3Cr2W8V压铸模具热处理工艺设计.doc

1 1 引言引言 2 2 模具钢概述模具钢概述 2 2 1 模具钢定义 2 2 2 模具钢的分类 3 2 3 国内外模具钢研究现状 5 2 3 1 国内模具钢现状 5 2 3 2国外模具钢的现状 5 3 热作模具钢相关理论综述热作模具钢相关理论综述 6 3 1 热作模具钢定义 6 3 2 热作模具钢分类 6 3 3 合金元素对钢的影响 7 4 关于关于 3CR2W8V 钢研究钢研究 8 4 1 3CR2W8V 钢研概述 9 4 2 3CR2W8V 钢研究现状 10 5 热处理设备及选择热处理设备及选择 11 5 1硬度测定设备及选择 12 5 2金相分析设备 16 5 3热处理工艺方法及选择 16 6 热处理工艺制度制定热处理工艺制度制定 21 6 1等温球化退火工艺的制定 22 6 2 淬火工艺的制定 22 6 3 回火工艺的制定 24 7 结果及分析结果及分析 26 7 1 硬度 26 7 2 金相分析 28 7 3 合金元素对 3CR2W8V 影响 32 8 与相关热处理进行比较与相关热处理进行比较 33 9 结论结论 37 参考文献参考文献 38 致致 谢谢 40 2 1 引言引言 现在随着机械制造业的发展 模具工业得到了迅速发展 推动了 模具钢的发展 汽车 拖拉机 电器 电机 仪器 仪表 电子等行 业有 60 80 的零件需用模具加工 现代工业的发展和技术水平的提 高在很大程度上取决于模具工业的发展水平 1 3Cr2W8V 钢是目前国 内外广泛应用的热模具钢 模具的服役条件极其恶劣 在高温状态承 受强烈磨擦和高冲击力 要求材料具有高的强韧性 抗热疲劳性和耐 磨性 3Cr2W8V 钢含有较多碳化物形成元素 且铬 钨均能提高临界 点和回火稳定性 2 因而具有较高的抗热疲劳性和高温机械性能 但 经常规热处理工艺处理后的 3Cr2W8V 钢模具在使用中经常发生早期 脆断 降低了模具的使用寿命 给生产带来严重影响 若能改善 3Cr2W8V 钢的热处理工艺 使合金元素充分发挥作用 则可有效地 提高材料的综合机械性能 满足服役条件的要求 提高模具寿命 3 因而本课题旨在探讨合金元素和热处理制度对 3Cr2W8V 钢组织和性 能的影响 希望能够得到更好的工艺来满足工业生产中对 3Cr2W8V 钢的要求 获得更好的力学和机械方面的性能 2 模具钢概述模具钢概述 2 1 模具钢定义模具钢定义 模具钢是用来制造冷冲模 热锻模压铸模等模具的钢种 用于加 工赤热金属或液态金属 使之凝固成形 4 模具是机械制造 无线电 仪表 电机电器等工业部门中制造零件的主要加工工具 模具的质量 3 直接影响着压力加工工艺的质量 产品的精度产量和生产成本 而模 具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外 主要受模 具材料和热处理的影响 2 2 模具钢的分类模具钢的分类 世界上习惯把模具钢按用途归为三大类 按照模具材料使用的条件 冷作模具钢 热作模具钢和塑料模具钢 冷作模具包括冷冲模 拉丝模 拉延模 压印模 搓丝模 滚丝 板 冷镦模和冷挤压模等 5 冷作模具钢 按其所制造模具的工作条 件 应具有高的硬度 强度 耐磨性 足够的韧性 以及高的淬透性 淬硬性和其他工艺性能 用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳 合金钢 碳质量分数在 0 80 以上 铬是这类钢的重要合金元素 其 质量分数通常不大于 5 但对于一些耐磨性要求很高 淬火后变形 很小模具用钢 最高铬质量分数可达 13 并且为了形成大量碳化物 钢中碳质量分数也很高 最高可达 2 0 2 3 冷作模具钢的碳含量 较高 其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢 常用的钢类有高碳低 合金钢 高碳高铬钢 铬钼钢 中碳铬钨钏钢等 热作模具分为锤锻 模锻 挤压和压铸几种主要类型 包括热锻 模 压力机锻模 冲压模 热挤压模和金属压铸模等 热变形模具在 工作中除要承受巨大的机械应力外 还要承受反复受热和冷却的做用 而引起很大的热应力 热作模具钢除应具有高的硬度 强度 红硬性 耐磨性和韧性外 还应具有良好的高温强度 热疲劳稳定性 导热性 和耐蚀性 此外还要求具有较高的淬透性 以保证整个截面具有一致 4 的力学性能 对于压铸模用钢 还应具有表面层经反复受热和冷却不 产生裂纹 以及经受液态金属流的冲击和侵蚀的性能 这类钢一般属 于中碳合金钢 碳质量分数在 0 30 0 60 属于亚共析钢 也有一 部分钢由于加入较多的合金元素 如钨 钼 钒等 而成为共析或过 共析钢 常用的钢类有铬锰钢 铬镍钢 铬钨钢等 塑料模具包括热塑性塑料模具和热固性塑料模具 塑料模具用钢 要求具有一定的强度 硬度 耐磨性 热稳定性和耐蚀性等性能 此 外 还要求具有良好的工艺性 如热处理形变小 加工性能好 耐蚀 性好 研磨和抛光性能好 补焊性能好 粗糙度高 导热性好和工作 条件尺寸和形状稳定等 一般情况下 注射成形或挤压成形模具可选 用热作模具钢 热固性成形和要求高耐磨 高强度的模具可选用冷作 模具钢 1 塑料模具用钢涵盖广泛 从普通钢材到专用钢才都有 这在塑 料模具初期更加明显 如今已日趋正规和高级 专门用钢已自成体系 模具用钢的化学成分和合金工具钢的基本相同 但其冶金质量更高 加工精良 对热处理有利 2 