金属材料热处理课程设计说明书(凹模)

第1页共24页《热处理工艺设计》课程设计报告报告题目：9Mn2V凹模热处理工艺设计作者所在系部：模具技术系作者所在班级：专接本132作者学号：20911323作者姓名：沈亚锋指导教师姓名：刘明全完成时间：2013-9-25第2页共24页1材料选择通过给出的技术要求（61～63HRC），所以要选择淬透性和淬硬性都比较好的材料作为该凹模的制作材料，经查阅相关资料有很多材料都适合作为冷作模具的材料，如9SiCr、Cr12MoV、9Mn2V、CrWMn等。下面对这四种不同的材料的比较如下：（1）化学成分（质量百分数：%）：化学成分CSiMnCrWVPS9SiCr0.85～0.951.20～1.600.30～0.600.95～1.25≤0.030≤0.030Cr12MoV1.45～1.70≤0.40≤0.4011.00～12.500.15～0.30≤0.030≤0.0309Mn2V0.85～0.95≤0.401.70～2.000.10～0.25≤0.030≤0.030CrWMn0.90～1.05≤0.400.80～1.100.90～1.201.20～1.60≤0.030≤0.030（2）物理常数（近似值：℃）：临界点Ac1AcmAr1Ar3MsMf9SiCr770870730160-30Cr12MoV83085575078523009Mn2V730760655690125CrWMn750940710260-50（3）淬透性：材料淬透性能回火硬度9SiCr淬透性较高，能达到60HRC的端淬距离为13mm58～65Cr12MoV淬透性高55～619Mn2V淬透性很高，能达到60HRC的端淬距离为13mm60～62CrWMn淬透性较高，20mm的能全部淬透并达到60HRC55～65综合以上所列出的各项数据显示，这些材料均能达到该零件的使用性能要求。但是根据实际成本和材料的化学成分来看，9Mn2V在符合要求的同时具有整体优势。因为从热处理特点来看，9Mn2V的化学成分相对简单，且合金元素含量也不高，便于热处理；另外，从上述四种材料的物理参数看来，9Mn2V的临界点相对较低，应用到大批量生产上可以减少一部分能源的使用，这是一方面的优势。此外，第3页共24页对9Mn2V进行回火的时候还可以不用通过介质来进行加热。所以，在均能满足性能要求的前提下，9Mn2V非常符合制作这个凹模。9Mn2V的化学成分（质量百分数：%）如下表：CSiMnVPS0.85～0.95≤0.401.70～2.000.15～0.25≤0.030≤0.0309Mn2V的相关物理参数(摄氏度：℃)如下表：Ac1AcmAr1Ar3Ms7307606556901252确定加工工艺路线序号工艺内容设备1下料棒料下料锯床2锻造将坯料锻成长方体3退火将锻件退火，以消除锻压造成的内应力，改善加工性能4粗铣铣各平面，厚度留磨削余量0.6mm，侧面留磨削余量0.4mm铣床5磨平面磨上、下平面（单面留磨量0.3mm）和相邻两侧面，保持各面相互垂直（用90°角尺检验）磨床6钳工划线划出对称中心，各个孔的位置，型孔的轮廓线7型孔粗加工在仿铣床上加工型孔，留单边加工余量0.15mm仿铣床8加工余孔及攻螺纹1）加工凹模上的余孔；2）对指定的孔攻螺纹钻床9热处理保证61—63HRC10磨平面磨上、下平面及相邻两侧面至要求尺寸磨床11线切割按图切割型孔达到尺寸要求线切割机12钳工精修全面达到设计要求13检验3热处理工艺方法选择3.1模具的预备热处理为了消除毛坯的残留组织缺陷，有利于后续冷热处理，提高使用性能和寿命。冷作模具的预备热处理采用球化退火，因为球化退火可以获得满意的机械加工性能，并做好淬火前组织上的准备，球化退火组织对最终获得热处理后的强韧性、畸第4页共24页变、开裂倾向、耐磨性以及断裂韧度有显著的影响。球化温度应选在Ar1以上20～50℃为宜，要避免在退火过程出现有残存的原片状碳化物或新的片状及棱角状碳化物，应保留许多未溶的细小碳化物颗粒以作为球化的结晶核心，保证能加速球化过程和形成均匀的球化体。