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发表于 2013-5-28 16:31:54
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LD材料的热处理工艺
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摘要：本文通过对LD材料的组织组成和性能特点以及冲孔冲头的性能要求，并结合热处理的相关知识，对需要加工成冲头的LD材料做了一系列的研究，通过对其进行不同的处理方式对比，提出了LD材料的热处理工艺的选择对力学性能的影响，最终采用了淬火和三次高温回火的方法，解决了用LD材料做冲孔冲头时强度硬度等不合格的问题，满足了冲孔冲头在使用过程中所需的力学性能要求。
关键词：LD材料；热处理；冲孔冲头；力学性能。
一、LD材料的性能
LD 材料的标准牌号是7Cr7Mo2V2Si，最初是针对冷镦模具而研制的，以美国专利钢SVSCO-DIE为基础，调整合金元素含量而研制出来的高强韧性钢，并经真空脱氧精炼的高强度钢。其最大特点是钢的奥氏体合金化程度高，固溶强化和二次硬化效果显著，其碳含量低于 G.Steven 推荐的 “ 平衡碳”规律，使钢在具有高硬度的同时，又具有较好韧性；加入 Cr 、 Mo 、 V 元素，有利于二次硬化，保证钢具有较高的硬度、强度和良好的耐磨性；加入一定量的 Si ，以强化基体，提高回火稳定性。
1、LD材料的化学元素组成
C Si Mn Cr Mo V S P
0.7-0.8 0.7-1.2 ≤0.5 6.5-7.5 2.0-2.5 1.7-2.2 ≤0.03 ≤0.03
注：质量分数% GB/T1299-2000
2、LD钢的物理性能
（1）
临界温度／℃ 密度 弹性模量
临界点 Ac1 Ac3 Ar1 Ar3 Ms ρ／g•cm﹣³ E／MPa
温度（近似值） 856 915 720 806 105 7.80 ─
（2）、线胀系数：
温度 20-100 20-200 20-300 20-400 20-502 20-625 20-701
线胀系数 8.2 10.2 11.3 11.8 12.5 12.7 12.9
3、LD钢不同热处理工艺的机械性能
淬火温度
/℃ 回火温度及次数 抗拉强度MPa 抗压强度MPa 抗弯强度MPa 挠度
㎜ 冲击韧性J/㎝²
1100 510℃／1h×3 2954 2658 4599 6.7 32.36
530℃／1h×3 2432 2765 5413 8.9 71.59
550℃／1h×3 2530 2501 5325 16.5 113.76
570℃／1h×3 2452 2295 4894 16.5 101.99
590℃／1h×3 － 2040 4295 16.5 47.07
1150 510℃／1h×3 1432 2667 3501 3.7 －
530℃／1h×3 2314 2864 4850 4.7 43.15
550℃／1h×3 2628 2810 5482 12.7 96.04
570℃／1h×3 2628 2609 5090 8.3 101.92
590℃／1h×3 2295 2187 4697 9.8 80.36
1180 510℃／1h×3 1236 2550 2824 4.6 －
530℃／1h×3 1491 3168 2854 3.5 28.42
550℃／1h×3 2716 2756 4982 5.7 71.54
570℃／1h×3 2560 2648 4639 6.5 44.10
590℃／1h×3 2422 2442 4786 7.1 41.16
4.合金元素对钢性能的影响
⑴C: 碳对冷作模具钢的强韧性、耐磨性有决定性的影响。含碳量增加，则抗压强度及耐磨性增高；含碳量降低，则韧性增加而抗压强度和耐磨性降低。因此，抗冲击及高强韧性冷作模具钢的含碳量为0.5-0.7％，高耐磨钢含碳量为1.2-2.3％
⑵Cr：提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，增加高碳钢的耐磨性，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用，提高钢的热强性，是不锈耐酸钢和耐热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性。
