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材料工程培训课程设计

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2020年5月29日
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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

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。一般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, 有韧性潜力能够发挥。
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,因此改进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。
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 钢是当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进。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。常见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。

零件加工及热处理
经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重复的锻打(不只是简单的改变形状),以使网状渗碳体打碎,改进材料性能。

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, 特别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进, 但其形态还不理想, 且锻后硬度也偏高。因此Cr 12MoV 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, 改进切削加工性能, 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。能够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、 大小及分布得到改进, 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。中淬火温度淬火后能够在180-200℃低温回火,低温回火只用在低温淬火后,能够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。

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

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,不但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
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,应尽量减少模具厚薄悬殊,结构不对称,在模具的厚薄交界处,尽可能采用平滑过渡等结构设计。根据模具的变形规律,预留加工余量,在淬火后不致于因为模具变形而使模具报废。对形状特别复杂且无法改变的的模具,为使淬火时冷却均匀,可采用给合结构进行淬火。
3、模具制造工序及残余应力的影响
一些形状复杂、精度要求高的模具,在热处理后变形较大,经认真调查后发现,模具在机械加工和最后热处理未进行任何预先热处理。
(1)变形原因
在机械加工过程中的残余应力和淬火后的应力叠加,增大了模具热处理后的变形。
(2)预防措施
①粗加工后、半精加工前应进行一次去应力退火,即(630-680)℃×(3-4)h炉冷至500℃以下出炉空冷,也可采用400℃×(2-3)h去应力处理。
②降低淬火温度,减少淬火后的残余应力。
③采用淬油170℃出油空冷(分级淬火)。
④采用等温淬火工艺可减少淬火残余应力。
经过以上措施可使模具淬火后残余应力减少,模具变形较小。
4、热处理加热速度的影响
模具热处理后的变形一般都认为是冷却造成的,这是不正确的。模具特别是复杂模具,加工工艺的正确与否对模具的变形往往产生较大的影响,对一些模具加热工艺的对比可明显看出,加热速度较快,往往产生较大的变形。
(1)变形原因
任何金属加热时都要膨胀,由于钢在加热时,同一个模具内,各部分的温度不均(即加热的不均匀)就必然会造成模具内各部分的膨胀的不一致性,从而形成因加热不均的内应力。在钢的相变点以下温度,不均匀的加热主要产生热应力,超过相变温度加热不均匀,还会产生组织转变的不等时性,既产生组织应力。因此加热速度越快,模具表面与心部的温度差别越大,应力也越大,模具热处理后产生的变形也越大。
(2)预防措施
对复杂模具在相变点以下加热时应缓慢加热,一般来说,模具真空热处理变形要比盐浴炉加热淬火小得多。采用预热,对于低合金钢模具可采用一次预热(550-620℃);对于高合金刚模具应采用二次预热(550-620℃和800-850℃)。
5、热处理加热温度的影响
为了保证模具达到较高硬度,认为需提高淬火加热温度。可是生产实践表明,这种做法是不恰当的,对于复杂模具,同样是采用正常的加热温度下进行加热淬火,在允许的上限温度加热后的热处理变形要比在允许的下限温度加热的热处理变形大得多。
(1)变形原因
众所周知,淬火加热温度越高,钢的晶粒越趋长大,由于较大晶粒能使淬透性增加,则使淬火冷却时产生的应力越大。再之,由于复杂模具大多由中高合金钢制造,如果淬火温度高,则因Ms点低,组织中残留奥氏体量增多,加大模具热处理后变形。
(2)预防措施
在保证模具的技术条件的情况下合理选择加热温度,尽量选用下限淬火加热温度,以减少冷却时的应力,从而减少复杂的热处理变形。
6、残留奥氏体的影响
Cr12MoV钢模具在淬火和低温回火后,模具的长、宽、高皆发生缩小现象,这是因为模具淬火后残留奥氏体量过多而引起的。
(1)变形原因
