張富群

(洛陽金潤寶科技有限公司，河南 洛陽 471000)

零件重量大到16.5 t的模塊，小到M10螺栓，零件材料從耐磨高鉻鑄鐵(以Cr26為代表)到一般合金鋼和滲碳鋼，工件形狀從簡單模塊到復雜齒輪，都在聚合物淬火介質(zhì)中成功地經(jīng)受住了考驗。淬火后獲得了滿足要求的性能和組織，沒有發(fā)現(xiàn)變形和裂紋。本文提出淬火液三槽理論，即在熱處理車間里積極推廣清水槽(或無機介質(zhì)水槽)、類油聚合物水槽和PAG水槽，取消淬火油槽，從而徹底消除了煙氣污染和火災隱患。

洛陽金潤寶科技公司在聚合物水溶液淬火介質(zhì)和類油聚合物水溶液淬火介質(zhì)方面的開創(chuàng)性研究及其生產(chǎn)應用為當前“堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)”在全國熱處理行業(yè)代替污染嚴重的淬火油提供了技術及產(chǎn)品支持。本文詳細介紹了鍛造冷作模具鋼Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV和Cr12Mo1V1的性能、熱處理工藝和用途，重點介紹了ZFQ-BI型類油聚合物水基淬火介質(zhì)在Cr12和Cr12MoV鋼制冷作模具上的應用。

1 冷作模具鋼

1.1 Cr12鋼

1.1.1性能特點

Cr12鋼是高碳、高鉻型冷作模具鋼，在我國熱處理專業(yè)廠和對外加工協(xié)作冷作模具中，不論在數(shù)量上和質(zhì)量上均占30%以上。該鋼碳含量極高(質(zhì)量分數(shù)為2%～2.3%)，是目前所用冷作模具鋼中最高；鉻含量也很高(質(zhì)量分數(shù)為11.5%～13.0%)，屬于萊氏體鋼。Cr12鋼具有很高的淬透性、淬硬性和耐磨性，熱處理畸變小。但當碳化物不均勻時，變形呈多向性且不規(guī)則。Cr12鋼主要缺點是組織不良，不均勻碳化物很難用熱處理方法將其改善，除非用粉末冶金方法制造；沖擊韌度差，導熱性和高溫塑性也差。

Cr12鋼在結晶過程中形成大量的共晶網(wǎng)狀碳化物，其中碳化物含量約占20%左右(體積分數(shù))，共晶溫度約為1150 ℃，這些碳化物很硬很脆；雖經(jīng)開坯軋制、鍛造，碳化物有一定的破碎，但碳化物沿軋制方向呈帶狀、網(wǎng)狀、塊狀、堆集狀分布，偏析程度隨鋼材直徑增大而嚴重。

1.1.2化學成分、臨界點

表1 為Cr12鋼的化學成分，表2 為Cr12鋼臨界點。

表1 Cr12鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 Cr12鋼臨界點(℃)

1.1.3熱處理工藝

表3為Cr12鋼熱處理工藝。淬火溫度越高，殘留奧氏體量越多，975 ℃淬火時殘留奧氏體量為29%(體積分數(shù))；1100 ℃淬火時殘留奧氏體量達到60%左右?；鼗饻囟仍?50 ℃以下，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變量不多；450 ℃以上回火，殘留奧氏體大幅減少；550 ℃回火時，殘留奧氏體量由80%減少到20%以下。