球化退火的等温温度和保持时间要选择在不出现片状或片、球状混合组织，并有合适的球化速度范围为宜，保证能加速球化过程和形成均匀的球化体。3.2模具的最终热处理冷作模具的最终热处理是淬火＋低温回火。在冷作模具的热处理工艺过程中最重要的就是淬火和回火的处理，淬火是为了使冷作模具具有高的强度、硬度和耐磨等性能；回火主要是消除工件淬火时所产生的残余内应力，提高材料的塑性和韧性，获得良好的综合力学性能，稳定工件尺寸，使钢的组织在工件使用过程中不再发生变化。淬火与低温回火相结合，则可以使模具具有高的强度、耐磨性、足够的强度和韧性以及一定的冲击性的配合，这使得冷作模具应具备高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳和不咬合等能力。淬火一般是把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温并随之以大于临界冷却速度冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织，而低温回火一般是指在低于250℃的情况下进行回火，同时还要根据钢种注意要避免各种钢的回火的脆性温度区间。低温回火可以使工具、量具获得高硬度、耐磨、足够的强度和韧性。4制订热处理工艺制度4.1预备热处理工艺制度的制订加热速度加热温度保温时间等温温度等温时间冷却速度90～100℃/h750～760℃4h680～690℃4h≤30℃/h第5页共24页4.1.1加热速度加热速度主要与钢的成分、工件的尺寸和形状等因素有关。为防止变形开裂，应该适当控制加热速度。碳钢和低合金钢的中、小件的加热速度一般控制在100～200℃/h；中、高合金钢形状复杂的或截面大的工件一般应进行预热或采用低温入炉进行随炉升温的加热方式，在温度低于600～700℃是的加热速度为30～70℃/h，高于此温度后控制在80～100℃/h。根据本设计中零件尺寸及形状的实际情况，采用低温入炉加热，加热速度为90～100℃/h能够达到目的。4.1.2加热温度球化退火主要应用于共析、过共析钢，使钢中的碳化物球化以降低硬度，改善组织，提高淬火钢的性能及减少淬火缺陷等。加热温度对钢中碳化物的球化效果有着很大的影响。球化退火加热温度不宜太高，一般控制在稍高于Ac1，如Ac1+（20～30）℃，可获得不均匀奥氏体和大量细小的残留碳化物，作为碳化物球化的非自发核心，以促进球化。所以根据9Mn2V的Ac1点的温度（730℃）得到球化温度为750～760℃。4.1.3加热时间加热时间主要与钢的成分、工件的尺寸与形状、加热温度、加热介质、加热方式、装炉量及热处理目的有关，采用公式（min）来计算，其中K表示与加热条件有关的综合物理因素，而W=V/F（mm）表示与工件的尺寸和形状有关的几何因素（V为工件的体积，F为工件的面积）。根据本设计中零件的尺寸确定加热温度(T/℃)时间（t/h）≤550℃空冷680～690℃750～760℃等温4h保温4hO冷却≤30℃/h冷却≤30℃/h9Mn2V球化退火工艺曲线第6页共24页时间为：(0.6～2)×（35+5+5）＝（27～90）min。所以取加热时间为60min。KW使用时间系数见下表：炉型系数工件形状柱状板状薄管厚管盐炉KWKW0.7(0.167～0.25)D(0.117～0.175)D0.7(0.167～0.5)B(0.117～0.35)B0.7(0.25～0.5)δ(0.175～0.35)δ1.0(0.25～0.5)δ(0.25～0.5)δ空气炉KWKW3.5(0.167～0.25)D(0.6～0.9)D4(0.167～0.5)B(0.6～2)B4(0.25～0.5)δ(1～2)δ4(0.25～0.5)δ(1.25～2.5)δ注：D为有效厚度；B为板厚；δ为管壁厚。4.1.4保温时间工件在炉内要进行一段时间的保温，一方面是为了使工件能够很好地透热，另一方面使工件内部各部分的温度分布均匀一致，组织状态均匀一致。保温时间的确定也与钢的成分、工件的尺寸与形状等有关。