4Cr5MoSiV热挤压模具热处理工艺

4Cr5MoSiV热挤压模具热处理工艺1 热处理工艺课程设计的目的热处理工艺课程设计是高等学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：（1）培养学生综合运用所学热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、零件绘图和学习使用设计资料、手册、标准和规范。因此，本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。要求我们设计工艺流程，这需要翻查大量的文献典籍。如何灵活使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手册的查找规范和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。材料热处理工艺课程设计是培养材料专业学生在热处理原理方面能力的重要环节，纸上谈兵是经不起考验的，扎实的理论唯有通过实践才能够证明，且科学的实践能够有效巩固甚至发展原有的理论，因此，本课程设计通过给出20余种不同牌号的材料，要求学生以个人（允许讨论）或组队的方式完成热处理工艺的设计，对学生巩固已学热处理知识、学习使用工具书、增强团队合作意识等是大有裨益的。2零件的技术要求及选材2.1热挤压模具的工作条件 热挤压模具用于机器零件和型材的挤压成型，主要有冲头、凹模及其他辅助部分组成，其工作条件决定于挤压设备的类型、被挤压材料的性质、加热温度及挤压工艺等因素。（1） 热挤压模具的工作温度 热挤压模具在挤压铜合金、钛合金时，工作温度可达600800，甚至更高。（2） 热挤压模具工作时的冷却条件 在工作过程中，热挤压模具都被强制冷却，以免模具的温升过高。（3） 热挤压模具的受力条件 热挤压冲头在工作时要受到大的压力、弯矩及循环热应力的作用。凹模的模腔受大的压应力和拉应力的作用，易生脆裂，还要受到摩擦和热疲劳的作用。2.2热挤压模具的失效形式 热挤压模具常见的失效形式有早期脆断、热疲劳、疲劳断裂、堆塌及磨损等。热挤压模具由于工作温度较高，因此，除脆断外，型腔堆塌及磨损就成为热挤压模具的主要失效形式。2.3热挤压模具材料的选用影响热作模具寿命的因素很多，例如模具的受力情况、工作温度、冷却方式，被加工材料的性质、变形量、变形速度以及润滑条件等。因此，在选择材料时，应根据模具的类型及具体工作条件合理的选用。热挤压模具用钢要求有高的断裂抗力、抗压、抗拉及屈服强度，冲击韧度，断裂韧度，耐回火性及高温强度，室温和高温硬度。此外，还要求具有高的导热性、小的热胀系数、高的高温相变点和抗氧化能力。热挤压模具的主要用钢见表1所示。表1模具名称钢号工作硬度HRC备注机械压力机及水压机冲头3Cr2W8V4450水冷却3Cr3Mn3W2V44506Cr4Mn3Ni2WV48523Cr3Mn3VNb44985Cr4Mn3SiMnVAl48525Cr4W5Mn2V48524Cr5W2VSi43474Cr5MoSiV14347机械压力机及水压机凹模3Cr2W8V3845水冷却3Cr3Mo3W2V43463Cr3Mo3VNb43466Cr4Mo3Ni2WV48524Cr3Mo3W4VTiNb48524Cr5MoSiV43474Cr5MoSiV14347在课程设计中，我们选用4Cr5MoSiV钢作为热挤压模具材料。2.4 化学成分及合金元素的作用2.4.1 4Cr5MoSiV的主要化学成分表2化学成分CSiMnMoVP、S（）Cr质量分数（%）0.30.430.81.200.20.501.11.600.300.600.0304.755.50此外，镍 Ni：允许残余含量0.25，铜 Cu ：允许残余含量小于等于0.30。