热挤压模具热处理基本工艺.doc

4Cr5MoSiV热挤压模具热解决工艺
§1 热解决工艺课程设计目
热解决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，是热解决原理与工艺课程最后一种教学环节。其目是：（1）培养学生综合运用所学热解决课程知识去解决工程问题能力，并使其所学知识得到巩固和发展。
（2）学习热解决工艺设计普通办法、热解决设备选用和夹具设计等。
（3）进行热解决设计基本技能训练，如计算、零件绘图和学习使用设计资料、手册、原则和规范。
因而，本课程设计规定咱们综合运用所学知识来解决生产实践中热解决工艺制定问题，涉及工艺设计中细节问题，如设备选用，夹具设计等。规定咱们设计工艺流程，这需要翻查大量文献典籍。如何灵活使用资料、手册，如何高效查找所需信息，以及手册查找规范和原则等，均不是一蹴而就事情，需要咱们在实践中体会并不断地总结，才干不断进步。
材料热解决工艺课程设计是培养材料专业学生在热解决原理方面能力重要环节，纸上谈兵是经不起考验，夯实理论唯有通过实践才可以证明，且科学实践可以有效巩固甚至发展原有理论，因而，本课程设计通过给出20余种不同牌号材料，规定学生以个人（容许讨论）或组队方式完毕热解决工艺设计，对学生巩固已学热解决知识、学习使用工具书、增强团队合伙意识等是大有裨益。

§2零件技术规定及选材
2.1热挤压模具工作条件
热挤压模具用于机器零件和型材挤压成型，重要有冲头、凹模及其她辅助某些构成，其工作条件决定于挤压设备类型、被挤压材料性质、加热温度及挤压工艺等因素。
（1） 热挤压模具工作温度 热挤压模具在挤压铜合金、钛合金时，工作温度可达600～800℃，甚至更高。
（2） 热挤压模具工作时冷却条件 在工作过程中，热挤压模具都被强制冷却，以免模具温升过高。
（3） 热挤压模具受力条件 热挤压冲头在工作时要受到大压力、弯矩及循环热应力作用。凹模模腔受大压应力和拉应力作用，易生脆裂，还要受到摩擦和热疲劳作用。

2.2热挤压模具失效形式
热挤压模具常用失效形式有初期脆断、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，因而，除脆断外，型腔堆塌及磨损就成为热挤压模具重要失效形式。
2.3热挤压模具材料选用
影响热作模具寿命因素诸多，例如模具受力状况、工作温度、冷却方式，被加工材料性质、变形量、变形速度以及润滑条件等。因而，在选取材料时，应依照模具类型及详细工作条件合理选用。
热挤压模具用钢规定有高断裂抗力、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，还规定具备高导热性、小热胀系数、高高温相变点和抗氧化能力。热挤压模具重要用钢见表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
3Cr2W8V
44～50

水冷却
3Cr3Mn3W2V
44～50
6Cr4Mn3Ni2WV
48～52
3Cr3Mn3VNb
44～98
5Cr4Mn3SiMnVAl
48～52
5Cr4W5Mn2V
48～52
4Cr5W2VSi
43～47
4Cr5MoSiV1
43～47
机械压力机及水压机凹模
3Cr2W8V
38～45

水冷却
3Cr3Mo3W2V
43～46
3Cr3Mo3VNb
43～46
6Cr4Mo3Ni2WV
48～52
4Cr3Mo3W4VTiNb
48～52
4Cr5MoSiV
43～47
4Cr5MoSiV1
43～47

