4Cr5MoSiV熱擠壓模具熱處理工藝

1、4Cr5MoSiV熱擠壓模具熱處理工藝1 熱處理工藝課程設計的目的熱處理工藝課程設計是高等學校金屬材料工程專業(yè)一次專業(yè)課設計練習，是熱處理原理與工藝課程的最后一個教學環(huán)節(jié)。其目的是：（1）培養(yǎng)學生綜合運用所學熱處理課程的知識去解決工程問題的能力，并使其所學知識得到鞏固和發(fā)展。（2）學習熱處理工藝設計的一般方法、熱處理設備選用和夾具設計等。（3）進行熱處理設計的基本技能訓練，如計算、零件繪圖和學習使用設計資料、手冊、標準和規(guī)范。因此，本課程設計要求我們綜合運用所學知識來解決生產實踐中的熱處理工藝制定問題，包括工藝設計中的細節(jié)問題，如設備的選用，夾具的設計等。要求我們設計工藝流程，這需要翻查大量的

2、文獻典籍。如何靈活使用資料、手冊，怎樣高效查找所需信息，以及手冊的查找規(guī)范和標準等，均不是一蹴而就的事情，需要我們在實踐中體會并不斷地總結，才能不斷進步。材料熱處理工藝課程設計是培養(yǎng)材料專業(yè)學生在熱處理原理方面能力的重要環(huán)節(jié)，紙上談兵是經不起考驗的，扎實的理論唯有通過實踐才能夠證明，且科學的實踐能夠有效鞏固甚至發(fā)展原有的理論，因此，本課程設計通過給出20余種不同牌號的材料，要求學生以個人（允許討論）或組隊的方式完成熱處理工藝的設計，對學生鞏固已學熱處理知識、學習使用工具書、增強團隊合作意識等是大有裨益的。2零件的技術要求及選材2.1熱擠壓模具的工作條件 熱擠壓模具用于機器零件和型材的擠壓成型，

3、主要有沖頭、凹模及其他輔助部分組成，其工作條件決定于擠壓設備的類型、被擠壓材料的性質、加熱溫度及擠壓工藝等因素。（1） 熱擠壓模具的工作溫度 熱擠壓模具在擠壓銅合金、鈦合金時，工作溫度可達600800，甚至更高。（2） 熱擠壓模具工作時的冷卻條件 在工作過程中，熱擠壓模具都被強制冷卻，以免模具的溫升過高。（3） 熱擠壓模具的受力條件 熱擠壓沖頭在工作時要受到大的壓力、彎矩及循環(huán)熱應力的作用。凹模的模腔受大的壓應力和拉應力的作用，易生脆裂，還要受到摩擦和熱疲勞的作用。2.2熱擠壓模具的失效形式 熱擠壓模具常見的失效形式有早期脆斷、熱疲勞、疲勞斷裂、堆塌及磨損等。熱擠壓模具由于工作溫度較高，因此，

4、除脆斷外，型腔堆塌及磨損就成為熱擠壓模具的主要失效形式。2.3熱擠壓模具材料的選用影響熱作模具壽命的因素很多，例如模具的受力情況、工作溫度、冷卻方式，被加工材料的性質、變形量、變形速度以及潤滑條件等。因此，在選擇材料時，應根據(jù)模具的類型及具體工作條件合理的選用。熱擠壓模具用鋼要求有高的斷裂抗力、抗壓、抗拉及屈服強度，沖擊韌度，斷裂韌度，耐回火性及高溫強度，室溫和高溫硬度。此外，還要求具有高的導熱性、小的熱脹系數(shù)、高的高溫相變點和抗氧化能力。熱擠壓模具的主要用鋼見表1所示。表1模具名稱鋼號工作硬度HRC備注機械壓力機及水壓機沖頭3Cr2W8V4450水冷卻3Cr3Mn3W2V44506Cr4Mn

5、3Ni2WV48523Cr3Mn3VNb44985Cr4Mn3SiMnVAl48525Cr4W5Mn2V48524Cr5W2VSi43474Cr5MoSiV14347機械壓力機及水壓機凹模3Cr2W8V3845水冷卻3Cr3Mo3W2V43463Cr3Mo3VNb43466Cr4Mo3Ni2WV48524Cr3Mo3W4VTiNb48524Cr5MoSiV43474Cr5MoSiV14347在課程設計中，我們選用4Cr5MoSiV鋼作為熱擠壓模具材料。2.4 化學成分及合金元素的作用2.4.1 4Cr5MoSiV的主要化學成分表2化學成分CSiMnMoVP、S（）Cr質量分數(shù)（%）0.30.4

