材料工程课程设计报告

-1-目录模具服役条件及失效分析………………………………………………2选材及材料介绍…………………………………………………………3零件加工及热处理……………………………………………………4分析讨论…………………………………………………………………8课程设计心得体会……………………………………………………13参考文献………………………………………………………………14-2-硅钢片冲制凹模选材及工艺分析模具服役条件及失效分析冷作模具主要用于金属或非金属材料的冷态制作。在服役过程中承受拉伸、弯曲压缩冲击疲劳等不同应力作用，一般的冲压模具都要求有较高的硬度,良好的耐磨性,抗腐蚀性,良好的冲击韧性等基本要求,在服役过程中主要会发生以下失效形式：1．过载失效这类失效是指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷(包括随机波动载荷)作用引起的失效。若材料韧性不足易脆断、开裂失效，若强度不足易变形、镦粗失效。特别是脆断开裂失效是最主要的一种失效方式。发生过载失效的原因有两种，一种是材料韧性不足的失效这是一种失稳态下的断裂失效，常见到的如折断、开裂，甚至产生爆炸。其特征为断裂时很突然，没有明显宏观征兆和塑性变形，宏观断口没有剪切唇、比较平坦。通常造成模具不可修复的永久失效。产生这种失效与棋具承受过高工作应力和材料韧性不足有关。另一种强度不足失效，由于模具材料抗压弯曲抗力不足，下凹、弯曲变形等失效。这种情况在新产品研制时易出现，这与工作载荷大、材料硬度偏低有关。这种失效表明材料强度不足，塑性有余，有韧性潜力可以发挥。2．磨损失效对于表面质量和公差尺寸要求严格的模具，在保证做够承载能力不致脆断的前提下，提高使用寿命就取决于材料的抗磨损能力。模具磨捅是工作部位与被加工材料之间相对运动产生的损耗，包括均匀磨损、不均匀磨损和局部脱落掉块等。非均匀磨损是外来质点、碳化物及磨损中形成的硬质点引起的磨粒磨损，而局部脱落掉块是一种磨损疲劳，在剪切应力作用下局部磨损疲劳而萌生微裂纹，最终扩展至脱落。冷作模具的磨损抗力随材料硬度提高而增加。而同时硬度提高更会要降低材料韧性，单纯增加硬度会出现未磨损先断裂的过早失效。较理想状态是“里韧外碾”采用局部表面强硬化等工艺是提高抗磨损能力的有效办法。3．多冲疲劳失效冷作模具承受的裁荷都是以一定冲击速度，一定能量作用周期性施加的，因此改善材料表面应力状态是提高多冲疲劳抗力的有效途径。不过，其工作部位主要是凹模的刃口。模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形式是磨损失效。-3-选材及材料介绍为了满足要求也就是说要求硬度，强度和韧性都较好，减少以上失效的发生，延长模具寿命，减低生产成本经综合考虑选用Cr12MoV作为加工该模具的材料。其化学成份为：碳C：1.45～1.70、硅Si：≤0.40、锰Mn：≤0.40、硫S：≤0.030、磷P：≤0.03、铬Cr：11.00～12.50、镍Ni：允许残余含量≤0.25、铜Cu：允许残余含量≤0.30、钒V：0.15～0.30、钼Mo：0.40～0.60其力学性能为：硬度：退火,255～207HB,压痕直径3.8～4.2mm;淬火,≥58HRC。Cr12MoV钢是目前国内广泛使用的冷作模具钢之一也是国际上较广泛采用的模具钢，属莱氏体钢。Cr12MoV钢是一种高碳、高铬的莱氏体钢，具有大量的游离碳化物。在退火状态其碳化物可多达28%，在淬火、回火状态其游离碳化物也多达21%。钢中的Cr大部分形成碳化物，只有极少部分固溶于基体中。Cr12MoV钢中碳化物为M7C3型碳化物，维氏硬度为2100HV，因此其耐磨性较好。冲压性能高，淬透性好。在实际使用该钢制造的冷冲模，如果冲压操作正确，韧性不成为模具的关键，而耐磨性直接决定模具的寿命。Cr12MoV钢属于高耐磨微变形冷作模具钢,其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度,仅次于高速钢,是冷冲裁模、冷镦模等冷作模具的重要材料，由于加入了适量的Mo和V，碳化物不均匀有所改善。