在课程设计中，咱们选用4Cr5MoSiV钢作为热挤压模具材料。

2.4 化学成分及合金元素作用
2.4.1 4Cr5MoSiV重要化学成分
表2
化学成分
C
Si
Mn
Mo
V
P、S（≤）
Cr
质量分数（%）
0.3～0.43
0.8～1.20
0.2～0.50
1.1～1.60
0.30～0.60
0.030
4.75～5.50
此外，镍 Ni：容许残存含量≤0.25，铜 Cu ：容许残存含量不大于等于0.30。
2.4.2 合金元素作用
硅：是不形成碳化物而几乎所有溶于基体中合金元素，硅能提高钢强度、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削弱钢回火脆性，钼明显推迟珠光体转变，但对贝氏体转变影响不大。
钒：是强碳化物形成元素，可以提高钢强度、硬度，减少钢过热敏感性，能有效细化晶粒，提高钢耐回火性和增强二次硬化效应。
碳：钢中增长碳量将提高强度，对于热作模具来说，可提高高温强度、热态硬度和耐磨性。但碳量增长会导致其韧性减少，使钢裂纹敏感性增大。普通热作磨具钢碳质量分数在0.3%-0.6%之间。
热作模具钢中碳一某些进入钢基体，引起固溶强化；此外一某些将和合金元素中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某些残留外，其她某些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体现出来性能不同，重要取决于均匀分布残留合金碳化物、弥散分布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合金元素，能提高淬透性及耐回火性，改进钢冲击韧度，并有助于提高耐磨性、高温强度、热态强度、抗氧化能力和耐蚀性。
铬一某些溶入基体中期固溶强化作用，另一某些可与碳结合形成铬碳化物。铬碳化物普通开始溶入奥氏体温度不高。铬质量分数Wcr＜6%对提高钢耐回火性是有利，但未构成二次硬化，当Wcr＞6%钢淬火后，在550℃回火会浮现两次硬化现象。
锰：商业用钢含一定量锰以消除硫有害影响，改进钢热加工性能。锰具备固溶强化作用，溶入奥氏体中能强烈地提高钢淬透性，同步可强烈下降Ms点，并使Ar1、Ar3、Ac1、Ac3减少，增长过热敏感性，此外，也容易引起回火脆性。
镍：明显提高热锻模具钢韧性，和铬共同作用大大提高钢淬透性，使Ms点减少，对残留奥氏体有稳定作用。

§3 热解决工艺课程设计内容及环节
3.1相变点拟定
Ac1=853℃ Ac3（Accm）=912℃ Ms=310℃
Ar1=720℃ Ar3（Arcm）=773℃ Mf=130℃
3.2 热解决工艺及参数制定
3.2.1热解决工艺流程
热挤压模具热解决工艺路线如下：
锻造→退火→机加工→淬火→回火
(1) 锻造 锻造目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，消除性能各向异性。
（2）退火 热挤压模具在锻后须经良好球化退火，以改进组织，消除内应力、减少硬度，为最后热解决做好良好组织准备。为保证模具钢具备良好耐磨性、韧性和小热解决畸变倾向，退火后要十分注意碳化物形状、大小及分布状态。此外，要为机加工作准备。
退火工艺：860～890℃加热，炉冷至500℃如下出炉
退火后硬度（HB）：≤223
（3）淬火 淬火温度要按模具工作条件，构造及形状、制造工艺和性能规定来拟定。对断裂韧性、抗热疲劳和抗热磨损规定较高及淬火解决后需电加工模具要采用上限和较高温度淬火。对规定畸变小、晶粒细、冲击韧性高模具，应用低限温度淬火。
淬火加热保温时间优选，应保证组织转变完毕和可获得规定合金元素固溶限度。淬火加热保温时间过短，将减少钢红硬性及抗回火能力。
中碳合金钢制热作模具淬冷普通可采用油淬。对于畸变规定较高模具，还可采用80～150℃热油冷却。对于规定高强韧性模具，要采用高淬冷速度以抑制碳化物沿晶析出和浮现上贝氏体，提高其强韧性和回火抗力。但其冷却速度必要控制在不浮现淬火开裂和畸变在容许范畴内。
淬火加热温度：1020℃ ，由教科书可知，淬火温度等于Ac1+30～50℃，但在此处咱们取1020℃。淬火加热温度对H13模具钢力学性能有很大影响，只有升至奥氏体化温度，才干使钢中合金碳化物固溶于基体中，提高基体合金化限度，从而提高钢淬硬性、淬透性和高温强度，低于1000℃淬火，不能充分发挥合金元素作用。研究表白，高温淬火可减少孪晶马氏体，增长位错马氏体，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，冲击韧性减少，而钢硬度并没有明显增长。对于热挤压模，规定良好强韧性和耐磨性，可采用下限温度淬火。总之，淬火温度选取，既要保证奥氏体中溶有足够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规定。
淬火冷却介质：油或空气
淬火后硬度：56～58HRC
(4) 回火 热挤压模具回火温度选取应是在不影响模具抗脆断能力及抗热疲劳性能前提下，尽量提高模具硬度。因而，应依照模具工作条件和详细失效形态来拟定详细回火温度和硬度。
回火温度：550℃，图2为H13钢回火温度与硬度等参数关系曲线，H13钢若在425℃～520℃范畴内回火，在浮现二次硬化同步会浮现回火脆性，冲击韧性明显减少，因而，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、残存奥氏体量关系
冷却方式：空冷 回火次数：2次
硬度：47～49HRC 回火目：消除应力和减少硬度
最后，总解决工艺曲线如图