⑶Mo：提高钢的二次硬化能力，提高强韧性，淬透性，抑制回火脆性，但增加脱碳的倾向性。
⑷V: 固溶于奥氏体中可提高钢的淬透性，但化和状态存在的钒，会降低钢的淬透性，增加钢的回火稳定性，并有很强的二次硬化作用，固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用。细化晶粒以提高低温冲击韧性，碳化钒是最硬耐磨性最好的金属碳化物，明显提高工具的寿命，提高钢的蠕变和持久强度，含铬量一般在0.2~1.0﹪左右。
⑸Si：常用的脱氧剂，有固溶强化作用，提高电阻率，降低磁滞损耗，改善磁导率，增加淬透性、抗回火性，对改善综合力学性能有利，提高弹性极限，增加自然条件下的耐磨性。含量较高时，降低焊接性，且易导致冷脆。
⑹Mn：降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利影响倾向。
⑺S：改善切削性，产生热脆现象，恶化钢的质量，硫含量高，对焊接性产生不利影响。
⑻P：固溶强化及冷作硬化很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能，与硫、锰联合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。
5．LD钢的力学性能
500 530 560 590 620
回火温度／℃
14
硬度
／HRC 12
10 奥氏体粒度
8 ∕级
6
70 4
60
50
1000 1100 1200 1300
二．LD钢与其他材料的对比
LD（7Cr7Mo2V2Si）钢是我国自行研制开发的高强韧性冷作模具钢，该钢在模具制造中应用已相当普遍并获得较好的经济效益。该钢是为了克服Cr12型高碳高铬耐磨钢因碳化物偏析易脆开裂的缺点，通过降低碳含量、铬含量，并适当增加Mo和V的含量，以便在提高钢的强韧性的同时，保持和改善其耐磨性。LD钢的强韧性和耐磨性均优于Cr12MoV钢，含合金元素量和碳元素量比65Nb的高，所以在保证高韧性的情况下，其抗压、抗弯强度以及耐磨性优于65Nb钢。适合于制造承受高载荷的冷挤压、冷镦、冷冲模具等，使用寿命比Cr12提高了几倍甚至几十倍。
1. LD钢与其他几种莱氏体钢的性能对比
几种莱氏体钢的性能对比
钢种 抗弯强度σ／Mpa 抗拉强度σ／Mpa 冲击韧度σ／J•cm﹣² 挠度f／mm 硬度／HRC
LD 2350-3020 5040-5590 94-123 12-16 65
W18Cr4V 3156-3254 2166-2965 34 - ≥63
W6Mo5Cr4V2 2740 4500 21 - 64
Cr12 2260 2950 39 3-4 61
2．LD钢模具与Cr12MoV钢模具的使用寿命对比
钢种 热处理工艺 硬度／HRC 金相组织 平均寿命 失效形式
LD 1050℃加热油淬，240℃回火2次，每次4h 57-60 回火马氏体，体积分数为10%未溶碳化物，残留奥氏体 2000-2500件 崩刃
开裂
Cr12MoV 1100℃加热油淬，600℃回火1h + 550℃回火1h 54-59 回火马氏体，体积分数为3%未溶碳化物，残留奥氏体 3000件 磨损
崩刃
开裂
3．7Cr7Mo2V2Si钢典型应用举例
（1）螺栓冷镦光冲模比Cr12MoV钢提高寿命4倍以上，螺栓冷镦切边模比Cr12MoV钢提高寿命5.4倍，螺母冷镦压球模比Cr12MoV钢提高寿命16倍，螺母冷镦六角冲头比60Si2Mn钢提高寿命14倍。
（2）自行车轴婉冷挤压模比W18Cr4V钢提高寿命8-10倍，套筒扳手冷挤压冲头比W6Mo5Cr4V2钢提高寿命4-5倍，内六角螺栓三序冲头比W18Cr4V钢提高寿命4倍，轴承圈打字冲模比GCr15钢提高寿命8-9倍，汽车板弹簧冲孔冲模比Cr12MoV钢提高寿命6.4倍。
（3）厚度8mm重型钢板网冲刀比W18Cr4V钢提高寿命2.5。
（4）弹簧钢挡圈冷冲模比Cr12钢提高寿命9倍，不锈钢挡圈冷冲模比Cr12钢提高寿命10倍以上。
（5）螺纹滚丝模比Cr12MoV钢提高寿命2倍。