塑料模具钢性能要求严格 热处理难度大 3 为避免模具零件在强韧化过程中的变形或其他热处理问题 模 具钢以预硬化形式供应市场已较普遍 3 以石化产品为原料的塑料制品 表现某些程度不同的腐蚀性 所以耐蚀钢应用也较多 5 配合预硬化钢 非调质钢的应用 易切削性也是塑料模具钢的 5 特点 随着塑料制品在工业及日常生活中的应用越来越广泛 塑料模具 工业对模具钢的需求也越来越大 在塑料成型加工中 模具的质量对 产品质量的保证作用是不言而喻的 塑料模具目前已向精密化 大型 化和多腔化的方向发展 对塑料模具钢的性能的要求越来越高 塑模钢 的性能应根据塑料种类 制品用途 生产批量 尺寸精度和表面质量 的要求而定 2 3 国内外模具钢研究现状国内外模具钢研究现状 2 3 1 国内模具钢现状 目前我国模具用钢广泛 除了工具钢 碳素工具钢 合金工具钢 高速工具钢 外 还有轴承钢 弹簧钢 调质钢 渗碳钢 不锈钢等 钢种达数十种之多 但常用的只有 20 余种 而用量最多的是 Crl2 Crl2MoV CrWMn 3Cr2W8V 5CrMnMo 5CrNiMo 45 40 Cr 等 其中 Crl2 Crl2MoV 的应用量大面广 但在冶炼 铸造 锻造 热处理等方面存在一系列问题 模具使用寿命较低 特别是产品结构 和应用方面还存在着一些问题 1 模具钢品种规格少 产品结构不尽 合理 2 模具钢冶金质量不高 3 模具新材料 热处理新工艺和表面 强化新工艺应用偏少 5 6 2 3 2 国外模具钢的现状 随着模具制造业的不断发展 对模具钢从冶金质量 数量 性能 上要求不断提高 7 在国外出现高合金 高质 优化 低级材料强化 及扩充材料领域等趋向 模具材料由低级向高级发展 发展的趋向是 6 碳素工具钢 低合金工具钢 高合金工具钢 相继出现一系列新型模具 材料 模具标准钢的合金化程度也日趋提高 这些钢的使用性能较好 由于合金工具钢标准比较完善合理 针对性较强 具有一定的先进性 代表性 在国际上信誉较高 而被世界各国广泛采用 形成国际上的 通用化趋势 此外 国外也不断地研制新钢种 以满足模具工业不断发展的需 求 国外相继开发的新型热作模具钢包括 高淬透性特大型锻压模具 钢 3 热作模具钢相关理论综述热作模具钢相关理论综述 3 1 热作模具钢定义热作模具钢定义 热作模具钢用于制造将加热到再结晶温度以上的金属或液态金属 制成工件的模具 3 2 热作模具钢分类热作模具钢分类 热作模具钢可分为高韧性热作模具钢和高热强性模具钢 1 高韧性热作模具钢它又称为锤锻模具钢 此类钢中碳的含量一 般在 0 5 左右 合金元素总质量分数的 3 左右 传统的热锻模具钢 由于受淬透性的限制 随着模块截面的增大 要求进一步提高模具材 料的淬透性 使模具的心部能够得到较高的均匀性 国内外研发了一 系列提高合金含量的高淬透性模具钢 如国产的 3Cr2MoWVNi 5Cr2NiMoVSi 等钢种 这些钢均是在 5CrNiMo 钢基 础上适当降低含碳量 提高了 Cr 和 Mo 的含量并加入适量的 Si 从而 7 提高了钢的淬透性 一般情况下 这种热作热锻模使用其寿命是 5CrNiMo 钢热锻模具的 1 5 2 倍 经渗氮后其使用寿命可提高到原来 的 2 5 倍以上 2 高热强性模具钢该类模具钢一般用于热挤压模 压型模 压锻 模等模具 由于模具与高温工件长时间接触 使模具本身温度升高 易造成模具型腔堆塌 磨损 表面氧化和热疲劳 因此 要求模具钢 有较高的高温强度 硬度和热稳定性 良好的耐磨性和抗氧化性能 较高的抗热疲劳性能和断裂韧度 传统的热作模具钢 3Cr2w8V 当铸 锭较大 铸模温度过高而钢液过热时 钢锭中的元素偏析特别严重 共晶碳化物的数量会增多 因此 造成模具脆裂报废的事故也时有发 生 由于 3Cr2W8V 钢存在以上问题 国内根据模具不同用途引进和 研发了新的钢种 如引进的 4CrSMoSiVl H13 钢综合性能较好 有良 好的冷热疲劳抗力 被广泛应用于低于 600 的热挤压模和压铸模 其使用寿命有所提高 3Cr2M03V 类钢韧性较好 热强性和热稳定性 优于 H13 钢 国内通过添加适量的 W 研制成功 3Cr3M03W2V HMl 钢 在保持该钢较好的强韧性条件下提高了其热稳定性 通过降低 Mo 和 V 的含量加入 1 Ni 和 0 15 又研制了 4Cr3M02VNiN6 钢 HD 提高了 钢的室温和高温韧性 热稳定性 在 700 时仍可保持 40HRC 的硬度 3 3 合金元素对钢的影响合金元素对钢的影响 1 合金元素对加热时相转变的影响 对奥氏体形成速度的影响 Cr Mo W V 等强碳化物形成元素 8 与碳的亲合力大 形成难溶于奥氏体的合金碳化物 显著减慢奥氏体 形成速度 Co Ni 等部分非碳化物形成元素 因增大碳的扩散速度 使奥氏体的形成速度加快 Al Si Mn 等合金元素对奥氏体形成速度 影响不大 对奥氏体晶粒大小的影响 大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒 长大的作用 但影响程度不同 强烈阻碍晶粒长大的元素有 V Ti Nb Zr 等 中等阻碍晶粒长大的元素有 W Mn Cr 等 对晶粒长大影响不大的元素有 Si Ni Cu 等 促进晶粒长大的元素 Mn P 等 2 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 除 Co 外 