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引言
粉末冶金作为一个重要的成型工艺被机械等行业广泛应用。粉末冶金的成型模具和整形模具的质量和寿命是决定粉末冶金零件的质量与寿命的重要因素，因此，提高粉末冶金模具的质量和寿命对扩大粉末冶金零件的应用范围是非常重要的。粉末冶金模具在使用过程中通常是由于磨损而引起尺寸超差而失效报废的。工具钢一般热处理后金相组织中都含有较多的残余奥氏体，由于残余奥氏体是一种软质相，强度硬度较低，同时残余奥氏体又是不稳定相，在模具服役过程中易发生组织转变、产生组织应力，造成工模具早期破损，尤其是当残余奥氏体量超过5%以上时，会显著降低材料的强度和耐磨性。针对被粉末冶金行业广泛应用、价格低廉的Gr15钢粉末冶金零件成型模具和整形模具寿命低这一情况，采用深冷处理来提高钢的耐磨性而达到延长粉末冶金模具寿命，从而降低粉末冶金零件生产成本并提高零件质量。
1 试验方法
1.1 模具处理及试样制备
从某粉末冶金厂取一批材料为Gr15的制动环整形模具，经正常淬火热处理后立即进行深冷处理，深冷处理后对模具进行150℃低温回火。其中深冷处理工艺分别为 -100℃，-120℃，-140℃，-160℃，-196℃，深冷处理保温时间为2h。取样是直接从深冷处理好后的模具上切割，金相试样的尺寸为 12mm×12mm×10mm，抗弯试样为Φ10mm×140mm，无缺口冲击试样的尺寸为10mm×10mm×55mm，残余奥氏体测量及硬度的测量试样与金相试样相同。
1.2 性能检测和磨损形貌观察
在冲击试验机上测量出不同工艺的试样的冲击韧性，抗弯刚度由万能材料试验机测出，残余奥氏体量由X-射线衍射仪测出，利用硬度计测量出各试样的硬度。把深冷处理好的整形模具装机生产，比较未经深冷处理的模具和经不同深冷工艺处理的模具的寿命，并利用扫描电镜观察失效后的模具磨损形貌。
2 试验结果与分析
Gr15钢经不同深冷处理工艺处理后的性能如表1。表中还列出经不同深冷工艺处理的制动环整形模具的使用寿命(单个模具的整形零件个数)。
由表1可见，Gr15钢正常热处理后仍有较多的残余奥氏体存在，深冷处理是降低残余奥氏体最有效的方法。当深冷处理温度降至-140℃以下时，残余奥氏体量已基本稳定，这是由于温度降低到一定程度，未转变的残余奥氏体应力状态已经接近于等轴状态，残余奥氏体难以发生剪切变形，导致残余奥氏体向马氏体转变进程停止，因此经-196℃的深冷处理后仍有少量残余奥氏体存在。由于残余奥氏体向马氏体转变，钢的硬度在深冷处理后少许提高。Gr15钢的冲击韧性并不随硬度提高而降低，这是由于残余奥氏体是分布在马氏体针这间，因此这些新转变的马氏体较分散、细小、均匀，而且深冷处理后还保留的一部分残余奥氏体，以薄膜状分布于马氏体周围，能增加裂纹产生和扩展的难度。因此，经深冷处理后钢的冲击韧性几乎不变。深冷处理后钢的强度有所提高。这是由于深冷处理随着残余奥氏体向马氏体转变，组织进一步细化，硬度提高，因此，钢的整体强度得到提高。
利用扫描电镜观察粉末冶金零件制动环整形模具的磨损表面，可见模具的磨损形貌为在磨痕上布满大量剥落坑。图1箭头所示为疲劳裂纹扩展至模具表面，图2箭头所示为磨屑剥落后留下的剥落坑。
图1 扩展至模具表面的疲劳裂纹 700× 图2 模具磨损表面磨屑剥落坑 400×
结合模具在工作过程中受力情况，可作如下分析：由于整形模具是用来压制经过烧结后的粉末冶金零件，工作压力很高，再加上烧结后的粉末冶金零件硬度较高，因此，整形模具磨损表面布满了犁沟。另外，模具的工作表面承受很大的挤压力作用。在这强大的挤压力反复作用下，模具的亚表层软相(残余奥氏体)发生反复变形，产生大量位错并在夹杂物等缺陷处发生塞积，从而萌生裂纹，裂纹在应力作用下不断扩展，当裂纹长度达到临界值时，表面与裂纹之间的材料被剪断，产生薄片状磨屑。随着磨屑不断剥落，从而大大加快了模具的磨损，最终导致整形模具尺寸超差而报废。整形模具经深冷处理后残余奥氏体量显著降低，一方面由于硬度和强度提高而增加了犁削难度，从而降低模具的磨损速率；另一方面增加了裂纹的萌生难度，再加上残余奥氏体转变后组织得到进一步细化，使裂纹扩展时需要的能量增加，加大了裂纹扩展难度。从机械性能方面来分析，深冷处理使Cr15钢的韧性不降低，而强度提高，即钢的综合性能得到提高，从而提高了钢的抵抗裂纹萌生和扩展的能力。这样就降低了磨屑剥落的速度，从而也提高了模具的使用寿命。因此，深冷处理既提高了整形模具抗犁削磨损的能力又提高了模具抗疲劳磨损的能力，从而显著提高了整形模具的寿命，即在使用时单个模具整形零件个数显著增加。
3 结论
粉末冶金整形模具在工作过程中承受了强大的循环挤压应力而产生疲劳磨损。整形模具经深冷处理后提高了强韧性，增加了疲劳裂纹的生成和扩展难度，降低了磨屑剥落的速率，从而大大提高了模具的使用寿命。另一方面，粉末冶金模具经深冷处理后显著降低了残余奥氏体量，增加了模具硬度和强度，提高了模具抗犁削磨损的能力，这也显著提高了模具的寿命。
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