2.4.2 合金元素的作用硅：是不形成碳化物而几乎全部溶于基体中的合金元素，硅能提高钢的强度、耐回火性和耐疲劳性。钼：能有效细化晶粒，减少过热倾向，提高耐回火性和大大减弱钢的回火脆性，钼明显推迟珠光体转变，但对贝氏体转变的影响不大。钒：是强碳化物形成元素，可以提高钢的强度、硬度，降低钢的过热敏感性，能有效细化晶粒，提高钢的耐回火性和增强二次硬化效应。碳：钢中增加碳量将提高强度，对于热作模具来说，可提高高温强度、热态硬度和耐磨性。但碳量增加会导致其韧性的降低，使钢的裂纹敏感性增大。一般热作磨具钢碳的质量分数在0.3%-0.6%之间。 热作模具钢中碳一部分进入钢的基体，引起固溶强化；另外一部分将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物，淬回火后这种合金碳化物除部分残留外，其他部分会在回火过程中从淬火马氏体基体上弥散析出，产生两次硬化现象。不同碳化物形成元素所表现出来的性能不同，主要取决于均匀分布的残留合金碳化物、弥散分布的合金碳化物及回火马氏体组织。 铬：是热作模具钢中普遍采用的合金元素，能提高淬透性及耐回火性，改善钢的冲击韧度，并有利于提高耐磨性、高温强度、热态强度、抗氧化的能力和耐蚀性。 铬一部分溶入基体中期固溶强化作用，另一部分可与碳结合形成铬碳化物。铬的碳化物一般开始溶入奥氏体的温度不高。铬的质量分数Wcr6%对提高钢的耐回火性是有利的，但未构成二次硬化，当Wcr6%钢淬火后，在550回火会出现两次硬化现象。 锰：商业用钢含一定量的锰以消除硫的有害影响，改善钢的热加工性能。锰具有固溶强化作用，溶入奥氏体中能强烈地提高钢的淬透性，同时可强烈下降Ms点，并使Ar1、Ar3、Ac1、Ac3降低，增加过热敏感性，另外，也容易引起回火脆性。镍：显著提高热锻模具钢的韧性，和铬共同作用大大提高钢的淬透性，使Ms点降低，对残留奥氏体有稳定作用。3 热处理工艺课程设计的内容及步骤3.1相变点的确定Ac1=853 Ac3（Accm）=912 Ms=310Ar1=720 Ar3（Arcm）=773 Mf=1303.2 热处理工艺及参数的制定3.2.1热处理工艺流程热挤压模具的热处理工艺路线如下：锻造退火机加工淬火回火(1) 锻造 锻造的目的是对于钢中碳化物分布不均匀，呈带状、网状及块状分布，钢材性能各向异性者，为打碎碳化物，消除性能的各向异性。 （2）退火 热挤压模具在锻后须经良好的球化退火，以改善组织，消除内应力、降低硬度，为最终热处理做好良好的组织准备。为确保模具钢具有良好的耐磨性、韧性和小的热处理畸变倾向，退火后要十分注意碳化物的形状、大小及分布状态。此外，要为机加工作准备。 退火工艺：860890加热，炉冷至500以下出炉 退火后的硬度（HB）：223（3）淬火 淬火温度要按模具的工作条件，结构及形状、制造工艺和性能要求来确定。对断裂韧性、抗热疲劳和抗热磨损要求较高及淬火处理后需电加工的模具要采用上限和较高的温度淬火。对要求畸变小、晶粒细、冲击韧性高的模具，应用低限的温度淬火。 淬火加热的保温时间的优选，应保证组织转变的完成和可获得要求的合金元素固溶程度。淬火加热保温时间过短，将降低钢的红硬性及抗回火能力。 中碳合金钢制热作模具的淬冷一般可采用油淬。对于畸变要求较高的模具，还可采用80150的热油冷却。对于要求高强韧性的模具，要采用高的淬冷速度以抑制碳化物的沿晶析出和出现上贝氏体，提高其强韧性和回火抗力。但其冷却速度必须控制在不出现淬火开裂和畸变在允许的范围内。 淬火加热温度：1020 ，由教科书可知，淬火温度等于Ac1+3050，但在此处我们取1020。