哈工大热处理原理与工艺大作业-热作模具热处理

热作模具的零件热处理组员：司光宇景琳刘浩何斯超刘宇泽王佳铭1.零件用途与服役条件1.1零件用途热作模具主要用于制造高温状态下进行压力加工的成型模具，更确切的说是指制造把金属材料加热到再结晶温度以上进行压力加工的模具。1.零件用途与服役条件1.2服役条件(1)型腔表层金属受热。尽管热锻模具不同，型腔表层金属受热温度也不相同，但是最低也有几百摄氏度;热挤压模具与压铸模具型腔表层温度更高。1.零件用途与服役条件1.2服役条件(2)型腔表层金属产生热疲劳。热作模具的工作特点是具有间歇性。每次使热态金属成型后都要用冷却介质冷却型腔的表面。因此，热作模具的工作状态是反复受热和冷却，从而使型腔表层金属产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用。其结果是引起型腔表面出现裂纹，称为热疲劳现象。1.零件用途与服役条件1.2服役条件(3)载荷作用。锤锻模受强烈的冲击载荷和工作应力;热挤压模具和压铸模具是在高压下服役的。2.失效方式-性能要求2.1失效方式(1)变形失效变形失效是指热作模具频繁与高温毛坯工件接触使用后出现软化，因发生塑性变形超差而引起的失效。对于黑色金属成形，当模具表面软化后硬度低于30HRC时容易发生变形而堆塌。工作载荷大、工作温度高的热挤压模具和锻压模具的凸起部位易产生这类失效。2.失效方式-性能要求2.1失效方式(2)热疲劳失效热疲劳失效是指热作模具在工作过程中因周而复始地反复被加热和冷却，使模具表面产生网状裂纹而引起的失效。在工作过程中工作温差大，反复被快速加热又被快速冷却的压铸模具、锻压模具等易产生热疲劳裂纹。热疲劳裂纹属于表面裂纹，一般较浅，在应力作用下向内部扩展，最终导致模具产生断裂失效。2.失效方式-性能要求2.1失效方式(3)断裂失效断裂失效是指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现失稳态下的材料开裂，包括脆性断裂、韧性断裂，疲劳断裂和腐蚀断裂。热作模具断裂(特别是早期断裂)，与工作载荷过大、选材和材料处理不当及应力集中等有关。挤压冲头及模具凸起部位根部易出现断裂失效。2.失效方式-性能要求2.1失效方式(4)热磨损失效热磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间相对运动产生摩擦损耗，而引起的模具尺寸超差和表面损伤失效。模具工作温度、材料的硬度、合金元素及润滑条件等都影响模具磨损。相对运动剧烈和凸起部位的模具，如热挤压冲头等易产生磨损失效。2.2性能要求2.2.1力学性能1)硬度和强度要求材料在模具的服役温度下，仍保持一定的硬度和强度，并且具有良好的热稳定性，以防止模具发生变形。2)韧性很多热作模具，特别是锻锤用模具，在工作过程中经常要承受较大的冲击载荷，为了防止模具开裂，要求模具材料必须有较高的冲击韧度和断裂韧度。2.2性能要求2.2.1力学性能3)热疲劳抗力大部分热作模具都是在周期性的温度急剧变化下服役的，在模具表面产生应力。为防止模具表面产生热疲劳裂纹，要求模具材料具有良好的热疲劳抗力。2.2性能要求2.2.1力学性能4)化学稳定性热作模具往往在较高的温度下工作，模具工作面与空气、液态金属或其他介质接触，要求模具材料具有在工作温度下的抗氧化性能或抗液态金属冲蚀的性能。热作模具工作时除了承受周期性载荷作用之外，还要承受高温及周期性的急冷急热变化。热交变应力易使热作模具材料发生疲劳破坏，导致模具热裂。2.2性能要求2.2.2工艺性能（1）加工性热作模具材料的加工性主要包括冷加工中的切削加工性能和热加工中的锻压加工性能两种。它主要取决于钢的化学成分和热处理工艺等。2.2性能要求2.2.2工艺性能（2）淬透性和淬硬性热作模具对这两种性能要求根据其工作条件不同有所侧重。对于小型模具，由于尺寸小，容易淬透，所以只要求高的硬度，偏重于高淬硬性;对于尺寸较大的模具，如果截面未淬透，则回火后未淬透部分的屈服点和韧性会显著降低，影响模具工作寿命，所以其淬透性更为重要。