4Cr13大型模具钢模块喷淬工艺研究.pdf

6 Di e a nd M o ul d Te c hn ol o gy No 2 2 0 1 2 文章编号 1 0 0 1 4 9 3 4 2 0 1 2 0 2 0 0 0 6 0 4 0 4 C r 1 3大型模具钢模块喷淬工艺研究 王凯旋 宛 农 金 炜 1 武汉工业学院机械工程学 院 湖北 武汉4 3 0 0 2 3 2 武汉重冶 阳逻重型机械制造有限公 司 湖北武汉4 3 0 4 1 5 摘 要 4 C r 1 3 模具钢模块在油淬时有容易变形 开裂和组织硬度分布不均 匀且厚模 块不易淬透等缺 陷 利 用 自制 的喷淬 系统 实施 喷水淬火代替 油淬 采 用 AN S YS数值 模 拟喷淬过程 并根据模拟 结果制 定喷淬 工艺 试 验 结果表 明 可以采 用喷 水淬 火方 式对 4 C r 1 3 模具钢模块进行热处理 喷淬回火后 对模块解剖分析发现 6 1 0 mmX 3 0 0 F i l m 规格 的 4 C r l 3大模 块完全淬透 且表 面和 心部硬度差仅为 2 HR C 关键词 喷 水淬 火 硬度 数值模拟 工艺 中图分类号 T G 1 6 1 文献标 识码 A S pr a y q u e n c h i n g pr o c e s s r e s e a r c h o f l a r g e 4 Cr 1 3 mo u l d s t e e l b l o c k WANG Ka i x u a n WAN No n g J I N W e i Abs t r a c t I t i s e as y t o appe a r s om e d ef e c t s s uc h a s d ef or m a t i on c r a c k une v e n or ga ni z at i on a nd ha r dne s s di s t r i bu t i on a nd ha r d t o q ue nc h f or t hi c kne s s bl oc k i n oi l q ue nc hi ng pr oc e s s of 4 Cr 1 3 m ou l d s t e e l bl oc k The s pr a y qu en chi ng wa s us e d wi t h t he hom e m a de s pr ay qu en c hi ng s y s t e m i n p l a c e o f o i l q u e n c h i n g a n d t h e s p r a y q u e n c h i n g p r o c e s s wa s n u me r i c a l l y s i mu l a t e d b y ANS YS t h e n t h e s p r a y q u e n c h i n g t e c hn o l o g y wa s ma d e a c c o r d i n g t o t h e s i mu l a t i o n r e s u i t s The t es t r e s ul t s s ho w t ha t t he wa y of s pr ay qu e nc hi ng c a n be u s e d t o 4 Cr 1 3 m o ul d s t e e l b l o c k f o r h e a t t r e a t me n t Di s s e c t i o n a n d a n a l y s i s a f t e r q u e n c h i n g a n d t e mp e r i n g s h o w t h a t t he 4 Cr 1 3 l a r g e b l oc k wi t h 61 0 m m 30 0 m m s pe c i f i c a t i on i s c ompl et el y q ue nc he d a nd t he h a r d n e s s d i f f e r e n c e b e t we e n s u r f a c e a n d c e n t e r i s o n l y 2 HRC Ke y wo r ds s pr ay q ue nc hi ng ha r dne s s numer i c al s i mul a t i on t ec hno l ogy 引言 随着工业 的迅 速 发展 模 具 已成 为工 业产 品成型 的主要装备 塑料模具 钢作为 制作模 具最 主要 的原材料 其需求量越 来越大 同时其 品种 规格 质量要求也更高 4 C r 1 3 属于典 收稿 日期 2 0 1 1 1 卜1 4 作者简介 王凯旋 1 9 8 4 一 男 硕士研究生 型的 中碳 高铬 马 氏体耐 腐蚀 不锈 塑料 模具 钢 机械加 工性 能较好 经热 处理 淬火及 回火 后 具有优 良的耐腐蚀 性能 抛 光性能 较高 的强度 和耐磨 性 适宜制造承受 高负荷 高耐磨及在 腐 蚀介质作用下 的一般 塑料制 品模 具和透 明塑料 制品模具 等 模 具 技 术 2 0 1 2 No 2 7 目前对 4 C r 1 