几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性 推迟 珠光体类型组织的转变 使 C 曲线右移 即提高钢的淬透性 常用提 高淬透性的元素有 Mo Mn Cr Ni Si B 等 必须指出 加入的 合金元素 只有完全溶于奥氏体时 才能提高淬透性 如果未完全溶解 则碳化物会成为珠光体的核心 反而降低钢的淬透性 另外 两种或 多种合金元素的同时加入 如 铬锰钢 铬镍钢等 比单个元素对淬 透性的影响要强得多 除 Co Al 外 多数合金元素都使 Ms 和 Mf 点下降 其作用大小 的次序是 Mn Cr Ni Mo W Si 其中 Mn 的作用最强 Si 实际 上无影响 Ms 和 Mf 点的下降 使淬火后钢中残余奥氏体量增多 残 余奥氏体量过多时 可进行冷处理 冷至 Mf 点以下 以使其转变为 马氏体 或进行多次回火 这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使 9 Ms Mf 点上升 并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体 即发生所谓 二次淬火 4 关于关于 3Cr2W8V 钢研究钢研究 4 1 3Cr2W8V 钢研概述钢研概述 3Cr2W8V 钢是目前国内外广泛应用的热模具钢 模具的服役条件 极其恶劣 在高温状态承受强烈磨擦和高冲击力 要求材料具有高的 强韧性 抗热疲劳性和耐磨性 3Cr2W8V 钢含有较多碳化物形成元素 且铬 钨均能提高临界点和回火稳定性 因而具有较高的抗热疲劳性 和高温机械性能 但经常规热处理工艺处理的 3Cr2W8V 钢模具在使 用中经常发生早期脆断 降低了模具的使用寿命 给生产带来严重影 响 若能改善 3Cr2W8V 钢的热处理工艺 使合金元素充分发挥作用 则可有效地提高材料的综合机械性能 满足服役条件的要求 提高模具寿 命 1 化学成分 3Cr2W8V 钢的化学成分示于表 4 1 表 4 1 3Cr2W8V 钢的化学成分 w CCrWVSiMnPS 0 30 0 40 2 2 2 77 5 9 00 2 0 5 0 4 0 4 0 03 0 03 2 临界温度 10 3Cr2W8V 钢的临界温度示于表 4 2 表 4 2 3Cr2W8V 钢的临界温度 临界温度Ac1Ac3Ar1 温度 近似值 820 8301100790 4 2 3Cr2W8V 钢研究现状钢研究现状 3Cr2W8V 钢是一种老牌号高热强性热作模具钢 被广泛应用于压 铸模 热挤压模 热锻模等 具有良好的锻造工艺性能 机械加工工 艺性能及热处理工艺性能 13 15 3Cr2W8V 钢是目前国内外广泛应用 的热模具钢 模具的服役条件极其恶劣 在高温状态承受强烈磨擦和 高冲击力 要求材料具有高的强韧性 抗热疲劳性和耐磨性 16 3Cr2W8V 钢属于过共析钢 它主要用于制造高温下受高应力 受冲 击负荷小的各种模具 由于它含有多种易形成碳化物的 Cr W V 等 合金元素 故在高温下具有较高的强度和硬度以及良好的淬透性 但 该种钢的韧性 塑性稍差 在生产中很易产生裂纹 致使模具寿命大 幅度降低 17 3Cr2W8V 钢含有较多碳化物形成元素且铬钨均能提高 临界点和回火稳定性 因而具有较高的抗热疲劳性和高温机械性 但 经常规热处理工艺处理的 3Cr2W8V 钢模具在使用中经常发生早期脆 断 降低了模具的使用寿命 给生产带来严重影响 18 隋少华 宋天革 赵洪运在 3Cr2W8V 模具钢预处理工艺的改进 中提到 1 对 3Cr2W8V 钢采用快速预冷退火工艺 可以提高球化速 度 使球化时间缩短到传统退火工艺的 1 6 2 经快速预冷退火处理 11 的 3Cr2W8V 钢 淬火后组织中碳化物颗粒分布也更加细小均匀 淬 火硬度也要高于采用传统退火工艺处理后的淬火硬度 19 廖嘉琪 江韶光在 高温淬火对 3Cr2W8V 钢组织性能的影响 中提到 3Cr2W8V 钢高温淬火使碳化物充分溶解 合金元素的作用进 一步发挥 使材料强度和热稳定性提高 20 赵岩在 热处理工艺对 3Cr2W8V 钢组织和性能的影响 中提到 1 3Cr2W8V 钢经等温球化退火可获得球状或点状的珠光体组织 同 时碳化物的形态也得到明显改善 呈细小的颗粒状在基体上弥散分布 2 等温球化退火后 1070 淬火的组织由马氏体 未溶碳化物和残余奥 氏体组成 3Cr2W8V 钢淬火后的硬度可达 48HRC 3 随回火温度的 升高 由于二次硬化及碳化物类型的转变 3Cr2W8V 钢的硬度和韧性 呈现出了相反的变化趋势 即硬度先升后降 而韧性先降后升 因此 等温球化退火 1070 淬火后再 680 左右进行两次回火能够使 3Cr2W8V 模具钢保持足够的硬度和韧性 有利于延长模具寿命 21 5 热处理设备及选择热处理设备及选择 常用的热处理加热设备按能源分为燃料加热设备和电加热设备 按工作温度可分为高温炉 1000 中温炉 650 1000 和低 温炉 650 生产上常用的加热设备有电阻炉 浴炉 气体渗碳炉 高频感应加热设备等 炉型的选择应依据不同的工艺要求及工件的类 型来决定 热处理设备的选择要从设备经济性 可靠性 配套性 安全性 12 安全性以及工厂的实际情况等来选择 本实验结合实际情况选择热处 理电阻炉 热处理电阻炉是以电为能源的 通过炉内电热元件将电能转化为 热能而加热工件的炉子 是一种造价相对便宜的炉子 以降低成本 