表3 Cr12鋼熱處理工藝

1.1.4應用

1)用于硅鋼片沖模小動載條件下要求高耐磨，形狀簡單的拉伸和沖載模；

2)被廣泛用于制造截面大，形狀復雜，經(jīng)受沖擊力大，要求耐磨的冷作模具，如硅鋼片沖模、螺紋滾絲模和拉絲模等；

3)制造拉延模中要求耐磨的凹模，建議硬度為62～64 HRC；

4)用于鋁件冷擠壓凸模，建議硬度為60～62 HRC；

5)用于制造彎曲模中要求高耐磨、形狀復雜的凸模、凹模和鑲塊，做凸、凹模時，建議硬度為60～64 HRC；

6)用于制造受沖擊載荷較小，中小批量生產(chǎn)，且要求耐磨性的冷沖模；

7)剪切硬而薄的金屬冷剪切刀；

8)用于制造鉆套、量規(guī)、壓印模、一般五金沖壓模具、形狀復雜的冷壓工具、成型軋輥；

9)適合制造要求高耐磨性的大型、復雜和精密的塑料模。

1.2 Cr12Mo鋼

1.2.1性能特點

Cr12Mo鋼是一種高鉻微變形模具鋼，屬萊氏體鋼，是Cr12型鋼系列之一。鋼中加入Mo能進一步提高鋼的淬透性，細化晶粒和共晶碳化物，從而改善韌性，提高耐回火穩(wěn)定性。該鋼淬火及回火后的硬度、強度、韌性比Cr12鋼高，截面為300～400 mm時可全淬透，耐磨性和塑性好，形變小，但高溫塑性欠佳。

Cr12Mo鋼的鑄態(tài)組織與高速工具鋼鑄態(tài)組織相似，在結晶過程中形成大量的共晶碳化物，這些碳化物都很硬、很脆；雖經(jīng)開坯軋制，碳化物有一定程度的破碎，但碳化物沿軋制方向呈帶狀、網(wǎng)狀、塊狀、堆積狀分布，并沒有實質(zhì)性的變化，且偏析程度隨鋼材直徑增大而嚴重。

1.2.2化學成分、臨界點

表 4為Cr12Mo鋼的化學成分，表5為Cr12Mo鋼臨界點。

表4 Cr12Mo鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表5 Cr12Mo鋼臨界點(℃)

1.2.3熱處理工藝

Cr12Mo鋼處理工藝見表6。

1.2.4應用

1)廣泛用于截面大、形狀復雜、經(jīng)受沖擊力大、要求耐磨的冷作模具；

表6 Cr12Mo鋼熱處理工藝

2)用于硅鋼片沖模、冷切邊剪刀、切邊模、滾邊模、拉絲模、搓絲板和滾絲模等；

3)制造形狀復雜的沖孔凹模、鋼板拉深模等。

1.3 Cr12MoV鋼

1.3.1性能特點

Cr12MoV是高碳高鉻萊氏體鋼，其碳含量比Cr12鋼低得多，且加入Mo、V元素，使鋼的熱加工工藝性、沖擊韌度和碳化物分布都得到明顯改善。該鋼有較高的耐磨性、淬透性、淬硬性、強韌性、熱穩(wěn)定性、抗壓強度、熱處理畸變小，綜合性能優(yōu)良，具有廣泛的適應性。受熱軟化溫度約為520 ℃。尺寸在400 m以下完全可以淬透，該鋼的耐磨性比一般低合金工具鋼高3～4倍。

在結晶過程中形成大量的共晶網(wǎng)狀碳合物，這些碳化物很硬、很脆；雖經(jīng)開坯軋制、反復鐓拔，碳化物有一定程度的破碎，但碳化物沿軋制方向呈帶狀、網(wǎng)狀、塊狀、堆集狀分布，并沒有實質(zhì)性的改觀，偏析程度隨鋼材直徑增大而嚴重。

Cr12MoV鋼淬火后，在450 ℃以下回火，隨回火溫度的升高，硬度下降，長度收縮，是因為馬氏體中析出碳化物；在480～550 ℃回火時，殘留奧氏體分解，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，硬化效果與淬火溫度息息相關。

1.3.2化學成分、臨界點

表 7為Cr12MoV鋼的化學成分，表8為Cr12MoV鋼臨界點。

表7 Cr12MoV鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表8 Cr12MoV鋼臨界點(℃)

1.3.3熱處理工藝

Cr12MoV鋼處理工藝見表9。

1.3.4應用

1)Cr12MoV鋼廣泛用于制造截面大、形狀復雜、經(jīng)受沖擊力大和要求耐磨性高的冷作模具，如硅鋼片沖模、冷切剪刀、切邊模、滾邊模、拉絲模、搓絲板、螺絲滾模、形狀復雜的沖孔凹模和鋼板拉伸模等；