3塑料模具钢 的热处理方 式多 为油淬或 空淬 但 是 这些 热处 理 方式 还有 诸 多缺陷 如 油淬时模块 表面 和心部硬度 差别 大 尤其 是厚 模块 且 淬火 油烟 对环 境造成 污 染 空淬 时会 出现 硬 度 不 足或 淬 不 透 等现 象 本文首次提出用喷水淬火方式代替油淬或空淬 1 喷水淬火 系统 本 文采用图 1所示 的 自制 喷水淬火系统对 4 C r 1 3进 行 喷 水 淬 火 喷 头 型 号 为 Z O3 4 L TH5 0 S Q 3 0 4 喷头喷水流量与压力对应关系 如表 l 所示 喷淬过程中喷水压力为 0 3 MP a 按表 1 查得此时的单个喷头流量为 2 1 m3 h 能够有效 喷到模块上 喷头 的个数 为 1 6个 总流 量为 3 3 6 m h 一 2 模拟计算 4 C r 1 3的喷淬过程 ANS YS软件在温度 场的模拟过程 中 很好 地结合 了材 料 变 温过 程 材 料 热 物性 参 数 的 变 化 特别适 用于 钢件 淬火过 程温 度场 的 准确计 算l 6 所 以 决定用 ANS YS模拟 4 C r 1 3 模 块喷 水淬火过程得到冷却 曲线 喷水 淬火过程 中钢 与水之间 的换 热 系数 与浸淬 不 同 在 模 拟 中采 用的喷水淬火换热 系数来 自文献 5 表 1 喷头压力与流量对应关系 压力 MP a 流量 m h a 喷淬系统 b 喷淬效果 c 横截面喷淬示意图 图 1 喷水淬火 系统及过程 4 C r 1 3模具钢密度取 7 7 5 0 1 0 k g 1 T I 1 比热容 导热 系数 等 物性参 数 与温度 关 系参 考 3 C r l 3不锈钢 的选 取 模拟计算 过程 中模块 初始温度 即淬火温 度 为 1 0 3 0 淬 火介 质 水 温度 取 2 0 选用 4 C r 1 3模 具 钢规 格为 a 计算对象尺寸 4 0 0 0 mm 6 1 0 mm 3 0 0 mm 4 Cr l 3模 具钢 模块在喷 淬过程 中 上下 和左 右 4个 面为 主要 散 热面 取模具钢 中间截面上 的 1 4为模拟对 象 如 图 2所 示 模 拟 4 C r 1 3喷淬 的冷却 曲线 如 图 3所示 A 散热面 图 2 4 C r 1 3喷淬模 拟计 算 b 网格划分 散 热 面 8 Di e a n d M o u l d Te c hn o l og y No 2 2 0 1 2 p 心部 表面 f f l 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 00 0 1 0 0 0 0 0 时 间 s 图 3 模拟 4 C r 1 3喷淬 的冷却 曲线 由图 3的冷却 曲线 可知 1 7 0 S和 7 9 2 S时 模块 表 面 中 心 B 点 温 度 分 别 为 2 0 1 和 1 3 6 o C 心部 A点 温度 为 6 0 0 5 5 0 时 对 应 的时 间分 别 为 1 9 4 8 S 2 0 9 3 S 模 拟计 算 4 Cr 1 3模块喷淬 1 7 O S 7 9 2 S 1 9 4 8 S和 2 0 9 3 S 时 的温度场分布 如图 4所示 1 8 9 294 8 2 60 9 71 4 819 92 4 i 0 0 1 6 2 2 2 5 2 8 7 3 5 0 4 1 2 4 7 5 5 3 7 6 0 0 a 1 7 0 S时的温度场分布 A 3 4 C r 1 3喷水淬火试验 4 Cr l 3模 具钢 C C T 转变 曲线 来 源 于文 献 E 8 从该 曲线 可知 4 C r 1 3在冷却 过程 中避过珠 光体转变 区的温 度为 5 5 0 4 C r 1 3化 学成 分 如表 2所示 4 C r l 3为 中碳高铬合金钢 淬火过 程 中易 开裂 变形 为 防止 4 C r l 3模 块 开裂 喷 淬过程中进行 间歇性 喷水 为获得较 多的马 氏 体组织 模块应在喷水冷却 至心部 5 5 0 左右 避过珠光体转 变 区后停 止 喷水 进行 空冷 以增 加马氏体 转变 时 间 同时使形 成 的马 氏体 发生 自回火 减少 脆 性 以防止 模 块 开裂 g 4 C r 1 3 不锈模具钢热处理工艺为加热到 1 0 3 0 保 温 5 h 充分奥 氏体化 1 0 3 0 喷水淬火 5 5 0 回 火两次 每次 回火时间 为 1 0 h 工艺 曲线如 图 5所示 A p p p p p pp 三 墨 舀墨辱誊嚣兰 高 b 7 9 2 S 时的温 度场 分布 c 1 9 4 8 s 时的温度场 分布 d 2 0 9 3 S 时的温度场分布 图 4 模拟 4 C r 1 3模块在喷淬 1 7 0 s 7 9 2 s 1 9 4 8 S 和 2 0 9 3 s 时的温度场分布 表 2 4 C r 1 3化学成分 质量分数 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O g 啪拼猫 m 蛳 瑚 模 具 技 术 2 0 1 2 N o 2 9 p 赠 保温 一8 2 0 5 h 一 6 5 0 7 保 温 个 陬 6 h 一 保 温 f 锸 5 5 0 厕 C 8 h 一 佩 I 校 直 空 冷 h 筒so 守 图 5 4 C r 1 3不锈模具钢热处理工艺 曲线 4 C