因合金钢Cr12MoV淬火后含有大量残留奥氏体,钢中各种组织有不同的比体积,奥氏体的比体积最小,这是高合金钢模具淬火低温回火后体积发生缩小的主要原因。钢的各种组织的比体积按下列顺序递减:马氏体-回火索氏体-珠光体-奥氏体
(2)预防措施
①适当降低淬火温度。正如前面叙述过的淬火加热温度越高,残留奥氏体量越大,因此选择适当的淬火加热温度是减少模具缩小的重要措施。一般在保证模具技术要求的情况下,要考虑模具的综合性能,适当降低模具的淬火加热温度。
②一些数据表明,Cr12MoV钢模具淬火后,500℃回火较200℃回火的残留奥氏体量少了一半,因此在保证模具技术要求的前提下,应适当提高回火温度。生产实践表明:Cr12MoV钢模具500℃回火模具变形量最小,而硬度降低不多(2~3HRC)。
③模具淬火后采取冷处理是减少残留奥氏体量的最佳工艺,也是减少模具变形、稳定使用时发生尺寸变化的最佳措施,因此精密复杂模具一般应采用深冷处理。
经过上述加工处理的模具在大多数场合下均已能满作要求但对个别特殊场合还可能存在强韧性不足等缺陷,经查阅资料分析讨论得出以下处理办法:
1、提高模具强韧性的途径
(1)改进碳化物偏析,减小碳化物颗粒
  Cr12MoV钢属高碳高铬合金模具钢,组织内部共晶碳化物多、颗粒大、偏析严重,这些碳化物的存在,除容易造成模具淬火开裂和变形外,还增加了模具使用过程中的脆性,降低了韧性。因此我们用常规方法对该钢进行多次墩粗和拔长,将大块状碳化物击碎,并改进了组织内部碳化物偏析,为防止由于原材料表面存在的裂纹等缺陷导致锻造过程出现的裂纹扩展而报废,锻造前用机械加工的方法将毛坯表面去除2～3mm,并在锻造后及时进行球化退火,退火后硬度<250HBS,球化级别为2～3级。
(2)增加高温调质工序
   由于Cr12MoV钢组织内部碳化物交边形态呈尖角状,极易造成尖角处的应力集中,增加了淬火开裂、磨削裂纹和使用过程中产生脆性的倾向。当用常规调质工艺参数时,由于淬火加热温度低,不能改变和溶解碳化物的尖角形态,其作用和意义不是很大。为进一步减少碳化物颗粒和尖角形态对模具磨削裂纹和脆性的影响,根据Cr12MoV钢材料特性和热处理工艺的特点,在模具粗加工后,增加半成品的高温调质工序,即将淬火加热温度提高到该材料的二次硬化温度,淬火后进行高温回火。提高淬火加热温度能使在原较低的加热温度下不能溶解的较小碳化物进一步溶解,一些较大的碳化物虽不能溶解但也会在较高温度加热时,由于尖角处高浓度碳向与其接近部位低浓度碳的平面处(或曲率半径大的部位)的扩散加剧,产生尖角处碳化物的微溶现象,使尖角处发生钝化,曲率半径增大。这种对小块状碳化物的溶解和大块状碳化物尖角形态的改变,缓解和减轻了碳化物数量多和呈尖角形态时易造成应力集中的不利影响,而且已溶的大量碳化物在高温回火过程中又以细小的粒状碳化物均匀地析出,不但降低了模具的脆性、增加了韧性,又为随后等温淬火时提高下贝氏体强度奠定了基础。因此,Cr12MoV钢增加半成品高温调质工序是提高模具强韧性和减少磨削裂纹的重要措施之一。
(3)采用亚温加热、等温淬火
  Cr12MoV钢在1020～1040℃加热保温后淬火,可获得淬火马氏体量最多、硬度达到最高值。根据模具失效形式,为最大限度地保证模具在具有足够强度和硬度的前提下,进一步提高和挖掘材料韧性潜力,采用了降低加热温度、延长保温时间、进行下贝氏体等温淬火、然后在Ms线以下温度回火两次的工艺方法。
  由于奥氏体晶粒的长大速率除与保温时间有关外,更主要取决于奥氏体化的加热温度。采用亚温加热延长保温时间,其目的是尽可能得到均匀细小的奥氏体晶粒,使合金碳化物在一定时问内大多数溶于奥氏体当中,由于组织转变的遗传性,淬火时得到复合组织的晶粒均比常规加热温度小的多,提高了材料的韧性。采用等温淬火的目的是获得一定数量的下贝氏体组织和随后冷却过程中残余奥氏体继续转变得到马氏体组织。由于Cr12MoV钢含碳量高,得到高碳的下贝氏体组织除具有良好的强度外,其断裂韧度明显高于回火马氏体组织,而且当下贝氏体和马氏体按一定比例组合后,开始形成的下贝氏体起着分割奥氏体晶粒的作用,又使随后形成的马氏体细化,因而降低了脆性转变温度,有利于强度的提高。因此采用亚温加热和等温淬火使模具获得了良好强度和韧性的匹配。
(4)增加消除应力的时效工序
滚丝模具牙型在热处理后精磨加工成型,异形冲子在半成品热处理后进行线切割加工成型。滚丝模具在磨削加工中,容易因磨削过热造成磨削应力产生磨削裂纹或增加使用过程中的脆性。异形冲子在线切割加工过程中,表面由于在瞬间高温融化后快速冷却时,又产生了新的淬火组织,其表层应力容易造成在使用过程中产生脆性或在存放过程中产生裂纹,特别是模具尖角部位表现尤为突出。为消除机械或电加工后模具形成的应力和在使用过程中产生脆性的影响,在模具磨削或线切割加工后,增加了低温(160℃～180℃)加热,12～16小时保温的消除应力时效处理。

课程设计心得体会
作为一名金属材料与热处理专业的学生,我觉得能做这样的课程设计是十分有意义的。在已度过的三年大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础的的理论面,如何去面对现实中的各种热处理工艺设计?如何把我们所到的专业基础理论知识用到实践中去?我想做类似的作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中,我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。为了让自己的设计更加完善,更加符合工艺标准,一次次翻阅热处理方面的书籍是十分必要的,同时也是必不可少的。过这次课程设计我发现了自身存在的不足之处,虽然感觉理论上已基本经掌握,但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑,经过一番努力才得以解决。
经过这次设计,我懂得了学习的重要性,了解到理论知识与实践相结合的重要意义,学会了坚持、耐心和努力,这将为自己今后的学习和工作铺展了道路。另外,课堂上也有部分知识不太清楚,于是我又不得不边学边用,时刻巩固所学知识,这也是我作本次课程设计的一大收获。整个设计我基本上还满意,由于水平有限,难免会有错误,还望老师批评指正能够谅解。

参考文献
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