粉末冶金模具的深冷處理

　　粉末冶金作為一個(gè)重要的成型工藝被機(jī)械等行業(yè)廣泛應(yīng)用。粉末冶金的成型模具和整形模具的質(zhì)量和壽命是決定粉末冶金零件的質(zhì)量與壽命的重要因素，因此，提高粉末冶金模具的質(zhì)量和壽命對(duì)擴(kuò)大粉末冶金零件的應(yīng)用范圍是非常重要的。粉末冶金模具在使用過(guò)程中通常是由于磨損而引起尺寸超差而失效報(bào)廢的。工具鋼一般熱處理后金相組織中都含有較多的殘余奧氏體，由于殘余奧氏體是一種軟質(zhì)相，強(qiáng)度硬度較低，同時(shí)殘余奧氏體又是不穩(wěn)定相，在模具服役過(guò)程中易發(fā)生組織轉(zhuǎn)變、產(chǎn)生組織應(yīng)力，造成工模具早期破損，尤其是當(dāng)殘余奧氏體量超過(guò)5%以上時(shí)，會(huì)顯著降低材料的強(qiáng)度和耐磨性［1］。針對(duì)被粉末冶金行業(yè)廣泛應(yīng)用、價(jià)格低廉的Gr15鋼粉末冶金零件成型模具和整形模具壽命低這一情況，采用深冷處理來(lái)提高鋼的耐磨性而達(dá)到延長(zhǎng)粉末冶金模具壽命，從而降低粉末冶金零件生產(chǎn)成本并提高零件質(zhì)量。1試驗(yàn)方法1.1模具處理及試樣制備

　　從某粉末冶金廠取一批材料為Gr15的制動(dòng)環(huán)整形模具，經(jīng)正常淬火熱處理后立即進(jìn)行深冷處理，深冷處理后對(duì)模具進(jìn)行150℃低溫回火。其中深冷處理工藝分別為-100℃，-120℃，-140℃，-160℃，-196℃，深冷處理保溫時(shí)間為2h。取樣是直接從深冷處理好后的模具上切割，金相試樣的尺寸為12mm×12mm×10mm，抗彎試樣為?10mm×140mm，無(wú)缺口沖擊試樣的尺寸為10mm×10mm×55mm，殘余奧氏體測(cè)量及硬度的測(cè)量試樣與金相試樣相同。1.2性能檢測(cè)和磨損形貌觀察

　　在沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量出不同工藝的試樣的沖擊韌性，抗彎剛度由萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)出，殘余奧氏體量由X-射線衍射儀測(cè)出，利用硬度計(jì)測(cè)量出各試樣的硬度。把深冷處理好的整形模具裝機(jī)生產(chǎn)，比較未經(jīng)深冷處理的模具和經(jīng)不同深冷工藝處理的模具的壽命，并利用掃描電鏡觀察失效后的模具磨損形貌。2試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　Gr15鋼經(jīng)不同深冷處理工藝處理后的性能如表1。表中還列出經(jīng)不同深冷工藝處理的制動(dòng)環(huán)整形模具的使用壽命(單個(gè)模具的整形零件個(gè)數(shù))。表1Gr15鋼不同工藝處理后的性能和模具壽命深冷處理溫度(℃) 殘余奧氏體量(%) 硬度(HRC) 沖擊韌性(J/cm2) 抗彎強(qiáng)度(MPa) 模具使用壽命(整形零件個(gè)數(shù))-100℃ 4.5——5.5 61 6.82 2 572 4 300-120℃ 3——4 61 6.78 2 608 4 900-140℃ 2——3 61.5 6.75 2 635 5 800-160℃ 1.5——2.5 62 6.72 2 637 6 600-196℃ 1——2 62 6.69 2 627 6 9000℃ 7——8 60.5 6.86 2 501 3 000,可見(jiàn)，Gr15鋼正常熱處理后仍有較多的殘余奧氏體存在，深冷處理是降低殘余奧氏體最有效的方法。當(dāng)深冷處理溫度降至-140℃以下時(shí)，殘余奧氏體量已基本穩(wěn)定，這是由于溫度降低到一定程度，未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)接近于等軸狀態(tài)，殘余奧氏體難以發(fā)生剪切變形，導(dǎo)致殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變進(jìn)程停止，因此經(jīng)-196℃的深冷處理后仍有少量殘余奧氏體存在。由于殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，鋼的硬度在深冷處理后少許提高。Gr15鋼的沖擊韌性并不隨硬度提高而降低，這是由于殘余奧氏體是分布在馬氏體針這間，因此這些新轉(zhuǎn)變的馬氏體較分散、細(xì)小、均勻，而且深冷處理后還保留的一部分殘余奧氏體，以薄膜狀分布于馬氏體周?chē)茉黾恿鸭y產(chǎn)生和擴(kuò)展的難度。因此，經(jīng)深冷處理后鋼的沖擊韌性幾乎不變。深冷處理后鋼的強(qiáng)度有所提高。這是由于深冷處理隨著殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，組織進(jìn)一步細(xì)化，硬度提高，因此，鋼的整體強(qiáng)度得到提高。