结合实验室现有设备以及从节约能源的角度考虑 最终选择 SX2 2 5 12 作为退火 回火的加热设备 具体参数见下表 5 2 选择 SX2 10 13 作为淬火的加热设备 具体参数见下表 5 3 表 5 2 SX2 2 5 12 参数 型号炉膛尺寸 mm额定功率 kw额定温度 SX2 2 5 12 200 120 80 2 51200 表 5 3 SX2 10 13 参数 型号炉膛尺寸 mm额定功率 kw额定温度 SX2 10 13 250 150 100 61300 5 1 硬度测定设备及选择 所谓硬度 就是材料抵抗更硬物压入其表面的能力 根据试验方 法和适应范围的不同 硬度单位可分为布氏硬度 维氏硬度 洛氏硬 度 显微维氏硬度等许多种 不同的单位有不同的测试方法 适用于 不同特性的材料或场合 在这里主要介绍几种有关金属硬度的测试方 法 1 金属洛氏硬度 测试原理 将压头 金刚石圆锥 钢球或硬质合金球 分两个步骤压入试样 13 表面 经规定保持时间后 卸除主试验力 测量在初试验力下的残余 压痕深度 h 根据 h 值及常数 N 和 S 计算洛氏硬度 术语及定义 洛氏硬度 N h S 初始试验力 试验时预加载试验力 主试验力 使测量样品产生残余压痕的加载 总试验力 初始试验力加上主试验力 测试程序 洛氏硬度应选择在较小的温度变化范围内进行 因为温度变化可 能会对试验结果有影响 所以试验一般规定在 10 35 的室温进行 试 样应平稳地放置在钢性支承物上 并使压头轴线与试样表面垂直 避 免试样产生位移 使压头与试样表面接触 在无冲击和振动的情况下 施加试验力 初试验力保持不应超过 3 秒 将测在不小于 1 秒且不大 于 8 秒的时间内 从初试验力增加到总试验力 并保持 4 秒 2 秒 然 后卸除主试验力 保持初试验力 经过短暂稳定后 进行读数 为了 读数准确 在试验过程中 硬度计应避免受到任何冲击和震动 在多处取值时 两相邻压痕中心间距离至少应为压痕直径的 4 倍 但不得小于 2mm 任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的 2 5 倍 但不得小于 1mm 2 金属布氏硬度 测试原理 对一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面 经规定保持 14 时间后 卸除试验力 测量试样表面压痕的直径 布氏硬度与试验力 除以压痕表面积的商成正比 压痕被看作是具有一定半径的球形 其 半径是压头球直径的二分之一 术语及定义 试验力 试验时所用的负载 压痕平均直径 两相互垂直方向测量的压痕直径的算术平均值 球直径 压头中硬质合金球的直径 测试程序 一般试验在 10 35 的室温进行即可 如果有对温度要求严格的试 验 视材料对温度的敏感性 试验温度应为 23 5 试验力的选择应保证压痕直径在 0 24D 0 6D 之间 试验力 压头 球直径的平方的比率 1 02F D2 比值 应根据材料和硬度值选择 为了保证在尽可能大的有代表性的试样区域试验 应尽可能选取 大直径的压头 当试样尺寸允许时 应优先使用直径为 10mm 的球压 头进行试验 使压头与试样表面垂直接触 垂直于试验面施加试验力 加力过 程中不应有冲击和震动 直至将试验力施加至规定值 试验力保持时间为 10 15 秒 对特殊材料 试验力保持时间可以 延长 但误差应在 2 秒 任一压痕中心距试样边缘距离 至少为压痕平均直径的 2 5 倍 相邻压痕中心间的距离至少为压痕直径的 3 倍 应在两相互垂直方向 15 测量压痕直径 用两个读数的平均值计算布氏硬度 或按 GB T 231 4 查得布氏硬度值 布氏硬度试验范围上限不大于 650HBW 3 金属维氏硬度 测试原理 将顶部两相对面具有规定角度的正四棱锥体金刚石压头用试验力 压入试样表面 保持规定时间后 卸除试验力 测量试样表面压痕对 角线长度 维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商 压痕被视 为具有正方形基面并与压头角度相同的理想形状 术语及定义 试验力 试验时所用的负载 压痕对角线 卸载后 压头在被测样品表面留下的方形或菱形 压痕的对角线 压头夹角 压头顶部两相对面的夹角 测试程序 试验一般在 10 35 的室温进行 对温度要求严格的试验 试验温 度应为 23 5 根据试样厚度和硬度选择试验力 使压头与试样表 面垂直接触 垂直于试验面施加试验力 加力过程中不应有冲击和震 动 直至将试验力施加至规定值 试验力保持时间为 10 15 秒 对特 殊材料 试验力保持时间可以延长 直至试样不再发生塑性变形 但 误差应在 2 秒 应测量压痕两条对角线长度 用其算术平均值或通过 查表得到硬度值 放大系统应能将对角线放大到视场的 25 75 16 考虑各种测试方法的应用范围 最终我们选用金属洛氏硬度的测 试方法 该硬度计型号为 HR 150A 具体参数见表 5 4 表 5 4 洛氏硬度计主要技术规格 型号测量范围 HRC试验力 N硬度分辨率 HR HR 150A20 70588 4 980 7 1 471 0 5HR 5 2 金相分析设备 金相组织 金属材料的内部结构 只有在显微镜下才能观察到 在显微镜下看到的内部组织结构称为显微组织或金相组织 钢材常见 的金相组织有 铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体等 