6、30.81.200.20.501.11.600.300.600.0304.755.50此外，鎳 Ni：允許殘余含量0.25，銅 Cu ：允許殘余含量小于等于0.30。2.4.2 合金元素的作用硅：是不形成碳化物而幾乎全部溶于基體中的合金元素，硅能提高鋼的強度、耐回火性和耐疲勞性。鉬：能有效細化晶粒，減少過熱傾向，提高耐回火性和大大減弱鋼的回火脆性，鉬明顯推遲珠光體轉變，但對貝氏體轉變的影響不大。釩：是強碳化物形成元素，可以提高鋼的強度、硬度，降低鋼的過熱敏感性，能有效細化晶粒，提高鋼的耐回火性和增強二次硬化效應。碳：鋼中增加碳量將提高強度，對于熱作模具來說，可提高高溫強度、熱態(tài)硬度和耐磨性。但

7、碳量增加會導致其韌性的降低，使鋼的裂紋敏感性增大。一般熱作磨具鋼碳的質量分數(shù)在0.3%-0.6%之間。 熱作模具鋼中碳一部分進入鋼的基體，引起固溶強化；另外一部分將和合金元素中的碳化物形成元素結合成合金碳化物，淬回火后這種合金碳化物除部分殘留外，其他部分會在回火過程中從淬火馬氏體基體上彌散析出，產生兩次硬化現(xiàn)象。不同碳化物形成元素所表現(xiàn)出來的性能不同，主要取決于均勻分布的殘留合金碳化物、彌散分布的合金碳化物及回火馬氏體組織。 鉻：是熱作模具鋼中普遍采用的合金元素，能提高淬透性及耐回火性，改善鋼的沖擊韌度，并有利于提高耐磨性、高溫強度、熱態(tài)強度、抗氧化的能力和耐蝕性。 鉻一部分溶入基體中期固溶強

8、化作用，另一部分可與碳結合形成鉻碳化物。鉻的碳化物一般開始溶入奧氏體的溫度不高。鉻的質量分數(shù)Wcr6%對提高鋼的耐回火性是有利的，但未構成二次硬化，當Wcr6%鋼淬火后，在550回火會出現(xiàn)兩次硬化現(xiàn)象。 錳：商業(yè)用鋼含一定量的錳以消除硫的有害影響，改善鋼的熱加工性能。錳具有固溶強化作用，溶入奧氏體中能強烈地提高鋼的淬透性，同時可強烈下降Ms點，并使Ar1、Ar3、Ac1、Ac3降低，增加過熱敏感性，另外，也容易引起回火脆性。鎳：顯著提高熱鍛模具鋼的韌性，和鉻共同作用大大提高鋼的淬透性，使Ms點降低，對殘留奧氏體有穩(wěn)定作用。3 熱處理工藝課程設計的內容及步驟3.1相變點的確定Ac1=853 Ac

9、3（Accm）=912 Ms=310Ar1=720 Ar3（Arcm）=773 Mf=1303.2 熱處理工藝及參數(shù)的制定3.2.1熱處理工藝流程熱擠壓模具的熱處理工藝路線如下：鍛造退火機加工淬火回火(1) 鍛造 鍛造的目的是對于鋼中碳化物分布不均勻，呈帶狀、網(wǎng)狀及塊狀分布，鋼材性能各向異性者，為打碎碳化物，消除性能的各向異性。 （2）退火 熱擠壓模具在鍛后須經良好的球化退火，以改善組織，消除內應力、降低硬度，為最終熱處理做好良好的組織準備。為確保模具鋼具有良好的耐磨性、韌性和小的熱處理畸變傾向，退火后要十分注意碳化物的形狀、大小及分布狀態(tài)。此外，要為機加工作準備。 退火工藝：860890加熱

10、，爐冷至500以下出爐 退火后的硬度（HB）：223（3）淬火 淬火溫度要按模具的工作條件，結構及形狀、制造工藝和性能要求來確定。對斷裂韌性、抗熱疲勞和抗熱磨損要求較高及淬火處理后需電加工的模具要采用上限和較高的溫度淬火。對要求畸變小、晶粒細、沖擊韌性高的模具，應用低限的溫度淬火。 淬火加熱的保溫時間的優(yōu)選，應保證組織轉變的完成和可獲得要求的合金元素固溶程度。淬火加熱保溫時間過短，將降低鋼的紅硬性及抗回火能力。 中碳合金鋼制熱作模具的淬冷一般可采用油淬。對于畸變要求較高的模具，還可采用80150的熱油冷卻。對于要求高強韌性的模具，要采用高的淬冷速度以抑制碳化物的沿晶析出和出現(xiàn)上貝氏體，提高其強