3.2.2 热解决工艺参数制定

依照时间计算公式τ=a×K×D 【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料。
（1）装炉修正系数K拟定：

图3.工件在炉内不同排布方式加热时间修正值
取装炉修正系数k=3

（2）由钢种决定加热系数a（min/mm）拟定：

表 3. 钢加热系数
钢材
每mm有效厚度加热时间
空气电阻炉
盐浴炉
碳钢
0.9～1.1min
25～30s
合金钢
1.3～1.6min
50～60s
15～20s（一次预热）
高速钢
—
8～15s（二次预热）
由淬火温度，取a=1.5
（3）工件有效厚度拟定：
下表为不同形状和尺寸工件加热计算时特性尺寸及形状系数表
表4.状和尺寸工件加热计算时特性尺寸及形状系数
工件形状
特性尺寸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：τ=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
1020
315
回火
550
120

3.2.3热解决工艺卡片填写
见附表1 热解决工艺卡片

3.2.4操作过程中注意事项
表6
1
锻造后必要通过球化退火后才干进行加工。
2
球化退火时应注意加热温度和保温温度之间区别，并保证足够球化退火时间。
3
球化退火后先炉冷后空冷，减少残存应力。
4
淬火时应严防表面氧化，脱碳。
5
回火局限性时，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干放入炉内。
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，得到较多回火马氏体。
13
淬火加热时，遇到突然停电，应及时从炉中去除工件，空冷。重新加热淬火前必要通过退火，否则，将浮现萘状端口。
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盐浴应严格校正。
17
在生产中要经常检查控温仪表，惯用光学高温计核对炉温精确性。
18
大批工件进行淬火时必要进行试淬，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保护剂，减少工件表面氧化脱碳。

3.3热解决设备选取
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：Φ600*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 夹具设计或选用
由于工件尺寸很小，故可忽视夹具选用
3.5 组织特点性能和缺陷分析
(1)球化退火组织 点状或球状珠光体+少量网状分布二次碳化物
退火态显微组织示于图1中。铁素体基体在有区域呈位向分布，在有区域呈等轴状分布，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）+残存奥氏体+弥散分布碳化物+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+残存奥氏体+未溶碳化物组织(图7)，未溶碳化物重要为Mo、V碳化物，由于这些碳化物固溶温度比较高，因而，只有保证足够高淬火温度和足够长保温时间才干保证其充分固溶，而事实上这些未溶碳化物对回火过程中碳化物非自发形核起很大作用。