金相显微镜是将光学显微镜技术 光电转换技术 计算机图像处 理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品 可以在计算机 上很方便地观察金相图像 从而对金相图谱进行分析 评级等以及对 图片进行输出 打印 用入射照明来观察金属试样表面 金相组织 的 显微镜 我们选择 Axio Imager A1m 对不同状态下的 3Cr2W8V 钢金相图谱 分析 该显微镜具体参数见表 5 5 表 5 5 Axio Imager A1m 参数 型号仪器放大倍 数 目镜放大倍数物镜放大倍数 17 Axio Imager A1m 12 5x 600 X10X 16X 2 5X 5X 10X 20X 50X 100X 5 3 热处理工艺方法及选择 1 预选热处理选择 正火 正火通常是把钢加热到临界温度 Ac3 或 Acm 线以上 保温一段 时间 然后进行空冷 正火目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀 化 正火的主要应用范围有 用于低碳钢 正火后硬度略高于退火 韧性也较好 可作为切削加工的预处理 用于中碳钢 可代替调质 处理作为最后热处理 也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预 备处理 用于工具钢 轴承钢 渗碳钢等 可以消降或抑制网状碳 化物的形成 从而得到球化退火所需的良好组织 用于铸钢件 可 以细化铸态组织 改善切削加工性能 用于大型锻件 可作为最后 热处理 从而避免淬火时较大的开裂倾向 用于球墨铸铁 使硬度 强度 耐磨性得到提高 如用于制造汽车 拖拉机 柴油机的曲轴 连杆等重要零件 过共析钢球化退火前进行一次正火 可消除网 状二次渗碳体 以保证球化退火时渗碳体全部球粒化 退火 退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度 保 持一定时间 然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺 退火目的是降低硬度 改善切削加工性 消除残余应力 稳定尺 18 寸 减少变形与裂纹倾向 细化晶粒 调整组织 消除组织缺陷 退火工艺分类 根据钢的化学成分和退火目的的不同 退火工艺种类很多 其中 按加热温度可分为两大类 一是临界温度 Ac1 或 Ac3 以上的退火 称为 相变重结晶退火 包括完全退火 不完全退火 晶粒粗化退火 扩散退火和球化退火等 二是加热到临界温度 Ac1 或 Ac3 以下的 退火 称为 低温退火 包括软化退火 再结晶退火和去应力退火等 下面介绍几种常用的退火工艺 完全退火 将亚共析钢加热至 Ac3 以上 20 30 保温足够时间 奥氏体化后 随炉缓慢冷却 从而得到接近平衡的组织 这种热处理 工艺称为完全退火 完全退火只适用于亚共析钢 不宜用于过共析钢 过共析钢缓冷 后会析出网状二次渗碳体 使钢的强度 塑性和韧性大大降低 不完全退火 不完全退火又叫不完全重结晶退火 是将钢加热到 Ac1 与 Ac3 或 Ac1 与 Acm 之间某一温度 保温后缓慢冷却下来 使钢组织发生 不完全重结晶 不完全退火可用于亚共析钢也可用于共析钢 不完全退火的目的 与完全退火相同 都是通过相变重结晶来细化晶粒 改善组织 去除 应力 改善切削性能 只是由于重结晶不完全而程度稍差 但却能节 约时间 降低费用 提高生产率 球化退火 球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺 将 19 钢加热到 Ac1 以上 20 30 保温一段时间 然后缓慢冷却 得到在 铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织 球化退火主要适用于共析钢和过共析钢 经球化退火得到的是球 状珠光体组织 其中的渗碳体呈球状颗粒 弥散分布在铁素体基体上 和片状珠光体相比 不但硬度低 便于切削加工 而且在淬火加热时 奥氏体晶粒不易长大 冷却时工件变形和开裂倾向小 另外对于一些 需要改善冷塑性变形 如冲压 冷镦等 的亚共析钢有时也可采用球 化退火 球化退火工艺方法很多 最常用的两种工艺是普通球化退火和等 温球化退火 普通球化退火是将钢加热到 Ac1 以上 20 30 保温适 当时间 然后随炉缓慢冷却 冷到 500 左右出炉空冷 等温球化退 火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后 随炉冷却到略低于 Ar1 的温度进行等温 等温时间为其加热保温时间的 1 5 倍 等温后随炉 冷至 500 左右出炉空冷 和普通球化退火相比 等温球化退火不仅 可缩短周期 而且可使球化组织均匀 并能严格地控制退火后的硬度 结合 3Cr2W8V 钢的实际特点 对正火和退火的优缺点以及适用 范围进行比较 发现正火和退火都能满足实验要求 但是为了实验的 精确性 并且退火能够细化晶粒 消除内应力 最终我们选择退火作 为预选热处理 在退火具体工艺的选择过程中 等温球化退火不仅适 用于 3Cr2W8V 钢 并且球化组织均匀 并能严格地控制退火后的硬 度 时间短 生产效率高 综上所述 最终选择等温球化退火作为预 20 选热处理 2 最终热处理的选择 淬火 将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间 