11、韌性和回火抗力。但其冷卻速度必須控制在不出現(xiàn)淬火開裂和畸變在允許的范圍內。 淬火加熱溫度：1020 ，由教科書可知，淬火溫度等于Ac1+3050，但在此處我們取1020。淬火加熱溫度對H13模具鋼的力學性能有很大影響，只有升至奧氏體化溫度，才能使鋼中的合金碳化物固溶于基體中，提高基體的合金化程度，從而提高鋼的淬硬性、淬透性和高溫強度，低于1000淬火，不能充分發(fā)揮合金元素的作用。研究表明，高溫淬火可減少孿晶馬氏體，增加位錯馬氏體，從而提高馬氏體位錯可動性。但高于1070淬火，晶粒開始明顯長大，沖擊韌性降低，而鋼的硬度并沒有顯著增加。對于熱擠壓模，要求良好的強韌性和耐磨性，可采用下限溫度淬火?？?/p>

12、之，淬火溫度的選擇，既要保證奧氏體中溶有足夠的碳和合金元素以提高硬度和紅硬性，又要保證晶粒尺寸來滿足模具對韌性的要求。 淬火冷卻介質：油或空氣 淬火后硬度：5658HRC(4) 回火 熱擠壓模具回火溫度的選擇應是在不影響模具的抗脆斷能力及抗熱疲勞性能的前提下，盡可能提高模具的硬度。因此，應根據(jù)模具的工作條件和具體的失效形態(tài)來確定具體的回火溫度和硬度。 回火溫度：550，圖2為H13鋼回火溫度與硬度等參數(shù)的關系曲線，H13鋼若在425520范圍內回火，在出現(xiàn)二次硬化的同時會出現(xiàn)回火脆性，沖擊韌性顯著降低，因此，H13鋼回火時應避免在回火脆性發(fā)展區(qū)內進行。圖1 H13鋼回火溫度與硬度、沖擊韌性、殘

13、余奧氏體量的關系 冷卻方式：空冷 回火次數(shù)：2次硬度：4749HRC 回火目的：消除應力和降低硬度最終，總的處理工藝曲線如圖3.2.2 熱處理工藝參數(shù)的制定 根據(jù)時間計算公式=aKD 【其中K-裝爐修正系數(shù)，D-工件有效厚度（mm），a-由鋼種決定的加熱系數(shù)（min/mm）】，以及經驗公式等，查找資料。（1）裝爐修正系數(shù)K的確定：圖3.工件在爐內不同排布方式的加熱時間修正值取裝爐修正系數(shù)k=3（2）由鋼種決定的加熱系數(shù)a（min/mm）的確定： 表 3. 鋼加熱系數(shù)鋼材每mm有效厚度的加熱時間空氣電阻爐鹽浴爐碳鋼0.91.1min2530s合金鋼1.31.6min5060s1520s（一次預熱

14、）高速鋼815s（二次預熱）由淬火溫度，取a=1.5（3）工件有效厚度的確定：下表為不同形狀和尺寸的工件加熱計算時的特征尺寸及形狀系數(shù)表表4.狀和尺寸的工件加熱計算時的特征尺寸及形狀系數(shù)工件形狀特征尺寸s形狀系數(shù)k球球徑0.7立方體邊長0.7圓柱直徑1.0棱形邊長1.0環(huán)環(huán)寬度1.5環(huán)厚度1.5板厚度1.5管材壁厚開口通管2.0；長管4.0；閉口管4.0取立方體工件邊長為100mm，故D=100*0.7=70綜上：=3*1.5*70=315min將工藝參數(shù)制表如下表5工藝溫度/時間/min淬火1020315回火5501203.2.3熱處理工藝卡片填寫見附表1 熱處理工藝卡片3.2.4操作過程中

15、的注意事項表61鍛造后必須經過球化退火后才能進行加工。2球化退火時應注意加熱溫度和保溫溫度之間的區(qū)別，并保證足夠的球化退火時間。3球化退火后先爐冷后空冷，減少殘余應力。4淬火時應嚴防表面氧化，脫碳。5回火不足時，應注意油浴爐底部溫度偏低。6球化退火應先將工件放在爐口緩慢升溫后才能放入爐內。7淬火加熱時應注意控制加熱速度。8淬火預熱時應保證足夠的預熱時間，使工件溫度均勻化。9嚴格控制奧氏體化溫度和加熱時間。10控制冷卻的時間，減少奧氏體穩(wěn)定化。11控制回火溫度，回火保溫時間，保證碳化物的析出，從而保證硬度和紅硬性。12回火冷卻時應空冷至室溫后再進行下一次回火，得到較多的回火馬氏體。13淬火加熱時