r 1 3模块在喷水淬火 1 7 0 S 后停 喷 此 时 测得上表面中心 B点 温度为 2 0 8 然后继续 喷水 淬火 7 9 2 S 后停喷 此时测得上表面 中心 B 点 温 度 为 1 4 0 温 度 用 S MART S E NS OR AR8 8 2 型 高温 红 外 温 枪测 量 其测 温 范 围为 一 1 8 1 6 5 0 而在模拟计算 中 1 7 0 s 和 7 9 2 S 时模块 表 面 中 心 B 点 温 度 分 别 为 2 0 1 和 1 3 6 与实际测量温度 已很接 近 根据模 拟结 果 可 以认为 心部 温度 为 5 5 0 时 的总 喷水 淬 火时间为 2 0 9 3 S 因 此 4 C r 1 3模具 钢模 块 喷 水冷却 总时间为 2 0 9 3 S 然后模块进行空冷 当 模块温度 为 2 5 0 时进行 回火处理 4 喷淬效 果 按照上述 工 艺 完成 对 4 C r 1 3模具 钢 模块 热处 理 后 沿 中 心 截 面 剖 开 4 C r 1 3模 块 用 HL N l l A型便 携式 硬度计 分 别 测量 各检 测 点 的模 块 硬 度 模 块 的硬 度 检 测 点 位 置 如 图 6 所 示 2 图 6 硬 度检 测点位置 模块硬 度 检测 结 果 显 示 检 测 点 1处 表 面 的硬度 为 3 3 5 HR C 检测点 2处 心部 的 硬度 为 3 1 5 HRC 表 面 和 心 部 硬 度 差 仅 为 时间 h 2 HR C 硬 度分 布较 均匀 且 模块 完全 淬透 未 出现淬火裂纹 在检测 点 1和 2处做 金相组织 分 析 都得 到 回火马 氏体 二次 碳化 物 残余 奥氏体组织 如图 7所示 由于心部冷 速较慢 有 部分碳化物 数量 比表 面多 少量碳 化物呈 网 状结构 a 表面 1 处 金相组织 5 0 0 b 心部 2处 金相 组织 5 0 0 图 7 4 C r 1 3表面和心部金相组织 此外 在喷水 过 程 中发 现 对 于 在加 热 起 吊过程 中已经变 形 的模块 可 以通 过调 节上 下 两面喷水 的方法 对其 进行 校直 用此 方 法可 避 免淬火弯 曲变形 下 转 第 2 0页 咖 堇 湖栅湖姗m 20 Di e a nd M o ul d Te c hn o l o g y No 2 2 0 1 2 94 9 3 9 2 邕 l 9 1 般 9 0 一 I 一 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 试验次数 图 8 试 验 结 果 4 结论 传统的模具设计 补偿方法是在模 具车 间进 行工艺试验 根据试验结 果修模实现 的 修改模 具型面的次数较多 模具 的设计与制造周 期长 本文采用基于数值 模拟 的回弹补偿方案对某 触 发弹簧片折 弯模 具进行 修 正补偿 纠 正 了折 弯 回弹误差 从 而成功 地解决 了该 弹簧 片 回弹 误 差较大 的问题 通过本文 的数值 模拟和试 验结 果证 明 这 种模 具设 计方 法对 纠正 冲压 件 回弹 误差非常有效 一 般来说 通过 2 3次 的回弹 补偿 可以将 回弹 补偿 的结果 直接应 用 到 实际 生产 中 配合 传统 的回弹 控制 方法 可 以有 效 地减少修模次数 从而 降低模具的制造成本 参考文献 1 武晓红 板料弯 曲回弹的机理 分析及减 少 回弹的措施 J 模具技术 2 0 0 2 5 4 5 4 8 r 2 Ba h o u l R Be n El e e h i S B P o t i r o n A Op t i mi s a t i o n o f s p r i n g b a c k p r e d i c t e d b y e x p e r i me n t a l a n d n u me r i c a l a p p r o a c h b y u s i n g r e s p o n s e s u r f a c e me t h o d o l o g y J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s Te c h n o l o g y 2 0 0 6 1 7 3 1 1 0 1 1 1 O 3 刘艳芳 施法 中 板料 冲压成形 回弹 的有限元数 值模 拟研究I J 锻压技术 2 0 0 4 2 9 4 3 6 3 9 4 林 忠钦 李淑慧 于忠奇 等 车 身覆盖 件冲 压成形仿 真 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 4 5 罗云华 王磊 高强 钢板 冲压 回弹 影响 因素研究 I J 锻压技术 2 0 0 9 3 4 1 2 3 2 6 6 李文平 边文德 聂绍珉 等 补偿 回弹 的冲压件模 具 设计方法 口 锻压技术 2 0 0 7 3 2 5 1 8 3 1 8 6 7 王秀风 郎利辉 板料成形 C A E设计 及应用 M 北 京 北京航空航天大学出版社 2 0 0 8 上接 第 9页 5 结论 通过 自制喷水淬火 系统对 4 C r 1 3模 具钢模 块进行淬火 并用 ANS YS对 温度场 进行仿 真 指导喷淬工艺 得 到如下结论 1 4 C r 1 3模 具钢 模块