Mo能减轻碳化物偏析并提高淬透性，V能细化晶粒。Cr12MoV在300～400℃时仍可保持良好硬度和耐磨性，韧性也高，淬火时体积变化最小。可用来制造形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具。其消耗量在冷作模具钢中居于首位.该钢虽然强度、硬度高,耐磨性好,但其韧性较差,对热加工工艺和热处理工艺要求较高,处理工艺不当,很容易造成模具的过早失效。常用于制作那些承受重负荷、生产批量大、形状复杂的冷作模具,如冷冲、压印、冷镦、冷挤压模、冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板等。但该钢的显著缺点是脆性大,常常导致模具的早期失效。模具失效分析表明,热处理因素影响最大,约占50%。因此,如何提高其强韧性,防止模具过早断裂失效,是该钢用户经常遇到且需要解决的问题。经分析该钢种经合理的热处理后可完全满足模具要求，故选用其作为加工该模具的材料。-4-零件加工及热处理通过查看模具生产的技术资料知,该模具的加工工艺路线为：下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火+低温回火→平磨→线切割加工→成型组装。锻造：由于Cr12MoV这类材料属于高碳高合金钢，在轧制过程中会产生严重的C偏析，即所谓的网状渗碳体。大家知道，渗碳体硬度高而脆，没有韧性。以前对此类材料的C偏析有严格的级别控制。由于材料存在网状渗碳体，造成在以后的热处理中，会沿着渗碳体网状开裂。因此，材料在制作模具之前必须进行反复的锻打（不只是简单的改变形状），以使网状渗碳体打碎，改善材料性能。Cr12MoV钢锻造加热曲线球化退火：球化退火，以细化组织，减少淬火变形和防止淬火开裂！Cr12MoV属于高碳高铬莱氏体钢。碳化物含量高,且常呈带状或网状不均匀分布,其形状、大小及分布对钢的性能影响很大,尤其大块状尖角碳化物对钢基体的割裂作用较大,往往成为疲劳断裂的策源地。经过改锻,碳化物被击碎,偏析状况得到有效改善,但其形态还不理想,且锻后硬度也偏高。因此Cr12MoV钢锻后常采用球化退火作为预备热处理,以获得均匀、细小的球形碳化物,降低硬度,改善切削加工性能,同时为后续淬火做好组织准备，让奥氏体回复和开始再结晶。Cr12MoV钢形成网状碳化物，而且在最终的淬火、回火过程中仍能保持，这将使其脆性增加而不能使用。球化退火后的组织为索氏-5-体型珠光体+粒状碳化物，硬度为207～255HB。Cr12MoV钢球化退火工艺淬火：第一次预热：300～500℃；第二次预热：840～860℃；淬火温度：1020℃；冷却介质：油，介质温度：20～60℃；冷却至油温；随后，空冷，HRC=60～62。淬火是冷冲模热处理的关键工序，对冷冲模的质量有着非常密切的关系。在淬火过程中要考虑加热方式、升温方式、淬火温度、保温时间、冷却方法以及变形等多种因素的影响。为了防止氧化，热处理设备选用盐浴炉。Cr12钢是一种高碳高铬合金钢，其导热性较差，易形成温差应力，巨大的热应力有造成变形开裂的危险，因此我们采用300～500℃;840～860℃两次预热，然后随炉升温至淬火温度。Cr12MoV钢具有良好的淬透性。可以采用油冷或分级淬火。从模具情况考虑，采用油冷。淬火温度1020℃，回火温度180℃～200℃，硬度可达HRC60～62，模具可保证具有-6-良好的硬度，防止变形。真空炉加热可防止工件的氧化和脱碳现象，产品不易腐蚀，加工时可有较小的留量。Cr12MoV钢淬火温度为1000～1040℃,高的温度一方面促进了较小碳化物的完全溶解,另一方面也促进了大块碳化物尖角的局部溶解;而且,溶入基体的碳化物在随后高温回火过程中再度均匀弥散析出,使碳化物的形态、大小及分布得到改善,有利于提高模具的强韧性。性能上σbb提高20%,αk值提高15%。用此工艺处理的Cr12MoV钢模,模刃口件总寿命达较长,寿命提高5倍。失效后取样金相检查,碳化物不均匀度为1级。回火：在高硬度的前提下，欲提高抗弯强度和冲击韧性，应采用180-220℃之间回火温度，即图中阴影部分。