淬火加热温度对H13模具钢的力学性能有很大影响，只有升至奥氏体化温度，才能使钢中的合金碳化物固溶于基体中，提高基体的合金化程度，从而提高钢的淬硬性、淬透性和高温强度，低于1000淬火，不能充分发挥合金元素的作用。研究表明，高温淬火可减少孪晶马氏体，增加位错马氏体，从而提高马氏体位错可动性。但高于1070淬火，晶粒开始明显长大，冲击韧性降低，而钢的硬度并没有显著增加。对于热挤压模，要求良好的强韧性和耐磨性，可采用下限温度淬火。总之，淬火温度的选择，既要保证奥氏体中溶有足够的碳和合金元素以提高硬度和红硬性，又要保证晶粒尺寸来满足模具对韧性的要求。 淬火冷却介质：油或空气 淬火后硬度：5658HRC(4) 回火 热挤压模具回火温度的选择应是在不影响模具的抗脆断能力及抗热疲劳性能的前提下，尽可能提高模具的硬度。因此，应根据模具的工作条件和具体的失效形态来确定具体的回火温度和硬度。 回火温度：550，图2为H13钢回火温度与硬度等参数的关系曲线，H13钢若在425520范围内回火，在出现二次硬化的同时会出现回火脆性，冲击韧性显著降低，因此，H13钢回火时应避免在回火脆性发展区内进行。图1 H13钢回火温度与硬度、冲击韧性、残余奥氏体量的关系 冷却方式：空冷 回火次数：2次硬度：4749HRC 回火目的：消除应力和降低硬度最终，总的处理工艺曲线如图3.2.2 热处理工艺参数的制定 根据时间计算公式=aKD 【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料。（1）装炉修正系数K的确定：图3.工件在炉内不同排布方式的加热时间修正值取装炉修正系数k=3（2）由钢种决定的加热系数a（min/mm）的确定： 表 3. 钢加热系数钢材每mm有效厚度的加热时间空气电阻炉盐浴炉碳钢0.91.1min2530s合金钢1.31.6min5060s1520s（一次预热）高速钢815s（二次预热）由淬火温度，取a=1.5（3）工件有效厚度的确定：下表为不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数表表4.状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数工件形状特征尺寸s形状系数k球球径0.7立方体边长0.7圆柱直径1.0棱形边长1.0环环宽度1.5环厚度1.5板厚度1.5管材壁厚开口通管2.0；长管4.0；闭口管4.0取立方体工件边长为100mm，故D=100*0.7=70综上：=3*1.5*70=315min将工艺参数制表如下表5工艺温度/时间/min淬火1020315回火5501203.2.3热处理工艺卡片填写见附表1 热处理工艺卡片3.2.4操作过程中的注意事项表61锻造后必须经过球化退火后才能进行加工。2球化退火时应注意加热温度和保温温度之间的区别，并保证足够的球化退火时间。3球化退火后先炉冷后空冷，减少残余应力。4淬火时应严防表面氧化，脱碳。5回火不足时，应注意油浴炉底部温度偏低。6球化退火应先将工件放在炉口缓慢升温后才能放入炉内。7淬火加热时应注意控制加热速度。8淬火预热时应保证足够的预热时间，使工件温度均匀化。9严格控制奥氏体化温度和加热时间。10控制冷却的时间，减少奥氏体稳定化。11控制回火温度，回火保温时间，保证碳化物的析出，从而保证硬度和红硬性。12回火冷却时应空冷至室温后再进行下一次回火，得到较多的回火马氏体。13淬火加热时，遇到突然停电，应立即从炉中去除工件，空冷。重新加热淬火前必须经过退火，否则，将出现萘状端口。14淬火后应及时回火。15回火出炉工件应随吊篮一起空冷，不能将工件堆放进行空冷。16中温预热和高温加热的盐浴应严格校正。