图7 淬火后马氏体组织 500X

（3）回火组织 回火马氏体（细针状）+残存碳化物
回火可以减小并稳定残存应力，稳定组织，避免裂纹和变形。钢中碳化物通过细化解决和采用低温回火，可以获得碳化物和晶粒同步发展效果。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提高带来非常有利影响。
H13钢回火过程事实上就是过饱和α固溶体脱溶过程，这个过程受α相中Cr、Mo、V等元素控制。由于合金元素在500℃如下不能足够快扩散以使合金碳化物形成，而C易扩散形成铁碳化物，因而，在H13 钢回火过程中，合金碳化物要不断取代预先形成渗碳体颗粒。

图8 二次回火后显微组织 500X

（4）常用缺陷及其因素
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 对截面变化较大模具，淬火工艺参数选取不当，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，残存奥氏体量多，或淬火温度过低，加热时间局限性，相变不完全 c 工件出淬火介质时，温度过高，冷却局限性 d回火温度过高
裂纹：裂纹产生重要因素是尺寸变化以及机加工刀痕引起应力集中效应,细小颗粒状、条状碳化物沿晶界分布组织状态弱化了晶界,减少了材料抗裂纹扩展能力。
§4 课程设计收获与体会
本来学校为咱们安排了两个周来做课程设计，但咱们用了一种半周时间就大概做完了，固然，这个做完并不能谈上完美“杀青”。很大限度上，咱们还是依托此前学长模板来构建自己课题框架，然后从借来各类热解决有关书籍生硬摘抄，很少可以把自己所学知识运用到其中。课程设计已接近尾声，在这里也谈谈这一种多星期收获与体会。
此前也做过工程制图和机械基本课程设计，也是两个周时间，咱们当时忙焦头烂额，但最后看着自己宏伟制图，心里还是很骄傲。这次做是专业课课程设计，早早就把图书馆热解决有关书籍全借来了。每天就这样不断在大量书籍里查找自己所需要知识，然后整顿成电子文档。班里同窗大概都在一种半周时间内完毕了，但不得不说，做完这次课程设计后，心里依然是一片混沌，知其然而不知其因此然。诸多抽象理论和现象，咱们只是停留在表面，一知半解，可见专业课学习还需要投入更多精力去钻研。
固然，除了在期间感到自身许多局限性外，还是学到诸多东西。资料都是零零散散，搜罗来那么多有关知识，如何才干做成一份清晰任务书呢？这就需要咱们仔细推敲，有序安排资料，让读者可以清晰理解。此外，每组两个人一起合伙，增强了咱们合伙意识，提高了动手能力。这一次课程设计，放在学期末进行，较好让咱们在期间对一学期学习内容进行回顾，并为后来就业打下了良好基本。
最后，不能不提始终在位咱们排忧解难教师，每天都坚持到教室指引咱们，每一种问题都详细解释，一丝不苟，尽职尽责，在此向教师表达真诚谢意。由于本人和一起合伙同窗均无实际经验，见识尚浅薄，且能力和精力有限，阐明书中有许多局限性之处，恳请教师斧正。

§5 参照文献
本阐明书使用到参照文献如下：
1《热解决工程师手册》，樊东黎主编，机械工业出版社；
2《热解决技师手册》，张玉庭主编，机械工业出版社；
3《热解决手册（共4卷）》，中华人民共和国机械工程学会热解决学会，机械工业出版社；
4《热解决实用数据速查手册》，叶卫平主编，机械工业出版社；
5《金属热解决工艺学》，夏立芳，哈尔滨工业大学出版社；
6《热解决常用缺陷分析与对策》，王忠诚主编，化学工业出版社；
7《金属材料金相图谱》，李炯辉主编，机械工业出版社；
8《钢及其热解决曲线手册》，胡志忠主编，国防工业出。
9《典型零件热解决技术》，王忠诚、齐宝森、李杨主编，化学工业出版社；
10《金属材料学》，凤仪主编，国防工业出版社；
11《热解决工操作技术》，林约利，上海科学技术文献出版社；