　　利用掃描電鏡觀察粉末冶金零件制動(dòng)環(huán)整形模具的磨損表面，可見(jiàn)模具的磨損形貌為在磨痕上布滿大量剝落坑。圖1箭頭所示為疲勞裂紋擴(kuò)展至模具表面，圖2箭頭所示為磨屑剝落后留下的剝落坑。

　　擴(kuò)展至模具表面的疲勞裂紋700× 模具磨損表面磨屑剝落坑400× 　　結(jié)合模具在工作過(guò)程中受力情況，可作如下分析：由于整形模具是用來(lái)壓制經(jīng)過(guò)燒結(jié)后的粉末冶金零件，工作壓力很高，再加上燒結(jié)后的粉末冶金零件硬度較高，因此，整形模具磨損表面布滿了犁溝。另外，模具的工作表面承受很大的擠壓力作用。在這強(qiáng)大的擠壓力反復(fù)作用下，模具的亞表層軟相(殘余奧氏體)發(fā)生反復(fù)變形，產(chǎn)生大量位錯(cuò)并在夾雜物等缺陷處發(fā)生塞積，從而萌生裂紋，裂紋在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到臨界值時(shí)，表面與裂紋之間的材料被剪斷，產(chǎn)生薄片狀磨屑［2］。隨著磨屑不斷剝落，從而大大加快了模具的磨損，最終導(dǎo)致整形模具尺寸超差而報(bào)廢。整形模具經(jīng)深冷處理后殘余奧氏體量顯著降低，一方面由于硬度和強(qiáng)度提高而增加了犁削難度，從而降低模具的磨損速率；另一方面增加了裂紋的萌生難度，再加上殘余奧氏體轉(zhuǎn)變后組織得到進(jìn)一步細(xì)化，使裂紋擴(kuò)展時(shí)需要的能量增加，加大了裂紋擴(kuò)展難度。從機(jī)械性能方面來(lái)分析，深冷處理使Cr15鋼的韌性不降低，而強(qiáng)度提高，即鋼的綜合性能得到提高，從而提高了鋼的抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力。這樣就降低了磨屑剝落的速度，從而也提高了模具的使用壽命。因此，深冷處理既提高了整形模具抗犁削磨損的能力又提高了模具抗疲勞磨損的能力，從而顯著提高了整形模具的壽命，即在使用時(shí)單個(gè)模具整形零件個(gè)數(shù)顯著增加。3結(jié)論

　　粉末冶金整形模具在工作過(guò)程中承受了強(qiáng)大的循環(huán)擠壓應(yīng)力而產(chǎn)生疲勞磨損。整形模具經(jīng)深冷處理后提高了強(qiáng)韌性，增加了疲勞裂紋的生成和擴(kuò)展難度，降低了磨屑剝落的速率，從而大大提高了模具的使用壽命。另一方面，粉末冶金模具經(jīng)深冷處理后顯著降低了殘余奧氏體量，增加了模具硬度和強(qiáng)度，提高了模具抗犁削磨損的能力，這也顯著提高了模具的壽命。