17在生产中要经常检查控温仪表，常用光学高温计核对炉温的准确性。18大批工件进行淬火时必须进行试淬，淬火后检查淬火晶粒度，调节炉温。19在球化退火和回火过程中应注意添加足够的保护剂，减少工件表面的氧化脱碳。3.3热处理设备的选择对于球化退火和回火工艺，采用中温井式电阻炉型号：RJ2-40-9 额定功率：40kw 额定温度：950 炉膛尺寸：600*800 对于淬火工艺，采用高温箱式电阻炉图5.高温箱式电阻炉型号：RX3-20-12功率：20kw 最高工作温度：1200 炉膛尺寸：600*300*250清洗设备：废水池。烘干设备：烘箱3.4 夹具的设计或选用 由于工件的尺寸很小，故可忽略夹具的选用3.5 组织特点性能和缺陷的分析(1)球化退火组织 点状或球状珠光体+少量网状分布的二次碳化物 退火态显微组织示于图1中。铁素体基体在有的区域呈位向分布，在有的区域呈等轴状分布，细点状合金碳化物分布不匀，铁素体晶界上二次合金碳化物析出较多，有的晶界上几乎呈链状析出粒状和细杆状碳化物。图6退火态显微组织(500)（2） 淬火组织 马氏体（针状、板条状）+残余奥氏体+弥散分布的碳化物+少量针状下贝氏体（见图7） H13钢经不同温度淬火后,获得马氏体+残余奥氏体+未溶碳化物组织(图7)，未溶碳化物主要为Mo、V的碳化物，由于这些碳化物固溶温度比较高，因此，只有保证足够高的淬火温度和足够长的保温时间才能保证其充分固溶，而事实上这些未溶碳化物对回火过程中碳化物的非自发形核起很大作用。图7 淬火后的马氏体组织 500X（3）回火组织 回火马氏体（细针状）+残余碳化物 回火可以减小并稳定残余应力，稳定组织，避免裂纹和变形。钢中碳化物经过细化处理和采用低温回火，可以获得碳化物和晶粒同时发展的效果。淬回火后残留碳化物均匀、细小、圆整，组织中黑白区不很明显，碳化物基本消除，淬回火马氏体组织细小、均匀，从而对模具钢接触疲劳寿命的提高带来非常有利的影响。 H13钢的回火过程实际上就是过饱和的固溶体的脱溶过程，这个过程受相中的Cr、Mo、V等元素控制。由于合金元素在500以下不能足够快的扩散以使合金碳化物的形成，而C易扩散形成铁的碳化物，因此，在H13 钢的回火过程中，合金碳化物要不断的取代预先形成的渗碳体颗粒。图8 二次回火后的显微组织 500X（4）常见的缺陷及其原因 淬火过热或过烧：a 球化组织不良 b淬火加热温度过高，或高温保持时间过长 c 对截面变化较大的模具，淬火工艺参数选择不当，在薄截面和尖角处产生过热 硬度低或不均：a 原始组织中碳化物偏析严重，或球化组织粗大不均 b 淬火温度过高，残余奥氏体量多，或淬火温度过低，加热时间不足，相变不完全 c 工件出淬火介质时，温度过高，冷却不足 d回火温度过高 裂纹：裂纹产生的主要原因是尺寸变化以及机加工刀痕引起的应力集中效应,细小颗粒状、条状碳化物沿晶界分布的组织状态弱化了晶界,降低了材料的抗裂纹扩展能力。4 课程设计收获与体会 本来学校为我们安排了两个周来做课程设计，但我们用了一个半周的时间就大概做完了，当然，这个做完并不能谈的上完美“杀青”。很大程度上，我们还是依靠以前学长的模板来构建自己课题的框架，然后从借来的各类热处理的相关书籍生硬的摘抄，很少能够把自己所学的知识运用到其中。课程设计已接近尾声，在这里也谈谈这一个多星期的收获与体会。以前也做过工程制图和机械基础的课程设计，也是两个周的时间，我们当时忙的焦头烂额，但最后看着自己的宏伟制图，心里还是很骄傲的。这次做的是专业课课程设计，早早的就把图书馆的热处理相关书籍全借来了。每天就这么不停的在大量的书籍里查找自己所需要的知识，然后整理成电子文档。班里的同学大概都在一个半周的时间内完成了，但不得不说，做完这次课程设计后，