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【摘要】分析了Cr12冷作模具钢的化学成分和材料特性，介绍了Cr12钢热处理工艺，并列举了实验实例进行说明。 冷作模具是将板材或棒材拉延、冲压、冷镦或冷挤成形的工具。从冷作模具服役时的受力状况可以看出，冷作模具钢应具备以下基本性能。 冷作模具钢的性能要求与工具钢相似，冷作模具在使用时要承受较大的载荷，如剪切力、压力、弯矩等，而且这些载荷大多都带有冲击力，模具与坯料间会发生强烈的摩擦，因此，对冷作模具钢要求高硬度和高的耐磨性、足够的强度、韧性和疲劳强度。冷作模具钢还要求具有良好的热处理性能、如高的淬透性、变形量小等。 众所周知，Cr12型钢常被用来制造冷作模具，但由于该钢中含有较多的碳化物且存在成分偏析现象，造成机械性能的各向异性，不同的热处理工艺对其性能的影响是很大的。 冷作模具是实现少、无切削加工先进制造技术中的重要装备，它的质量不仅关系到产品的质量和性能，而且直接影响到生产效率和成本。因此，在应用Cr12型钢制造冷作模具时，特别是一些精密和复杂模具，选择一个最合适的热处理工艺具有十分重要的意义。 Cr12型钢作为高碳高铬钢，是冷作模具钢系列中的主要钢种，多年来使用量最大。Cr12型钢的化学成分特点是含有C1.3%～2.3%、Cr11%～13%。在GB/T24594-2009《优质合金模具钢》中的Cr12 钢、Cr12MoV 钢和Cr12Mo1V1 钢，日本JIS G4404-2000《合金工具钢》中的SKD1钢和SKD11钢，日本日立金属SLD钢，日本大同特殊钢DC53钢以及美国ASTMA681-1999《合金工具钢》中的D2钢均属于Cr12型钢系列，相关钢号的化学成分见表1所示。其中DC53钢属SKD11钢的改良型钢种，故将其归入Cr12型钢系列。![]()
Cr12型钢含有高达12%的铬元素，铬元素是缩小Fe-C平衡状态图中γ区的合金元素，并使S点和E点向左移，Mo和V元素也有类似的作用。因而，这一类型钢属于莱氏体钢。Cr12型钢中含有大量的铬元素，能够形成各种类型的碳化物，主要是M7C3型共晶碳化物，其硬度在1,800～2,800HV。这种碳化物即能阻止晶粒长大，也是钢的耐磨性特别高的原因。部分铬和合金元素溶于基体中，可提高钢的淬透性和回火稳定性。通过淬火加热温度的调节，可以控制合金元素的溶解量，从而影响淬火后钢中残余奥氏体的多少，使模具达到微变形，甚至不变形，而Mo和V元素的加入，除了进一步提高钢的淬透性和回火稳定性外，还能细化晶粒，改善钢的韧性。
Cr12型钢铸态时存在鱼骨状的共晶碳化物，这种状态随着钢锭凝固速度缓慢和锭型尺寸的增大而加剧，虽然在锻轧生产中鱼骨状共晶碳化物可以在某种程度上被破碎，但在钢中仍可能存在大块状的碳化物及碳化物的不均匀分布，或使碳化物呈纤维方向性，导致钢材的各向异性。 在一般的供货状态下，Cr12型钢可能存在较严重的碳化物偏析，这些偏析的存在使模具在以后的热处理过程中易于产生不规则的变形；而钢中碳化物的堆集、块度大而棱角尖锐的角状碳化物均增加了材料的脆性，是引起模具发生崩角和脆断的重要原因。因而，Cr12型钢模具使用时，首先对材料进行锻造加工是必经之路，这是改善钢中碳化物的形态和分布状况、提高模具质量的相当重要的途径。由于Cr12型钢的共晶温度较低，在1150℃时有时会发生局部溶化，而且由于材料的导热性差，因而在锻造加热时一定要缓慢；若用冷料，加热时应在700℃附近保持一定的时间，以使其内外均热，并严格控制锻造加热温度、始锻温度和终锻温度。