然后以大于临界冷 却速度冷却 以获得非扩散型转变组织 如马氏体 贝氏体和奥氏体 等的热处理工艺 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变 得到马氏 体或下贝氏体组织 然后配合以不同温度的回火 以大幅提高钢的强 度 硬度 耐磨性 疲劳强度以及韧性等 从而满足各种机械零件和 工具的不同使用要求 也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性 耐蚀性等特殊的物理 化学性能 常用的淬火方法有单液淬火法 中断淬火法 双淬火介质淬火法 分级淬火法 等温淬火法 单液淬火法 把已加热到淬火温度的工件淬入一种淬火介质 使 其完全冷却 它是最简单的淬火方法 常用于形状简单的碳钢和合金 钢工件 优点是操作简单 易于实现机械化 应用广泛 缺点是在水 中淬火应力大 工件容易变形开裂 在油中淬火 冷却速度小 淬透 直径小 大型工件不易淬透 中断淬火法 双淬火介质淬火法 把加热到淬火温度的工件 先 在冷却能力较强的淬火介质中冷却至接近 Ms 点 然后转入慢冷的淬 火介质中冷却至室温 以达到在不同淬火冷却温度区间 有比较理想 的淬火冷却速度 可用于形状复杂 截面不均匀的工件淬火 双液淬 21 火的缺点是难以掌握双液转换的时刻 转换过早容易淬不硬 转换过 迟又容易淬裂 分级淬火法 把工件由奥氏体化温度淬入高于该种钢马氏体开始 转变温度的淬火介质中 在其中冷却直至工件各部分温度达到淬火介 质的温度 然后缓慢冷至室温 发生马氏体转变 分级冷却的目的 是为了使工件内外温度较为均匀 同时进行马氏体转变 可以大大减 小淬火应力 防止变形开裂 等温淬火法 工件淬火加热后 若长期保持在下贝氏体转变区的 温度 使之完成奥氏体的等温转变 获得下贝氏体组织 这种淬火方 法称为等温淬火 等温淬火用于中碳以上的钢 目的是为了获得下贝 氏体 以提高强度 硬度 韧性和耐磨性 低碳钢一般不采用等温淬 火 回火 回火是工件淬硬后加热到 Ac1 以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 根据回火温度的不同 分为低温回火 中温回火 高温回火三种 低温回火 150 250 组织是回火马氏体 和淬火马氏体相比 回火马氏体既保持了钢的高硬度 高强度和良好耐磨性 又适当提高 了韧性 主要用于高碳钢 合金工具钢制造的刃具 量具 模具及滚 动轴承 渗碳 碳氮共渗和表面淬火件等 中温回火 350 500 组织为回火屈氏体 对于一般碳钢和低 22 合金钢 中温回火相当于回火的第三温度区 此时碳化物开始聚集 基体开始回复 淬火应力基本消除 工件具有高的弹性极限 有良好 的塑性和韧性 主用于弹性件及模具处理 高温回火 500 650 组织为回火索氏体 淬火和随后的高温 回火称为调质处理 经调质处理后 钢具有优良的综合机械性能 因 此 高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢 用来制作汽车 拖拉机 机床等承受较大载荷的结构零件 如曲轴 连杆 螺栓 机 床主轴及齿轮等重要的机器零件 由于 3Cr2W8V 钢在高温状态下使用 因而采用高温回火比较符 合实际情况 6 热处理工艺制度制定热处理工艺制度制定 6 1 等温球化退火工艺的制定 等温球化退火温度 将共析钢或过共析钢加热到 Ac1 20 30 保温适当时间 然后冷却到略低于 Ac1 以下的温度 等温保持一段时 间 然后再炉冷或空冷 因而 第一步将试样加热到温度 840 860 第二步将试样加热到温度 760 770 等温球化退火保温时间 保温时间与钢的化学成分 工件形状 尺寸 炉子类型 装炉量等多种因素有关 一般按每毫米厚度保温 1 5 2 5min 估算 考虑到 3Cr2W8V 中的合金元素形成高熔点碳化物 第一步保温时间 60min 第二步保温时间 60min 等温球化退火的冷却方式一般采用随炉冷却 23 图 6 1 等温球化退火 6 2 淬火工艺的制定 淬火加热规范的确定 1 加热温度 过共析钢淬火加热温度为 Ac1 或 Ac3 30 50 为 了测定出最适合的淬火温度 查阅相关书籍后 决定先测定 1100 然后观察 1000 和 1200 来确定是否在 1100 处形成硬度峰值 2 淬火加热时间 应包括工件整个截面加热到预定淬火温度 并 使之在该温度下完成组织转变 碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需 的时间 常用经验公式为 k D 式中 加热时间 min 加热时间系数 min mm k 装炉量修正系数 24 D 工件有效厚度 mm 对于圆柱形工件的有效厚度 一般按工件直径计算 因而工件有 效厚度为 14mm 对于 3Cr2W8V 钢 1 5 k 1 则 1 5 1 14 21min 考虑到透热之后 还需要一段组织转变时间 因而 我选择 20 40 min 的保温时间 3 加热速度 对于形状复杂 要求畸变形小 或用合金钢制造的 大型铸锻件 必须控制加热速度以保证减小淬火畸变及开裂倾向 一 般采用预热加热 对于形状简单的中 低碳钢直径小于 100mm 的中低 合金结构钢可直接到温入炉加热 淬火冷却方法 淬火介质的选择 首先应按工件所采用的材料及其淬透层深度的 要求来选择 