表9 Cr12MoV鋼熱處理工藝

表10 Cr12MoV鋼推薦的淬火規(guī)范

表11 Cr12MoV鋼推薦的回火規(guī)范

2)是制造軋制焊接鋼管的軋輥首選鋼號，其使用壽命比Cr2鋼提高7倍多；

3)用該鋼制造的純鋁毛坯反擠壓沖頭，在承受壓力為1000 MPa左右的情況下，沖頭的壽命保證在5萬件以上，主要失效形式是磨損和表面拉毛；

4)用于制造料厚度>3 mm的沖裁模、形狀復雜的凸模、凹模、鑲塊，制作凸模時建議硬度為58～62 HRC，做凹模時建議硬度為60～64 HRC；

5)用于制造沖裁模具中要求高耐磨的凸模、凹模，做凸模時建議硬度為60～62 HRC，做凹模時建議硬度為62～64 HRC；

6)用于制造拉延模中要求高耐磨性的凹模，建議硬度62～64 HRC；

7)用于制造彎曲模中要求高耐磨、形狀復雜的凸模、凹模、鑲塊，做凸模時建議硬度為60～62 HRC，做凹模時建議硬度為60～64 HRC；

8)用于制造鋁件冷擠壓模，做凸模時建議硬度為62～64 HRC；

9)用于制造銅件冷擠壓凹模、凸模，建議硬度為62～64 HRC。

1.4 Cr12Mo1V1鋼

1.4.1性能特點

Cr12Mo1V1(D2)鋼是國際上廣泛采用的高碳高鉻型、萊氏體冷作模具鋼。該鋼成分與Cr12MoV鋼基本一致。經(jīng)過多年的實踐證明，Cr12Mo1V1鋼的性能優(yōu)于Cr12MoV。Cr12Mo1V1鋼中Mo、V含量比Cr12MoV鋼高，并含有少量的Co，其強韌性、耐磨性均有所提高。

Cr12Mo1V1鋼有高淬透性，高耐磨性，高溫抗氧化性好，熱處理畸變小。

1.4.2化學成分、臨界點

表12為Cr12Mo1V1鋼的化學成分，表13為Cr12Mo1V1鋼臨界點。

表12 Cr12Mo1V1鋼化學成分)質(zhì)量分數(shù)，%)

表13 Cr12Mo1V1鋼臨界點(℃)

1.4.3熱處理工藝

Cr12Mo1V1鋼處理工藝見圖14。

1.4.4應用

1)Cr12Mo1V1鋼廣泛應用于表殼沖壓各式模具；

2)用于制造要求耐磨、壽命長的各類冷沖壓模具；

3)用于制造截面大、形狀復雜、經(jīng)受沖擊力大、要求耐磨性高的冷作模具，如硅鋼片沖模、冷切剪刀、切邊模、滾邊模、量塊、拉絲模，搓絲板、滾絲模、沖孔凹模、鋼板深拉伸模等；

4)用于熱固塑料成型模、熱固性樹脂成型模等。

表14 Cr12Mo1V1鋼熱處理工藝

2 類油聚合物水基淬火介質(zhì)

近年來，洛陽金潤寶科技公司在類油聚合物水溶液淬火介質(zhì)和聚合物水溶液介質(zhì)兩方面進行了開創(chuàng)性研究(以三個專利為代表)，形成了ZFQ-A型、ZFQ-BI型及ZFQ-BII型三個系列[3]。前兩個為類油型，后一個PAG型，參照ISO 9950標準測試，表15為金潤寶ZFQ系列聚合物淬火介質(zhì)最大冷卻速度和在300 ℃冷卻速度及從300～200 ℃冷卻時間譜系部分。

這三個型號淬火介質(zhì)的最大冷卻速度為15～151 ℃/s，300 ℃冷卻速度為6.4～47.4 ℃/s。基本上滿足了各種高鉻鑄鐵(以Cr26為代表)、中碳中合金鋼和高碳高合金鋼的淬火工藝需求。ZFQ-A型最有特點(見表16)，最大冷卻速度為15～20 ℃/s，比快速淬火油的114 ℃/s和普通淬火油的83.5 ℃/s要小很多。這是一種超慢速類油聚合物淬火介質(zhì)。已成功地應用于高鉻耐磨鑄件的熱處理生產(chǎn)中[4]。