16、，遇到突然停電，應立即從爐中去除工件，空冷。重新加熱淬火前必須經過退火，否則，將出現(xiàn)萘狀端口。14淬火后應及時回火。15回火出爐工件應隨吊籃一起空冷，不能將工件堆放進行空冷。16中溫預熱和高溫加熱的鹽浴應嚴格校正。17在生產中要經常檢查控溫儀表，常用光學高溫計核對爐溫的準確性。18大批工件進行淬火時必須進行試淬，淬火后檢查淬火晶粒度，調節(jié)爐溫。19在球化退火和回火過程中應注意添加足夠的保護劑，減少工件表面的氧化脫碳。3.3熱處理設備的選擇對于球化退火和回火工藝，采用中溫井式電阻爐型號：RJ2-40-9 額定功率：40kw 額定溫度：950 爐膛尺寸：600*800 對于淬火工藝，采用高溫箱式電

17、阻爐圖5.高溫箱式電阻爐型號：RX3-20-12功率：20kw 最高工作溫度：1200 爐膛尺寸：600*300*250清洗設備：廢水池。烘干設備：烘箱3.4 夾具的設計或選用 由于工件的尺寸很小，故可忽略夾具的選用3.5 組織特點性能和缺陷的分析(1)球化退火組織 點狀或球狀珠光體+少量網(wǎng)狀分布的二次碳化物 退火態(tài)顯微組織示于圖1中。鐵素體基體在有的區(qū)域呈位向分布，在有的區(qū)域呈等軸狀分布，細點狀合金碳化物分布不勻，鐵素體晶界上二次合金碳化物析出較多，有的晶界上幾乎呈鏈狀析出粒狀和細桿狀碳化物。圖6退火態(tài)顯微組織(500)（2） 淬火組織 馬氏體（針狀、板條狀）+殘余奧氏體+彌散分布的碳化物+

18、少量針狀下貝氏體（見圖7） H13鋼經不同溫度淬火后,獲得馬氏體+殘余奧氏體+未溶碳化物組織(圖7)，未溶碳化物主要為Mo、V的碳化物，由于這些碳化物固溶溫度比較高，因此，只有保證足夠高的淬火溫度和足夠長的保溫時間才能保證其充分固溶，而事實上這些未溶碳化物對回火過程中碳化物的非自發(fā)形核起很大作用。圖7 淬火后的馬氏體組織 500X（3）回火組織 回火馬氏體（細針狀）+殘余碳化物 回火可以減小并穩(wěn)定殘余應力，穩(wěn)定組織，避免裂紋和變形。鋼中碳化物經過細化處理和采用低溫回火，可以獲得碳化物和晶粒同時發(fā)展的效果。淬回火后殘留碳化物均勻、細小、圓整，組織中黑白區(qū)不很明顯，碳化物基本消除，淬回火馬氏體組織

19、細小、均勻，從而對模具鋼接觸疲勞壽命的提高帶來非常有利的影響。 H13鋼的回火過程實際上就是過飽和的固溶體的脫溶過程，這個過程受相中的Cr、Mo、V等元素控制。由于合金元素在500以下不能足夠快的擴散以使合金碳化物的形成，而C易擴散形成鐵的碳化物，因此，在H13 鋼的回火過程中，合金碳化物要不斷的取代預先形成的滲碳體顆粒。圖8 二次回火后的顯微組織 500X（4）常見的缺陷及其原因 淬火過熱或過燒：a 球化組織不良 b淬火加熱溫度過高，或高溫保持時間過長 c 對截面變化較大的模具，淬火工藝參數(shù)選擇不當，在薄截面和尖角處產生過熱 硬度低或不均：a 原始組織中碳化物偏析嚴重，或球化組織粗大不均 b

20、 淬火溫度過高，殘余奧氏體量多，或淬火溫度過低，加熱時間不足，相變不完全 c 工件出淬火介質時，溫度過高，冷卻不足 d回火溫度過高 裂紋：裂紋產生的主要原因是尺寸變化以及機加工刀痕引起的應力集中效應,細小顆粒狀、條狀碳化物沿晶界分布的組織狀態(tài)弱化了晶界,降低了材料的抗裂紋擴展能力。4 課程設計收獲與體會 本來學校為我們安排了兩個周來做課程設計，但我們用了一個半周的時間就大概做完了，當然，這個做完并不能談的上完美“殺青”。很大程度上，我們還是依靠以前學長的模板來構建自己課題的框架，然后從借來的各類熱處理的相關書籍生硬的摘抄，很少能夠把自己所學的知識運用到其中。課程設計已接近尾聲，在這里也談談這一個多星期的收獲與體會。以前也做過工程制圖和機械基礎的課程設計，也是兩個周的時間，我們當時忙的焦頭爛額，但最后看著自己的宏偉制圖，心里還是很驕傲的。這次做的是專業(yè)課課程設計，早早的就把圖書館的熱處理相關書籍全借來了。每天就這么不停的在大量的書籍里查找自己所需要的知識，然后整理成電子文檔。班里的同學大概都在一個半周的時間內完成了，但不得不說，做完這次課程設計后，