凡是淬火烈度大于按淬透层深度所要求的淬火烈度的淬 火介质都可采用 但是从淬火应力变形开裂的角度考虑 淬火介质的 淬火烈度越低越好 综合这两方面的要求 选择淬火介质的第一个原 则应是在满足工件淬透层深度要求的前提下 选择淬火烈度最低的淬 火介质 考虑到 3Cr2W8V 钢淬透性比较好 故应采用油淬 冷却方法的选择 考虑实验所用试样形状简单 尺寸较小 淬火 过程易比较容易 故选用单液淬火法 25 图 6 2 不同温度进行淬火 6 3 回火工艺的制定 1 回火温度的确定 根据零件要求 调质后的硬度为 HRC 46 50 查表 6 1 选择回火温度为 550 600 650 表 6 1 3Cr2W8V 钢调质硬度 钢号回火 HRC 70035 40 64040 453Cr2W8V 54045 50 2 回火时间的确定 回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温 度时开始计算 由于工件的有效厚度是 14mm 炉膛面积较大 工件 26 之间不会互相干扰 故我选择保温时间为 40min 表 6 2 中 高温回火保温时间参数表 有效厚度 mm 2525 5050 7575 100100 125 125 150 盐炉20 3030 4545 6075 9090 120120 150 保温时 间 min 空气 炉 40 6070 90100 120 150 180 180 210 210 240 3 回火后的冷却 回火后工件在油中冷却 图 6 3 不同温度进行回火 7 结果及分析结果及分析 7 1 硬度硬度 表 7 1 3Cr2W8V 钢等温球化退火硬度 钢号等温球化退火 HRC平均值 27 第一步 840 860 3Cr2W8V 第二步 760 77012 14 5 11 5 1212 5 表 7 2 3Cr2W8V 钢淬火硬度 钢号淬火 HRC平均值 100060 5 62 5 60 5 60 561 110064 5 63 5 63 5 62 563 53Cr2W8V 1200565858 55757 375 表 7 3 3Cr2W8V 钢回火硬度 钢号回火 HRC平均值 55058 559605959 125 6005556555555 253Cr2W8V 65053 5 52 5525252 5 等温球化退火硬度图 0 5 10 15 20 1234 采集点 硬度 28 图 7 1 等温球化退火硬度图 图 7 2 淬火硬度趋势图 回火硬度趋势图 52 54 56 58 60 500550600650700 温度 硬度 图 7 3 回火硬度趋势图 1 由上表 7 1 知道 经过等温球化退火工艺处理的 3Cr2W8V 钢 硬度平均值为 12 5HRC 图 7 1 给出了较为直观的表述 基本上等温 球化退火后的硬度在 12 5HRC 上下波动 此时的 3Cr2W8V 钢还是比较 软 这主要是由于此时组织为珠光体和碳化物所导致 特别是珠光体 硬度不是很高 因而等温球化退火后的 3Cr2W8V 钢比较软 2 由上表 7 2 知道 在等温球化退火的基础上 对 3Cr2W8V 钢 分别进行 1000 1100 1200 的淬火 在 1100 处 3Cr2W8V 钢 的硬度达到最大值 平均值为 63 5HRC 我们通过图 7 2 可以直观的 观察到 随着淬火温度的不断提高 3Cr2W8V 钢的硬度也随之升高 29 到达 1100 时 硬度值达到最大 继续升高温度 3Cr2W8V 钢的硬度 开始呈现下降的趋势 这主要是由于 3Cr2W8V 钢中含有的合金元素 熔点较高 形成的碳化物不易溶解 当淬火温度达到 1100 时 碳化 物溶解 淬火时奥氏体大量转化为马氏体 因此硬度比较高 在 1200 时 虽然碳化物完全溶解有利于马氏体相变 但由于温度过高 导致奥氏体组织过大 因此马氏体组织粗大 硬度随之下降 2 由上表 7 3 知道 经过 1100 淬火工艺处理的 3Cr2W8V 钢 在不同的回火温度下 硬度出现了明显的变化 可见 3Cr2W8V 钢是 对温度比较敏感的一类钢材 通过图 7 3 我们容易得出如下结论 随 着回火温度的不断提高 3Cr2W8V 钢的硬度相应的出现下降 但是该 结论仅限于 550 650 这一温度范围 因为我们还需要考虑二次硬化现 象的出现 分析 550 650 温度范围内硬度的变化 主要是由于温度越 高 马氏体的分解越多 因而硬度也就随之下降了 7 2 金相分析金相分析 图 7 4 等温球化退火 500X 图 7 5 1000 淬 火 500X 30 图 7 6 1100 淬火 500X 图 7 7 1200 淬 火 500X 图 7 8 550 回火 500X 图 7 9 600 回 火 500X 图 7 10 650 回火 500X 分析 配制的侵蚀剂为硝酸酒精溶液 硝酸浓度为 5 下面分别对 3Cr2W8V 在退火 淬火和回火阶段的金相图进行分析 31 1 图 7 4 处理情况 840 860 保温 60min 后 冷却到 760 770 保温 60min 随炉冷却 组织说明 铁素体基体上弥散分布粒状或球状渗碳体 即得到点 状珠光体和少量碳化物 由于材料中含有大量的珠光体 其性能介于 铁素体和渗碳体之间 硬度适中 故等温球化退火状态的 3Cr2W8V 钢硬度不是很高 2 图 7 5 图 7 6 图 7 7 材料名称 3Cr2W8V 侵蚀剂 5 硝酸溶液 处理情况 840 