中淬火温度淬火后可以在180-200℃低温回火，低温回火只用在低温淬火后，可以获得最高的硬度和最佳的耐磨性，韧性也较合适。降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力、防止模具变形和开裂。使不稳定的组织趋于稳定，以稳定模具的形状尺寸精度。获得所要求的组织和性能。Crl2MoV钢回火目的是充分消除热处理的残留应力。调整组织和硬度。淬火后形成的马氏体属于高碳富铬的过饱和间隙固溶体，处于不稳定状态，回火时分解，析出碳化物，转变为回火马氏体，使材料基体组织硬度降低。残留奥氏体在回火过程中会分解，析出显微碳化物，在一定程度上弥补了马氏体回火转变造成的硬度降低。淬火后钢的硬度会随回火温度的变化呈现先降低后增加的趋势。回火温度过高时，残留奥氏体中析出的碳化物粗化，失去强化作用。导致硬度下降。淬火后试样在不同温度下回火时，冲击韧度呈先降低后升高的趋势，这主要受残留奥氏体分解的影响。回火过程中，随温度的升高，基体中残留奥氏体量逐渐减少，析出碳化物增多，导致材料的冲击韧度降低。但回火温度过高时，组织中的碳化物有粗化、聚集的趋势。冲击韧度开始回升。Crl2MoV钢的回火一般分低温回火与高温回火。低温回火一般是170～180℃×2h，硬度可达60--62HRC。如果在热处理过程中回火不足，材料中的残留奥氏体量较多，残留奥氏体很软，组织不稳定，当模具承受摩擦、挤压变形和冲击时瞵I达一定条件会使残留奥氏体转变为极脆马氏体，导致材料的组织应力增加，使材料脆性断裂的倾向明显增大。如果要求热处理时模具变形较小，可在回火过程中靠改变回火温度来控制模具的尺寸。回火温度的确定要根据淬火后残留奥氏体的量来决定。-7-回火温度对硬度、抗弯强度和冲击韧性的影响保温时间的确定既要考虑淬硬性，又要考虑淬透性，对于我们使用的小型模具保温时间按下式计算：保温时间t(min)=10+有效厚度(mm)/2。Cr12MoV淬火、回火热处理曲线-8-分析讨论Cr12MoV再经过上述热处理工艺时可能存在以下问题，经查阅资料分析讨论得出以下处理办法：一、热处理变形失效模具经过加工制作成后，为了增加其硬度及延长其使用寿命，往往采取热处理。但钢材经热处理后会膨胀变形，不仅给模具生产企业带来经济损失，而且最主要的是耽误了客户的工期，造成了不好的影响。模具在热处理时，特别是在淬火过程中，由于模具截面各部分加热和冷却速度的不一致而引起温度差，加之组织转变的不等时性等原因，使得模具截面各部分体积胀缩不均匀，组织转变的不均匀，从而引起“组织应力”和模具内外温差所引起的热应力。当其内应力超过模具的屈服极限时,就会引起模具的变形。1、模具材料的影响一般来说Cr12MoV钢是微变形钢，不应该出现较大变形。我们对变形严重的模具进行金相分析发现，模具钢中含有大量共晶碳化物，且呈带状和块状分布。（1）模具椭圆(变形)产生的原因这是因为模具钢中呈一定方向分布的不均匀碳化物的存在，碳化物的膨胀系数比钢的基体组织小30%左右，加热时它阻止模具内孔膨胀，冷却时又阻止模具内孔收缩，使模具内孔发生不均匀的变形，使模具的圆孔出现椭圆。（2）预防措施①在制造精密复杂模具时，要尽量选择碳化物偏析较小的模具钢，不要图便宜，选用小钢厂生产的材质较差钢材。②对存在碳化物严重偏析的模具钢要进行合理锻造，来打碎碳化物晶块，降低碳化物不均匀分布的等级，消除性能的各向异性。③对锻后的模具钢要进行调质热处理，使之获得碳化物分布均匀、细小和弥散的索氏体组织、从而减少精密复杂模具热处理后的变形。④对于尺寸较大或无法锻造的模具，可采用固溶双细化处理，使碳化物细化、分布均匀，棱角圆整化，可达到减少模具热处理变形的目的。2、模具结构设计的影响当模具选材和钢的材质都很好，往往因为模具结构设计不合理，如薄边、尖角、沟槽、突变的台阶、厚薄悬殊等，造成模具热处理后变形较大。（1）变形的原因-9-由于模具各处厚薄不均或存在尖锐圆角，因此在淬火时引起模具各部位之间的热应力和组织应力的不同，导致各部位体积膨胀的不同，使模具淬火后产生变形。（2）预防措施设计模具时，在满足实际生产需要的情况下，应尽