《模具材料及其失效分析》
结课大作业
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2013年月日
一12CrNi3A钢简介
(1)12CrNi3A钢是中淬透性合金渗碳钢。

该钢淬火，低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，切削加工性能良好，当硬度为260-320HBS时，相对切削加工性为60%-70%。

另外，钢退火后硬度低，塑性好，因此，既可以采用切削加工方法，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。

模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度，高耐磨性而心部具有很好的韧性。

但该钢有回火脆性倾向和形成白点的倾向，在冶金生产和热处理工程过程中必须注意。

….
二12CrNi3A钢热处理特点
(1) 锻造工艺：锻造加热温度为1200℃，始锻温度1150℃，终锻温度大于850℃，锻后缓冷，锻后必须软化退火。

(2) 退火工艺：670-680℃加热，保温4-6h后以5-10℃/h的速度缓冷至600℃，再炉冷至室温，退火后的硬度＜160HBS,适于冷挤压成形。

(3) 正火工艺：880-940℃加热并保温3-4h后空冷，正火后硬度≤229HBS,切削加工性良好。

(4) 渗碳及淬火工艺：12CrNi3钢材采用气体渗碳工艺时，加热温度为900-920℃，保温6-7h,可获得0.9-1.0mm的渗碳层，渗碳后预冷至800-850℃后直接油淬或空冷，淬火后表层硬度可达56-62HRC,心部硬度为250-380HBS,变形微小。

采用渗碳钢制作的模具经表面渗碳后，使表面具备高耐磨性而心部保持高强韧性，不会发生早期磨损和脆断失效。

其不足之处就是热处理工艺较复杂。

三12CrNi3A钢材料的热处理规范[3]
（1）对热处理工艺的要求
渗碳层的厚度压制含有矿物填料的塑料（硬性塑料）时，模具的渗碳层厚度为
1.3—1.5mm.压制软性塑料时取0.8—1.2mm。

有些模具有尖齿，薄边，则取0.2—0.6mm.
(2) 渗层的化学成分若采用碳氮共渗，则其耐磨性，抗氧化性，耐腐蚀性，抗粘料性均优于前者。

尤其对于压制胺基塑料的模具，碳氮共渗的效果更好。

…….
（10）渗碳后淬火工艺规程，直接空冷淬火，更好的是在氨气氛围下冷却淬火。

四12CrNi3A钢材料应用举例
是用途较广的高级渗碳钢，与15Cr、20Cr钢相比，其强度、塑性、淬透性均高。

12CrNi3A 钢主要用于冷挤压成形的形状复杂的浅型腔塑料模具。

也可用来制造大、中型切削加工成形的塑料模具主要用来制作重负荷条件下要求高强度，高硬度和高韧性的主轴及要求中心韧性很高或承受冲击负荷、表面耐磨、热处理变形小的轴、杆以及在高速和冲击负荷下工作的各种传动齿轮、调节螺钉、凸轮轴
12CrNi3塑料模具
12CrNi3A涡轮蜗杆1
四.三各工序前后模具材料的微观组织与机械性能
锻造工艺锻造热处理温度见表3
表3 锻造热处理温度
试样热处理工艺:
锻件经退火后消除残余应力，而后进行粗车，然后进行调质处理。

当锻件的碳化物偏析比
较严重，常规球化退火工艺效果不理想时, 可采用锻后调质处理，即锻后稍作停留或在精
加工前增加一道调质工序，也可利用锻后余热直接进行球化退火或循环球化退火。

调质处
理后锻件能获得均匀细致的索氏体组织,不仅可保证工件最后淬火具有均匀的硬度,而且有
利于淬火后减小工件的变形, 增加工件的尺寸稳定性。

12CrNi3A齿轮试样经调质、感应加热淬火和低温回火后获得显微组织表面为细马氏体、残余奥氏体和碳化物，心部组织为回火索氏体。

回火后不仅消除了淬火时产生的残余应力，降低了脆性，防止变形和开裂，调整了强度，硬度，塑性和韧性，而且稳定了显微组织和工件尺寸，使其达到了使用性能和工艺要求。

12CrNi3A齿轮调质工艺
12CrNi3A齿轮调质组织[3]
四.各工序前后模具材料的微观组织与机械性能
成分分析：钢的含碳量可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高韧性的作用．并提高钢的耐磨性。

