因素的水平會(huì)引起指標(biāo)發(fā)生較大變化, 即因素對(duì)指標(biāo)的影響大。反之, 影響小。從表2 可以看出各參數(shù)對(duì)指標(biāo)(硬度)影響的大小順序, 即FA>FC> FB> FD。根據(jù)切削加工時(shí)的硬度要求, Cr12 鋼經(jīng)脈沖球化處理后硬度值應(yīng)該控制在≤220HBS。最理想脈沖球化退火新工藝為第6 組(A2B2C1D4), 即加熱溫度820 ℃, 保溫時(shí)間2 h、脈沖時(shí)間5min、等溫時(shí)間2.5 h, 合計(jì)275min。比普通球化退火高壓釜腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。表中的腐蝕質(zhì)量損失為腐蝕前、后試樣質(zhì)量差值的平均值。腐蝕后的試樣未去除表面腐蝕物質(zhì)。試驗(yàn)中所用密封劑專(zhuān)為油田環(huán)境設(shè)計(jì)。其基本原理是根據(jù)化合物層孔洞疏松大小和孔洞腐蝕
的機(jī)理, 選擇合適大小、高滲透性的高分子做主要溶質(zhì), 填充進(jìn)孔洞之中。在孔洞腐蝕中, 所形成的自催化物質(zhì)是酸性的, 因此密封劑被設(shè)計(jì)成堿性。密封劑的堿性可以中和孔洞腐蝕的酸性, 再加上密封劑本身體積可以阻礙腐蝕物質(zhì)的進(jìn)入, 通過(guò)這兩條途徑來(lái)降低腐蝕速率。從表4 可以看出, 使用含密封劑試樣之后, 試樣的腐蝕質(zhì)量損失只有沒(méi)用密封劑時(shí)的常規(guī)QPQ 處理試樣腐蝕質(zhì)量損失的70%, 只有未處理試樣腐蝕質(zhì)量損失的20%?？梢钥闯? 當(dāng)試樣經(jīng)QPQ 處理后, 再用密封劑浸泡, 可以使抗腐蝕性能提高為未處理試樣的5 倍。從高壓釜腐蝕試驗(yàn)可看出, 通過(guò)添加密封劑,堵住疏松層中的孔洞, 可以有效地降低腐蝕速率。
3 結(jié)論
通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明, 疏松層將降低試樣的抗蝕性。使用拋光的方式拋掉疏松層, 在不損傷致密化合物層的前提下, 可以有效地提高抗蝕性。對(duì)有些不便拋光的工件, 采取浸漬密封劑的方式來(lái)密封孔洞, 也將有效提高QPQ 處理產(chǎn)品的抗蝕性。