由于合金钢中碳化物内存在大量的合金元素，提高了碳化物的稳定性，使得合金碳化物即使在高温下也很难溶解，所以要进行长时间的保温，通过查阅合金钢手册相应钢种的等温退火曲线取保温时间为4h。4.1.5等温温度由热处理手册查得，对于过共析钢和合金工具钢的球化退火温度的确定应该是Ar1+（20～30）℃，所以根据9Mn2V的Ar1点温度（655℃）来确定其等温温度为680～690℃。4.1.6等温时间等温时间取决于该材料的化学成分及工件截面尺寸，为了使工件能够很好地完成等温转变，使合金碳化物能够很好地转变成球状碳化物，且均匀细小。根据合金钢手册相关钢种的等温曲线的等温时间，所以取等温时间为4h。4.1.7冷却速度冷却速度对钢退火后的组织与性能影响的一般规律是：冷却速度越大，奥氏体分解温度越低，则珠光体转变产物越细，应力越大，硬度越高。所以，为达到预期的处理效果，冷却速度应控制适当。由于要求等温球化退火的冷却速度缓慢，所以第7页共24页根据相关资料取冷速度为小于等于30℃/h。退火件一般采用随炉冷却至低于550℃出炉空冷，对于要求内应力较小的工件应炉冷至低于350℃出炉空冷。各类钢材的退火冷却速度见下表：钢材类别碳钢合金钢钢合金钢冷却速度（℃/h）100～15050～8020～70注：球化退火的冷却速度为20～60℃/h。4.2最终热处理工艺制度的制订4.2.1淬火工艺制度的制订加热速度加热温度保温时间冷却速度90～100℃/h760～780℃0.5h油淬（1）加热速度加热速度与退火时的加热速度相同，加热速度选择为90～100℃/h。一般在空气炉中的加热比在盐浴炉中加热要高10～30℃，采用油、硝盐淬火介质时，淬火加热温度比用水淬火时要提高20℃左右。（2）加热温度钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，亚共析钢的加热温度为Ac3+（30～50）℃；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1+（30～50）℃。因为9Mn2V的Ac1点温度是730℃，所以加热温度为760～780℃。（3）加热时间与保温时间炉中的工件应在规定的加热温度范围内保持适当的时间，以保证必要的组织转时间（t/h）温度(T/℃)O760～780℃保温0.5h油淬空冷9Mn2V淬火工艺曲线第8页共24页变和扩散。加热时间和保温时间一共由三部分组成：①升温时间；②透热时间；③组织转变时间。加热时间同退火工艺中的加热时间的确定一致，由于在最终热处理前，工件的尺寸发生了改变，所以其加热时间会有一定的变化，利用退火工艺中所引用的经验公式（min）来计算。根据本设计中零件的尺寸确定加热时间为：（0.6～2）×（35＋0.5＋0.5）＝（20～70）min，还是取1h。其中保温时间可以由经验公式来加以确定。其中为保温时间系数，可从工具书查得；k为工件在炉中装炉形式所相应的修正系数；D为工件的有效厚度。根据本设计中零件的相关尺寸计算，其中k取1，所以保温时间为：1.2×1×（35＋0.5＋0.5）＝43.2min，即取40min。又由于手册推荐普通碳钢及低合金钢在透热后保温5～15min即可满足组织转变要求，合金结构钢则需要15～25min。本设计中的零件相对比较小，所以透热时间基本上可以忽略。因此本设计中淬火的保温时间确定为30min。保温时间系数见下表单位为（min/mm）：工件材料直径600℃mm气体介质炉中预热800～900℃气体介质炉中预热750～800℃盐浴炉中加热或预热1100～1300℃盐浴炉中间加热碳素钢≤50501.0～1.21.2～1.50.3～0.40.4～0.5低合金钢≤50501.2～1.51.5～1.80.45～0.50.5～0.65高合金钢高速钢0.35～0.10.6～0.850.3～0.350.3～0.350.17～0.20.16～0.18（4）淬火冷却9Mn2V属于冷作模具钢，所以采用工模具钢较为常见的淬火冷却方式——油冷淬火，以油为冷却介质的淬火冷却，当冷至油温的时候将工件取出空冷。6.2.2回火工艺制度的制订加热速度加热温度保温时间冷却速度90～100℃/h1