三．冲头的工作条件和失效形式
1．工作条件
冲裁模主要用于各种板料的冲切成型，模具的工作部位是刃口，要求刃口在冲切过程中保持其完整和锐利，即在工作中不崩刃、不易变形、不易磨损。在冲裁软质模板时，冲头的压力并不大。在冲裁中厚钢板时，特别是在厚钢板上冲小孔，冲头的单位压力极大。
2．基本失效形式
用冷作模具钢做冲头时，其基本失效形式可归纳为以下五种基本形式：
⑴断裂失效（脆断失效、疲劳断裂失效）
⑵变形失效
⑶磨损失效
⑷咬合失效
⑸肯伤失效
四．LD钢的热处理
1、LD钢的基本热处理工序
冷作模具钢只有通过合适的热处理工艺才能达到使用要求，LD钢常用的热处理工序包括正火、退火、调质、淬火、回火、渗透、氮化等。
（1） 正火 消除和改善模具毛坯料的各种组织缺陷，获得最利于切削加工的组织与硬度，改善组织，细化晶粒，为后续热处理做好组织准备。
（2） 退火 LD钢常用的退火工艺主要有以下三种：完全退火、球化退火、去应力退火。
（3） 调质 对于形状复杂、尺寸精度要求高的模具，以及模具表面需要进行强化处理（氮化）的模具，调质应放在粗加工之后，精加工之前，以减小模具淬火变形和降低精加工的表面粗糙度。
（4） 淬火 是模具获得所需的使用性能，淬火是模具制造过程中很重要的一个工序。
（5） 回火 LD模具钢淬火后都应尽快进行回火，以免在淬火应力下发生开裂。
（6） 渗碳
2、LD钢的热处理特点
1.LD钢含合金元素量多且品种多，合金化较复杂。钢的导热性差，而奥氏体化温度又高，因此加热过程宜缓慢，多采用预热或阶梯式升温。
2.为保护钢的表面质量，加热介质应予重视，所以控制气氛炉、真空炉等先进加热设备和方法普通采用，盐浴加热应充分脱氧、净化。
3.在达到淬火目的的前提下，应采用较缓和的冷却方式。
4.为了进一步强化，冷处理、或渗氮等表面处理有显著效果而采用。
5.盐浴处理后应及时清理，工序间的防护工作很重视。
6.冷作模具钢价格昂贵，冷作模具零件加工复杂、周期长、制造成本高。所以工艺制订和操作应十分慎重，避免质量事故，保证生产全过程的安全。
3、锻造工艺
LD钢锻造性能好，以缓慢加热保证烧透，加热温度不宜过高，应严格控制在1150以下，否则容易断裂。该钢锻造加热时要采用还原性火焰，力求均匀，减少阴阳面。开锻温度为1050－1120℃，终锻温度大于850℃。
模具锻造时应反复锻拔3次，以保证碳化物完全破碎，并获得均匀分布的碳化物，为以后的热处理创造条件，并有利于模具使用寿命的提高。成坯后保温缓冷，要注意钢的两头不能降温过快，以防开裂。下表为锻造工艺数值：
钢材规格mm 入炉温度 加热温度 均热温度 均温时间 总加热时间
锭 580方锭 ≤750℃ 1140－1160℃ 1140℃ 2.5－3h ≥7h
￠360锭 3－3.5h ≥8h
￠220锭 1.5－2h 5.5h
坯 ＞85方 ≤850℃ 1130－1150℃ 1130℃ 40′－1h ≥4h
≤85方 30′－40′ ≥3h
4、退火工艺
﹙1﹚锻后一般退火：加热温度840-860℃保温2-3小时，炉冷至550℃以下出炉空冷，硬度≤220HBW。
﹙2﹚锻后等温球化退火：加热温度840-860℃保温2-3小时，炉冷至700-720℃，保温4-6小时，炉冷至550℃以下出炉空冷。退火后硬度≤220HBW，组织为铁素体基体上均匀分布着球状碳化物。
退火的目的是为了均匀化组织，减少应力，利于加工。LD钢一般退火加热到860℃保温2-4h，后随炉缓慢冷却，退火硬度HB180-240。钢材可按图1工艺退火：
图1 LD钢退火工艺曲线
模坯可按图2工艺退火：
图2 模坯退火工艺曲线
如有特殊要求可按图3工艺进行球化退火：
小规格钢材（￠≤28㎜）球化退火应严格控制温度及时间。最好装箱保护以防氧化脱碳。保护介质可采用焦粉、生铁屑等。退火后的组织为球状珠光体+粒状碳化物，硬度HB187-206。
图3 LD材料的球化退火工艺
5. 淬火、回火工艺
﹙1﹚淬火：