Cr是12CrNi3A合金钢中主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。

铬与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。

Mn和Si是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。

它还把钢液中的氧化铁还原成铁，并形成氧化锰和二氧化硅。

锰除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的硫结合成MnS,从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。

这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留与钢中，成为非金属夹杂物。

脱氧剂中的锰和硅会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中，提高铁素体的强度。

硅溶于铁素体中后有很强的固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度[6]。

Ni也是12CrNi3A合金钢中的主要元素。

它的存在提高了钢的强度，而不降低其塑性，改善了钢铁的低温韧性降低了钢铁的临界冷却速度，提高铁的淬透性扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素，此外其本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力。

②12CrNi3A齿轮的低温回火。

低温回火的温度为200℃，保温1h。

回火中的主要组织为回火马氏体。

回火马氏体既保持了钢的高硬度，高强度和良耐磨性，又适当提高了韧性。

经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时降低了钢的淬火应力和脆性[6]。

四.微观组织检验要求
球化退火后的珠光体组织按GB1298-77要求等级2～4级，网状碳化物等级≤2，带状碳化物等级≤4[7]
（三）12CrNi3A钢柴油发动机零件鳞裂失效分析及防止措施[8]
12CrNi3A钢是一种典型的合金渗碳钢，常用于截面较大、心部综合力学性能要求较高的重要零件上，如船舰柴油发动机齿轮、凸轮轴、倒顺车机构活塞与盖、活塞销和曲轴等。

生产中多次发现尺寸较大的12CrNi3A零件，渗碳淬火后，零件表面出现鳞状裂纹，废品率曾高达20%-60%，严重时整批报废。

（1）鳞裂断口特征。

扫描电镜（SEM）观察，断口基本上是沿晶的，并且有明显的晶间断裂特征，穿晶撕裂和氢脆特征不明显。

（2）内裂和析氢的关系。

对渗碳后各种冷却方式进行试件氢含量分析，表明氢含量甚低，难以形成白点及其他形式开裂。

扫描电镜观察未发现有氢脆特征的鸡爪状痕迹。

这说明氢脆不是引起鳞裂的主要原因，可排除其影响。

（3）内裂与冷却速度的关系。

为了探索零件内裂与渗碳后冷却速度的关系，采用专用试件用热电偶测定了冷却速度，结果列于表4
避开危险冷却速度，用更快或更慢冷却速度冷却零件。

（1)用550度等温冷却方式，可综合防止各种不利因素的影响。

在12CrNi3A钢渗碳层奥氏体最不稳定温度（奥氏体等温转变图鼻夹处）等温5h后，可使渗碳层几乎全部转变为珠光体，从而避免了鳞裂缺陷发生。

五课程学习体会
这学期学了模具材料的知识，认识到了模具材料的作用、地位、应用与发展，它是工业的灵魂，没有模具就没有这么蓬勃的工业化大生产。

而如何设计好模具呢?设计者必定要先打好模具设计的知识基础，如模具的失效与使用寿命；模具材料的分类；不同模具材料的性能，选用及发展；各种模具材料的制造和热处理工艺等等。

结课大作业是对我一学期以来知识与方法掌握多少的考查，在完成这次作业的同时，我进一步认识到知识无穷尽，面对那些凝结智慧的书籍，很惊讶。

模具这块领域，等着更
多的人去发现去研究，寻找更容易设计，更环保，寿命更长的模具。

做事都要用心，即使是同一内容，不同书里就有不同的见解，也许都可行。

收集资料的时候，不能只看一本。

在此期间，我感受到了要先列提纲，有系统科学的方法能让人的办事效率倍增。

参考文献
[1] 周超梅于林华主编. 金属材料与模具材料[M].北京：北京理工大学出版社.2009.
[2] 中国机械工程学会热处理学会编热处理手册热处理质量控制和检验[M] 第四版北京:机械工业出版社，2008.1: 620-621
[3][4] 冯晓曾王家瑛等编.提高模具寿命指南——选材几热处理[M] .北京：机械工业出版社(M).1994.2
[5] 邓明主编.现代模具制造技术[M]. 北京：化学工业出版社.2005.6
[6] 崔忠圻.覃耀春.金属学与热处理[M]，2007,5：123～124，283～284.
[7] 宝忠. 冷作模具的常见失效形式及热处理质量检验[J]. 模具制造，2004（6）：63-65.
[8闫承沛编著.零件热处理缺陷分析及对策400例[M].北京：机械工业出版社,2008.6:551-552.。