860 保温 60min 后 冷却到 760 770 保温 60min 随炉冷却 分别 1000 1100 1200 保温 20 40min 油冷 组织说明 马氏体 粒状碳化物以及极少量残余奥氏体 如图 7 5 所示 1000 淬火时 由于加热温度不是很高 马氏体针叶细小 基 体中碳化物未能充分溶解 奥氏体成分尚不均匀 由于材料中出现了 马氏体组织 因而硬度有了较大的提高 在 1100 时 如图 7 6 示 由于淬火温度的进一步提高 与图 7 5 进行比较 可以发现除了见到 稍粗马氏体外 残余碳化物含量大大减少 硬度高于 1000 的淬火硬 度 在 1200 淬火后的金相图如图 7 7 所示 过高的加热温度 使大 部分碳化物溶解于奥氏体中 因而阻碍晶粒长大的机械作用消失 淬 火得到粗大马氏体 硬度低于 1100 淬火硬度 为 57 375HRC 32 3 图 7 8 图 7 9 图 7 10 材料名称 3Cr2W8V 侵蚀剂 5 硝酸溶液 处理情况 840 860 保温 60min 后 冷却到 760 770 保温 60min 随炉冷却 1100 保温 20 40min 油冷 分别 550 600 650 保温 40min 油冷 组织说明 回火托氏体 回火马氏体 点状和颗粒状碳化物 以 及少量残余奥氏体 如图 7 8 所示 550 回火处理过程虽有一部分奥 氏体在冷却时转变为马氏体 但尚有一部分被保留下来 当回火温度 上升到 600 时 观察图 7 9 组织中的残余奥氏体进一步转化为马氏 体 同时由于碳化物的析出 组织硬度有所下降 当温度升高到 650 时 回火马氏体转变为回火托氏体 如图 7 10 所示 相比较 600 组织硬度有了更近一步的下降 7 3 合金元素对合金元素对 3Cr2W8V 影响影响 铬的影响 1 铬为碳化物形成元素 它能提高钢的 Ac1 降低 Ac3 阻止晶粒 长大 增加钢的淬透性 降低钢的临界冷却温度 因而 使钢在热处 理时 退火 正火 淬火的加热温度都有所提高 并使它在油中便能 淬硬 但它降低了钢的马氏体点 因而增加了钢的残余奥氏体量 2 使钢的奥氏体不稳定区域变为 700 500 和 400 250 3 提高了钢的硬度和强度 33 钨的影响 1 钨是强烈地形成碳化物的元素 并使钢的红硬性增加 2 钨能使 Ac1 和 Ac3 上升 并能阻止晶粒长大 因而有效地提高 了钢在热处理时退火 正火 淬火的加热温度 3 降低临界冷却速度 并使钢的淬透性大大增加 因而含钨量高 的钢能在空气中淬硬 4 使奥氏体在 500 400 最不稳定 同时降低马氏体点 但增加 残余奥氏体量不多 5 有阻止回火脆性发生的作用和提高钢的硬度与强度 钒的影响 1 钒是碳化物形成元素 并能使铁素体硬度增加 2 升高 Ac1 和 Ac3 点 使钢的过热敏感性显著减少 从而使钢 的退火 正火 淬火的加热温度提高 3 使钢的奥氏体稳定性增加 降低临界冷却速度 增加钢的淬透 性 4 奥氏体最不稳定的区域在 700 500 并降低马氏体点增加残 余奥氏体数量 5 能增加钢的回火稳定性和提高钢的硬度和强度 8 与相关热处理进行比较与相关热处理进行比较 相关工艺 1 预处理采用快速退火 试样在 890 保温 10min 取出空冷至 34 550 立刻放入 760 炉中保温 60min 取出空冷 最终热处理 淬火选择最佳温度 1100 回火选择 600 表 8 1 3Cr2W8V 钢快速球化退火硬度 钢号等温球化退火 HRC平均值 第一步 890 3Cr2W8V 第二步 760 1415131414 表 8 2 3Cr2W8V 钢淬火硬度 钢号淬火 HRC平均值 3Cr2W8V11006564 5 63 5 63 564 125 表 8 3 3Cr2W8V 钢回火硬度 钢号回火 HRC平均值 3Cr2W8V60057 5575757 557 25 退火工艺硬度比较图 0 5 10 15 20 1234 采集点 硬度 系列1 系列2 图 8 1 系列 1 为快速球化退火系列 2 为本实验预处理 35 1100度淬火硬度比较图 61 62 63 64 65 66 1234 采集点 硬度 系列1 系列2 图 8 2 系列 1 为快速球化退火系列 2 为本实验预处理 600度回火硬度比较图 53 54 55 56 57 58 1234 采集点 硬度 系列1 系列2 图 8 3 系列 1 为快速球化退火系列 2 为本实验预处理 1 由上表 8 1 给出的快速球化退火硬度我们不难看出 经过快速 球化退火工艺处理的 3Cr2W8V 钢的硬度基本上在 14HRC 附近波动 高于等温球化退火工艺所得到的硬度 通过图 8 1 我们也能直观的发 现这一点 因而就硬度而言 快速球化退火能够得到高于等温球化退 火的组织 并且节约了大量时间 2 由上表 8 2 知道 在快速球化退火的基础上 采用 1100 淬火 得到的平均硬度为 64 125HRC 与等温球化退火工艺比较 硬度略高 通过图 8 2 我们可以发现 所采集的点基本上均高于等温球化退火工 艺的硬度 因此经过快速球化退火工艺处理的 3Cr2W8V 钢在淬火时 也有良好的表现 36 3 由上表 8 3 知道 在快速球化退火工艺基础上 进行 600 的回 火 回火后的平均硬度为 57 25HRC 与等温球化工艺处理的 3Cr2W8V 钢比较 硬度仍然高于等温球化工艺 通过图 8 3 可知 在 回火时 快速球化退火也是优势明显 相