LD钢淬火后得到淬火马氏体组织，使模具具有高硬度和高耐磨性。淬火后不可避免地存在一定数量的残余奥尸体和粗大的马氏体，降低钢材的机械强度并增加脆性，故对LD钢制作的模具，淬火马氏体级别有一定的限制，否则在使用时，模具易发生脆性损坏。淬火加热温度的高低对淬火后模具质量有着重要影响，过高的淬火温度使奥氏体晶粒长大，增加淬火变形开裂的危险，并导致淬火后马氏体组织粗大，力学性能恶化，还将使分散的残余渗碳体数量减少，残余奥氏体量增加，对工件的耐磨性不利；过低的淬火温度则使奥氏体不能融入足够的碳，也使奥氏体中碳浓度得不到充分的均匀化，对模具的机械性能和耐磨性同样是不利的。
为了提高较大的工件表面硬度，可使用较高的淬火温度。在尺寸大小使用条件允许的情况下，应选用冷却能力缓慢的冷却介质，此时也可采用较大的淬火温度。
淬火所需保温时间，必须能保证模具内部达到淬火温度并使奥氏体中碳浓度均匀化，否则淬火后将不能得到良好的性能。淬火保温时间一般根据加热设备、装炉量、模具尺寸等具体情况来确定，对于较大的模具取下限，较小的模具应取上限。
LD钢的淬火温度较宽，一般在温度为1100-1180℃中选择，淬火加热系数为20-35，冷却介质为油。淬火后基体中大块未溶共晶碳化物明显减少，而保存了许多量细、圆，均匀的颗粒状合金碳化物。淬火组织为淬火马氏体+残余奥氏体+未溶碳化物，淬火晶粒度9-11级，淬火硬度HRC57-61。 淬火后约有34％﹙体积分数﹚的残留奥氏体量，所以淬火后变形小。LD钢淬火温度 硬度、晶粒度、残留奥氏体量的关系如下表所示
LD钢淬火温度 硬度、晶粒度、残留奥氏体量的关系
淬火温度／℃ 1050 1100 1150 1200
硬度／HRC 57 60 61 60
晶粒度／级 11-12 10-11 9-10 7-8
残余奥氏体量／﹙体积分数﹚％ 14 33 35 34
﹙2﹚回火：
LD钢在淬火后具有高硬度，但存在淬火内应力，塑性很低，强度也不高，必须经过回火，使钢中的残余应力得到部分消除，使钢的机械性能改善，模具得以应用。
回火温度的选择，主要根据模具的使用条件和硬度要求，回火时间的选定主要是保证回火转变过程能较充分地进行，通常是2—3小时，回火加热介质可用油，以使温度均匀，如果使用无空气循环装置的加热炉进行回火，温度不均匀，会影响低温回火质量。充分回火后的组织是回火马氏体及颗粒状的残余渗碳体和少量的残余奥氏体。
为使奥氏体充分转化为马氏体，必须进行高温回火，回火温度一般选择在530-570℃，回火次数为2-3次，每次回火时间为1-2小时，回火硬度为56-62HRC. 回火后基体中析出大量弥散合金碳化物而产生二次硬化现象，回火组织为回火马氏体+未溶碳化物+少量残余奥氏体。
下表为不同淬火、回火温度下硬度的变化：
不同淬火、回火温度下硬度的变化
400℃ 430℃ 510℃ 530℃ 550℃ 570℃ 590℃ 610℃
1100℃油淬 58.6 62.1 62.2 62.3 61.1 59.7 58.3 56.8
1150℃油淬 60.3 62.2 62.9 63.1 62.1 60.7 58.5 56.2
﹙3﹚推荐工艺：1150℃淬火，550℃三次回火，强韧性综合指标最佳
﹙4﹚低淬低回：生产实践证明，有时为了提高模具的韧性，也可采取“低淬低回”的工艺，淬火工艺为1050-1080℃，回火温度为180-220℃，回火二次，硬度为58-62HRC。适当降低淬火温度，加热过程中让足够的碳和合金元素溶入奥氏体，淬火后获得高硬度的马氏体和少量的残余奥氏体，降低了热应力。采用低温回火，旨在消除淬火应力，并使其尽量保持淬火状态的尺寸，减少热应力变形。
此工艺特点是模具可获得高的硬度和耐磨性，适于制造既能在较高压力下工作，又能承受一定的冲击载荷、形状复杂的冷镦冲头。
图4为淬火温度对硬度、晶粒度的影响，图5为回火硬度对LD钢机械性能的影响。 五．LD钢真空热处理和盐浴热处理的对比
（一）.LD钢的盐浴热处理
LD钢的盐浴热处理工艺如下图，用于承受冲击负载较大的冲裁模具推荐热处理工艺见图6，用于冷镦、冷挤压模具推荐热处理工艺见图7。
（二）、LD钢的真空热处理
1. 真空热处理的注意要点：
目前国内外都在设法采用更先进的热处理手段来提高模具的性能延长模具的使用寿命。而真空热处理则是模具热处理中较先进的方式之一。真空炉具有不脱碳、不氧化的效果具有温度均匀，加热和冷却速度可控，可以实现不同的工艺过程，真空炉由于没有污染是国际上公认的“绿色热处理”，可以完全满足模具的热处理要求。