2.2性能要求2.2.2工艺性能（3）热处理变形性热作模具在热处理时，尤其在淬火过程中，要产生体积、形状变化，为保证模具质量，要求模具钢的热处理变形小，各方向变化相近似，且组织稳定。它主要取决于热处理工艺和钢的冶金质量等。2.2性能要求2.2.2工艺性能（4）脱碳敏感性热作模具如果在无保护气氛下加热，其表面会发生氧化、脱碳现象，就会使其硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低。因此，要求模具钢的氧化、脱碳敏感性好。对于某些氧化、脱碳敏感性强的热作模具钢，可采用特种热处理，如真空热处理、可控气氛热处理等。2.2.2工艺性能(5)较高的回火稳定性抗氧化性能：防止模具在高温服役中被继续回火，导致硬度下降而影响耐磨性。3.基本分类热作模具钢的种类以及其分法的不同而有差异。常用的分类方法有三种：是以其所制造的模具用途，性能，成分来分类。3.基本分类3.1按用途热作模具钢可分为锤锻模具钢、热顶锻模具钢、热挤压模具钢、热冲裁模具钢和精锻模具钢以及压铸模具钢热作模具钢。3.基本分类3.2按性能高韧性热作模具钢、高热强性热作模具钢、高耐磨性热作模具钢，也可分为低耐热性热作模具钢、中耐热性热作模具钢、高耐热性热作模具钢。3.基本分类3.3按成分低合金热作模具钢、中合金热作模具钢、高合金热作模具钢，也可分为钨系热作模具钢、铬系热作模具钢、铬钼系热作模具钢、铬钨钼系热作模具钢。4.零件用材料4.1锻压模具用钢的选用4.1.1.锤锻模：受冲击负荷，韧性要求较高。中、小型锤锻模首选：5CrMnMo大型锤锻模首选：5CrNiMo特大型锤锻模：5Cr2NiMoVSi4.零件用材料4.1锻压模具用钢的选用4.1.2.压力机锻模：冲击负荷较小，负荷较大，要求热强性较高。压力机锻模首选：4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV14.零件用材料4.零件用材料4.2热挤压模具热挤压模具的工作特点是加载速度较慢，因此，型腔受热温度较高，通常可达500～800℃。对这类钢的使用性能要求应以耐磨性、高的回火稳定性和抗热疲劳性能为主。4.零件用材料4.2热挤压模具4.2.1轻合金挤压:选用韧性较好的热作模具钢，如4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1钢。4.零件用材料4.2热挤压模具4.2.2钢、铜和铜合金挤压:除了选用4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1钢外，也可选用高温强度较好的热作模具钢，如3Cr2W8V钢。5Cr4W5Mo2V钢是新型的热作模具钢，该钢具有较高的红硬性，高温强度和较高的耐磨性，可进行一般的热处理或化学热处理，可代替3Cr2W8V钢制造某些热挤压模具，使用寿命较高。4.零件用材料4.零件用材料4.3压铸模具压铸模具在服役条件下不断承受高速、高压喷射、金属的冲刷腐蚀和加热作用，从总体上看，压铸模具用钢的使用性能要求与热挤压模具用钢相近，即以要求耐磨性、高的回火稳定性与抗热疲劳性为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤压模具用钢相同。4.零件用材料4.3压铸模具Zn合金压铸模具:4Cr5MoSiV1，4Cr5W2VSi钢等；Al和Mg合金压铸模具:4Cr5MoSiV1，3Cr3Mo3W2V钢等。Cu合金压铸模具:3Cr3Mo3W2V，3Cr2W8V钢。5.加工工序毛坯锻造→退火→机械粗加工→精加工成形→淬火、高温回火→钳工整修、抛光→模具装配→试模6.热处理工艺热处理是热作模具制造中不可缺少的重要工序。热处理目的就是通过加热和冷却的方法，改变钢的组织，提高硬度、韧性等力学性能。热作模具使用条件不同，对其性能要求的重点也不同。比如，锤锻模对韧性要求较高，而热挤压模具以耐磨性、高的回火稳定性、抗热疲劳性为主。这就要求对不同的热作模具采取不同的热处理工艺，以达到要求的使用性能。热处理对热作模具的质量和使用寿命都有重要的影响。热作模具钢的成分有哪些特点？