表15 金潤寶ZFQ系列聚合物淬火介質(zhì)最大冷卻速度和在300 ℃冷卻速度及從300～200 ℃冷卻時間譜系(部分)

表16 ZFQ-A型和油、水、風冷+霧冷的冷卻特性

表17是ZFQ-BI類油聚合物淬火介質(zhì)的冷卻特性。與ZFQ-A型的區(qū)別是最大冷卻速度比較快，為66.6～108 ℃/s，300 ℃冷卻速度為7.2～27 ℃/s。而普通淬火油和高速淬火油的最大冷卻速度為83.5～114.3 ℃/s，300 ℃時冷卻速度為6.5～16.4 ℃/s。由此可見，淬火油的最大冷速帶和ZFQ-BI型的是重疊的，同時兩者300 ℃的冷速也是接近的。這就提供了類油聚合物介質(zhì)代替淬火油的可能性。

從2015年10月開始，ZFQ-BI型類油聚合物淬火介質(zhì)(濃度15%)，已成功地應用于選礦廠直徑為10.97 m半自磨機合金鋼襯板上(材料ZG45Cr2NiMo)，代替了原用淬火油，完全解決了淬火開裂難題[5]。

3 ZFQ-BI型類油聚合物水基淬火介質(zhì)在Cr12和Cr12MoV鋼制冷作模具的應用

這里所指的冷作模具主要是指軋制焊接鋼管的軋輥，包括凸模和凹模。從2020年開始進行類油聚合物水溶液淬火介質(zhì)代替淬火油的生產(chǎn)性試驗，獲得成功。Cr12MoV鋼制凸模(最大重量400 kg)，在980 ℃加熱淬火、200 ℃回火后，硬度達到60 HRC以上，沒有發(fā)生開裂現(xiàn)象，機械性能與油淬相當，現(xiàn)在已投入大批量生產(chǎn)。

為了降低成本，減少介質(zhì)的使用量，專門為用戶量身定制了ZFQ-BI型淬火介質(zhì)與水配比為15%的水溶液。Cr12MoV鋼制軋輥用ZFQ-BI型類油聚合物15%水溶液冷卻曲線如圖1所示，冷卻特性如表18所示。Cr12和Cr12MoV軋輥圖片見圖2。

由表18可見ZFQ-BI型類油聚合物15%水溶液的冷卻特性，與普通淬火油十分接近。最大冷速分別為64.2 ℃/s和83.5 ℃/s，300℃時冷速分別為5.9 ℃/s和6.5 ℃/s，特別是300 ℃冷速非常接近，完全能保證在馬氏體轉(zhuǎn)變階段，產(chǎn)生的應力非常小，工件不發(fā)生開裂。

表17 ZFQ-BI型和油、水、風冷的冷卻特性

表18 Cr12MoV鋼制軋輥用ZFQ-BI型淬火介質(zhì)冷卻特性

4 結束語

冷作模具的典型用鋼是Cr12型系列，應用廣泛的有Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV和Cr12Mo1V1鋼。其中Cr12MoV鋼在軋制焊接鋼管模具上的應用最好，使用壽命長，性價比高。

本項目開發(fā)的ZFQ系列聚合物水溶液淬火介質(zhì)(ZFQ-A型及ZFQ-BI型為類油型，ZFQ-BII型為PAG型)的最大冷速為15～151 ℃/s，300 ℃冷速為6.4～47.4 ℃/s，基本上滿足了各種高鉻鑄鐵(以Cr28為代表)、中碳中合金鋼和高碳高合金鋼(以Cr12MoV鋼系列為代表)淬火工藝的需要。

ZFQ-BI型類油聚合物15%水溶液最大冷速為64.2 ℃/s，300 ℃冷速為5.9 ℃/s，已成功地用于Cr12MoV鋼制焊接鋼管軋輥的淬火，代替了淬火油，淬火后軋輥硬度大于60 HRC，沒有淬火裂紋。

圖1 淬火介質(zhì)冷卻曲線

圖2 Cr12和Cr12MoV軋輥圖