从实践中发现：模具在加热和冷却过程中，模具表面温度和心部的差异（加热的不均匀性和冷却的不均匀性）是造成模具变形的主要因素，而真空而真空炉具有控制加热和冷却速度的能力。
热处理作为特殊工序，只能通过工艺验证，性能试验，确定合理的工艺参数，并严格实施经确认的工艺参数来保证产品质量的可靠性和稳定性。大量数据表明，真空热处理加热的冷冲模具变形较小，很少发生线切割开裂、磨裂的现象。
冲头的工作环境和失效形式要求其热处理时的变形小和良好的表面质量。适宜的热处理恰能满足其要求，金属在一定的真空度下加热时，除可避免氧化烧损，得到光亮的表面质量外，还有脱脂、除气、表面氧化物分解以及合金元素的蒸发等效应。
在真空中加热比在盐浴等气氛中慢，一般真空的加热时间为盐浴的六倍。在周期式炉中，零件的温度滞后于仪表指示的炉温，因此，一定尺寸和一定装炉量的钢件进行真空加热时，在升温过程中往往要设置两个以上的均温台阶。
2． ZC2-65型双室油淬真空炉
该炉是一种卧式双室油淬气冷真空炉，以油淬为主，气淬为辅。将加热室炉体、淬火室、油槽以及中间门等壳体制成一个整体结构，有利于获得并维持真空。下表是该炉的部分参数：
有效加热区（长×宽×高）
／㎜ 装炉量
／㎏ 最高温度
／℃ 压升率
／﹙Pa／h﹚
600×420×220 100 1320 0.60
3. 真空回火炉
炉体和炉盖为双壁水冷，炉体法兰与炉盖之间采用双重密封结构，保证真空炉在正压和负压时运转可靠。
（三）总结
总而言之，真空热处理工艺具有加热和冷却速度自由控制的优点，可编制不同的工艺参数，得到预想的金相组织和性能。
六、不同的回火温度对力学性能的影响
经1150℃真空油淬后，需进行三次高温回火，不同的回火温度对零件的性能有不同的影响，对LD材质的冲头分别进行530℃、550℃、560℃温度下的回火，每种均是180分钟，处理完成后，其性能如下表。通过对冲头的工作条件和失效形式及的分析，最终决定采用560℃下的回火。
回火温度 抗拉
强度
／MPa 抗压屈服
强度
／MPa 抗弯强度
／MPa 挠度
／mm 冲击韧度
／J•cm﹣² KIC
／MPa•m½
530℃ 2600 2570 4810 6.6 44 198.1
550℃ 2757 3020 5360 12.7 94 208.8
560℃ 2618 2825 5056 12.6 70 219.4
七、LD材质冲头的热处理工艺
（一）．装炉
（二）．真空油淬
淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。
1. 预热
（1）预热目的：预热是为了减少内外温差，一是以减小由于温度不均而产生的热应力，二是使组织在工件的同一截面上进行转变以减少组织应力。
(2) . 加热温度：750℃
(3) . 保温时间（分）：90
(4) . 真空度（Pa）：1.33-13.3
2. 预热
(1) . 加热温度：950℃
(2) . 保温时间（分）：90
(3) . 真空度（Pa）：1.33-13.3
3. 加热
(1) . 加热温度：1150℃
(2) . 保温时间（分）：90
（3）. 真空度（Pa）：100-200
4. 冷却
预冷至950℃左右淬热油（50-70℃），油搅拌2分钟停，油冷15分钟出，及时回火。
（三）回火
1. 回火工艺：采用560℃，180分钟三次回火）
2．回火后的冷却：钢制工件回火后多采用空冷，不允许重新产出内应力的工件应缓冷；对高温回火脆性敏感的钢，450℃——650℃回火后应油冷
3. 回火组织: 回火索氏体；
4. 回火目的：使钢既有较高的强度又有良好的塑性和韧性；高铬冷作模具钢和高速钢淬火后须经2——3次回火，以充分发挥二次硬化效果和降低残余奥氏体量 。
八、结论
用LD钢制作冲头使其硬度达到58—62HRC,最佳的热处理工艺是用1150℃真空油淬+560℃三次高温回火。适宜的热处理工艺可以改变材料的组织性能，提高产品质量，改善企业效益。
九、经热处理后LD材料的最终力学性能
抗拉强度／MPa : 2618
抗压屈服强度／MPa : 2825
抗弯强度／MPa : 5056
挠度／mm : 12.6
冲击韧度／J•cm﹣² : 70
KIC／MPa•m½ : 219.4
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