按照GB/T24594-2009《优质合金模具钢》，Cr12型钢的不同规格钢材都有其允许的共晶碳化物不均匀度级别，只有直径或边长在50mm模块共晶碳化物不均匀度不大于3级，但它仍不能够满足某些模具对共晶碳化物不均匀性的特殊要求（直径或边长在＞120～150mm模块共晶碳化物不均匀度不大于6级）。因此，只有再次锻造来进行改善，此时最好采用镦粗拔长且反复多次的三向锻造变形工艺，镦锻压缩比最好大于50%。 Cr12型钢模具的预先热处理有退火、正火、细化处理和调质处理。（1）退火。Cr12型钢模具退火有完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火和再结晶退火等。退火的目的主要有3点：①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷变形；②消除应力，稳定尺寸，防止和减少模具最终热处理变形和开裂；③细化晶粒，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能，为后续热处理做好组织准备。（2）正火。正火和退火的目的基本相同，正火与退火的主要区别在于冷却速度。正火冷却速度快，获得的组织较细，其强度、硬度、韧性都比退火高。不同的钢正火的目的是不一样的，Cr12型模具钢的正火是要求消除网状碳化物。（3）细化处理。Cr12型模具钢的预处理中的细化处理，是指细化碳化物处理，它是高温固溶处理，使组织中的碳化物全部固溶于奥氏体中，淬火后再进行高温回火，使碳化物以极小的质点状析出，可达到超细的目的。Cr12型模具钢球化退火后的碳化物颗粒平均尺寸为0.9～1.5μm，经超细化处理后，平均尺寸可细化到0.2～0.5μm。细化处理对Cr12型模具钢的应用都比较成功。（4）调质处理。调质处理安排在粗加工之后，精加工之前。虽然对调质处理尚有争议，实际上对于某些模具很有好处，其目的是减少以后热处理的变形和改善原始组织，尤其是让网状碳化物细化或重新组合。（1）盐浴淬火。电极盐浴炉借助于盐浴本身的电阻产生热量，炉体结构简单，热效率高，工作温度范围广。坩埚尺寸可根据加热模具及装炉量要求而设定，盐浴炉加热温度比较均匀，加热时氧化脱碳不太严重，视模具情况可实现快速加热、局部加热等。盐浴炉对环境的污染不可小视，当今尽管淘汰盐浴炉的呼声很大，但盐浴炉的作用暂时还无法用其他设备代替。 盐浴淬火有几个工艺参数要掌握好，如：加热温度、加热速度、加热时间、冷却介质温度、回火温度等。若用油冷，要控制好油的温度，在油中的冷却时间，出油时机，出油后的冷却。也有采用PAG水溶液，但比例达15%～20%；还有用硝盐淬火剂水剂或熔盐均可，温度可采用中温（300℃～450℃）。（2）真空热处理。真空炉已是Cr12型模具钢淬火的首选设备。模具经真空炉热处理后，表面不氧化，不脱碳，淬火变形小，表面硬度均匀，钢的断裂韧度有所提高，模具的使用寿命普遍上升，一般都能提高30%以上，模具真空热处理技术的使用已普遍了。 多年的生产实践证明，采用真空加热气淬比真空油淬更具有优越性。除真空气淬模具表面不会出现真空油淬后的白亮层组织外，还有气淬结构简单。模具表面状态好，畸变小，不需要清洗或喷砂等优点。 所以，除大于100mm或低合金钢采用真空油淬外，人们把真空加热气淬（特别是高压气淬）作为Cr12型模具钢淬火的主要淬火炉。特别是近几年来，随着新的理论和技术发展，真空淬火炉的发展速度极快，更加推动和扩大了真空热处理在模具中的应用，未来盐浴炉将会被真空炉所取代。 众所周知，Cr12MoV钢淬火后的显微组织是由马氏体、残余奥氏体和碳化物组成。钢的性能主要是由组成相的相对量及碳化物形态决定的。