(1)含碳量处于中等水平，碳的质量分数一般为0.3%~0.6%；(2)加入Cr、Ni、Mn等元素，提高钢的淬透性和强度等性能；(3)加入W、Mo、V等元素，防止回火脆性，提高热稳定性及红硬性；(4)适当提高Cr、Mo、W在钢中的含量，可提高钢的抗热疲劳性。6.15CrMnMo预备热处理锤锻模具钢5CrMnMo普通退火工艺760~780℃500℃炉冷空冷4~6h时间/h温度/℃锤锻模具钢5CrMnMo、5CrNiMo淬火回火工艺温度/℃时间/h830~850℃750~780℃500~580℃油冷空冷150~180℃淬火回火油冷热处理工艺、组织及性能1)锻造工艺钢坯锻造加热温度1100～1150℃、始锻温度1050～1100℃、终锻温度800～850℃、锻后缓冷(坑冷或砂冷)，注意防止模具开裂。2)退火工艺等温退火加热温度850～870℃，等温温度680℃，退火硬度197～241HBS。3)淬火工艺加热温度840～860℃油淬，冷到150～180℃左右出油并立即回火。为减少变形及开裂，淬火时最好延时冷却，可空冷到740～780℃，然后入油。5CrMnMo回火工艺6.热处理工艺6.25CrNiMo钢1）锻造工艺锻坯加热温度1100～1150℃，开锻温度1050～1100℃，终锻温度800～850℃，砂冷或坑冷。2)淬火、回火工艺淬火预热温度600～650℃，加热温度830～860℃，油淬。5CrNiMo钢淬火注意事项注意：1.淬火加热保护:将模具放入铁盘，用保护剂填满，用耐火泥或黄泥密封。2.避免淬火开裂：油冷不能冷到室温3.避免形成上贝氏体：增加大型模具心部冷速不在350~500℃缓冷4.油淬组织硬度：针状马氏体+少量残余奥氏体52~58HRC5CrNiMo钢奥氏体等温转变曲线5CrNiMo回火工艺（1）淬火后应立即进行高温回火，以消除淬火应力，获得较好的韧性。（2）回火后采用油冷，以免产生回火脆。油中不能冷却到室温，以免开裂。（3）回火保温时间系数为3min/mm，且回火保温时间不少于2h。（4）小型模具采用较低的回火温度，大型模具采用较高的回火温度。（5）回火后的组织：回火索氏体+回火托氏体。3Cr2W8V3Cr2W8V：静载荷较高但冲击载荷较低的机锻模、铜合金热挤压模、压铸模3Cr3Mo3W2V：热镦锻模、机锻模、热挤压模、压铸模钢号Ac1Ac3Ar1Ms3Cr2W8V3Cr3Mo3W2V5Cr4W5Mo2V800840830850922893690786700370373330钨钼系热作模具钢的一般热处理过程1.退火工艺3Cr2W8VAc1--800℃Ac3--850℃Ar1--690℃Ms--370℃退火工艺：加热温度：820-840℃加热保温时间：2-4h冷却方法：炉冷至500℃空冷退火硬度：HBS217-2412.淬火工艺2.1高温淬火工艺.（1）预热：800~850℃（2）加热：温度高于1050℃，参考以下淬火温度，然后分级淬火。含钼钢而容易氧化、脱碳，最好采用可控气氛热处理炉或真空炉加热。钢号3Cr2W8V3Cr3Mo3W2V5Cr4W5Mo2V淬火温度/℃1100~11501050~10901100~1140淬火硬度HRC50~5555~5759~61淬火介质油或空气油或空气油或空气2.2贝氏体等温淬火工艺贝氏体等温淬火工艺：3Cr2W8V钢制自行车曲柄热成型模，在3000kN摩擦压力机上使用，按1080℃油淬，580～610℃回火二次工艺处理，硬度45～48HRC，平均使用寿命4500件；改用1100℃加热，340～350℃硝盐炉等温淬火，获得马氏体+下贝氏体组织，使模具具有高强度的同时，显著提高了塑性和断裂韧度，寿命高的原因是高强度的马氏体上分布有适量的下贝氏体，提高了钢材的强韧性，断裂韧性和裂纹扩展抗力2.3控制淬硬层淬火工艺控制淬硬层淬火工艺：3Cr2W8V钢制尖嘴钳热压模具，1000～3000kN摩擦压力机上使用，常规淬火工艺，硬度46～48HRC，采用高温短时间加热，使模具表面和心部得到不同的淬火加热温度，造成不同的合金度，在随后淬火过程中，获得内外不同的组织。或控制淬火操作，使表面和心部在不同温度下淬火而转变成不同的组织，经此工艺处理后模具寿命达32000件。（3）冷却（3）冷却：≤150mm的小型模具空冷，大型模