聚合物水基淬火介質在鍛造冷作模具鋼上的應用

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中成功地經受住了考驗。淬火后獲得了滿足要求的性能和組織，沒有發現變形和裂紋。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和類油聚合物水溶液淬火介質方面的開創性研究及其生產應用為當前“堅決打好污染防治攻堅戰”在全國熱處理行業代替污染嚴重的淬火油提供了技術及產品支持。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，在我國熱處理專業廠和對外加工協作冷作模具中，不論在數量上和質量上均占30%以上。該鋼碳含量極高(質量分數為2%～2.3%)，是目前所用冷作模具鋼中最高；鉻含量也很高(質量分數為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狀碳化物，其中碳化物含量約占20%左右(體積分數)，共晶溫度約為1150 ℃，這些碳化物很硬很脆；雖經開坯軋制、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(質量分數，%)

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)；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，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、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鋼的鑄態組織與高速工具鋼鑄態組織相似，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、網狀、塊狀、堆積狀分布，并沒有實質性的變化，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(質量分數，%)

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、熱穩定性、抗壓強度、熱處理畸變小，綜合性能優良，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狀碳合物，這些碳化物很硬、很脆；雖經開坯軋制、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、網狀、塊狀、堆集狀分布，并沒有實質性的改觀，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，轉變為馬氏體，產生二次硬化現象，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(質量分數，%)

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鋼推薦的淬火規范

表11 Cr12MoV鋼推薦的回火規范

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。經過多年的實踐證明，Cr12Mo1V1鋼的性能優于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)質量分數，%)

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

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和聚合物水溶液介質兩方面進行了開創性研究(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的最大冷卻速度為15～151 ℃/s，300 ℃冷卻速度為6.4～47.4 ℃/s?；旧蠞M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。已成功地應用于高鉻耐磨鑄件的熱處理生產中[4]。

表15 金潤寶ZFQ系列聚合物淬火介質最大冷卻速度和在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的冷卻特性。與ZFQ-A型的區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(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代替淬火油的生產性試驗，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，沒有發生開裂現象，機械性能與油淬相當，現在已投入大批量生產。

為了降低成本，減少介質的使用量，專門為用戶量身定制了ZFQ-BI型淬火介質與水配比為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變階段，產生的應力非常小，工件不發生開裂。

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。

本項目開發的ZFQ系列聚合物水溶液淬火介質(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 淬火介質冷卻曲線

圖2 Cr12和Cr12MoV軋輥圖