模具试验采用两组。一组奥氏体化温度为1,030℃，淬火温度相对较低，得到的组织主要是马氏体、残余奥氏体约占20%。因此，硬度较高为60HRC以上。由于马氏体比容较大，淬火后试样尺寸增大。淬火硬度随回火温度的提高而降低，变化主要是马氏体在回火过程发生的组织变化所决定的。低温回火，马氏体发生分解，首先碳从过饱和α-Fe固溶体析出，形成ε-FexC型碳化物，和原马氏体保持共格。随温度提高，马氏体含碳量减少，ε-FexC 型碳化物转变成Fe3C型碳化物。高温回火主要促进碳化物聚集和长大。马氏体在不同温度回火这一转变过程使钢的硬度不断下降。值得注意的是Cr12MoV钢含有大量合金元素，这些合金元素存在固溶体中将会影响碳的扩散系数，阻碍和减缓马氏体分解、碳化物析出、聚集和长大过程，因此不难看出，Cr12MoV钢模具在不同温度回火硬度降低比不含合金元素的高碳钢缓慢得多。520℃回火1～3次的试样，硬度几乎不发生变化，均为56～56.5HRC。 另一组奥氏体化温度为1,130℃，淬火温度相对较高，由于钢中碳化物大量溶解，固溶体合金化浓度有很大增加，马氏体转变温度较低，所以淬火后钢中存在大量约80%残余奥氏体，硬度较低为40HRC左右。由于奥氏体为面心立方晶格，原子排列紧密，钢的比容小，淬火后试样尺寸缩小。从100℃～400℃回火残余奥氏体基本不变，因此硬度也保持在一个水平线上。从400℃～540℃回火残余奥氏体大量转变成马氏体，从而钢的硬度有明显提高，形成二次硬化，同时试样尺寸也出现显著增大。520℃回火1～3次的试样，发生明显二次硬化作用，原因是高温回火时析出特殊碳化物，在钢中高度弥散，使回火后硬度提高，硬度值升高了约4HRC，均为45～45.5HRC。因此，在实际生产中，对于残余奥氏体较多的组织应进行2～3次回火。当模具在400℃～560℃间回火时，应注意残余奥氏体的大量转变生成二次马氏体的组织应力很大，建议在此区间高温回火后还应增加一道低温回火消除应力，回火温度在180℃～250℃范围内。 现将实际生产中Cr12MoV钢模具合适的热处理工艺的选择与应用小结如下:①当模具只要求高硬度、高耐磨的性能时，可采用1,030℃油淬+180℃～200℃回火；②当模具只要求硬度58～62HRC或在此区间且还需回火后模具的尺寸要比其淬火状态小时，可采用1,030℃油淬+200℃～300℃回火；③当一些精密的复杂的模具要求高硬度，同时还要变形量最小，此时则应当选用1,030℃油淬+500℃～520℃回火一次；④当模具需用二次硬化时则应当选用：1,130℃ 油淬+520℃～560℃回火且520℃回火2～3次或560℃回火1次即可。 还有采用中温淬火（淬火温度介于两者之间）及中温回火（400℃）的工艺，可获得最好的强韧性，处理的冷镦模断裂抗力增强，寿命增加。应根据冷作模具的使用条件，选定合理的技术要求，然后选择合适的最终热处理规范，包括预热、加热温度，回火温度等等。表2是部分Cr12型冷作模具钢热处理工艺及用途。 冷作模具的热处理是模具生产中极为关键的生产环节，合理的热处理生产规范对确保模具具有足够的使用寿命影响深远。不当的热处理而导致模具早期失效的情况并不鲜见，尤其是材料中的那些共晶碳化物尺寸大、堆积又严重的区域，回火不充分的现象更为突出。因此，重视生产技术和生产经验的积累，尽可能制定出合适精细的生产规范，严格生产过程的管理和监督，才能保证模具的优质热处理生产。免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。但因转载众多，或无法确认真正原始作者，故仅标明转载来源，如标错来源，涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商版权问题或删除内容！
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