5CrNiMo热作模具钢热处理工艺设计.docx

工艺课程设计（论文）题目：5CrNiM。热作模具钢热处理工艺设计院（系）：专业班级:学号：学生姓名:指导教师:教师职称:起止时间:课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室：材料物理教研室学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目5CrNiMo热作模具钢热处理工艺设计课程设计(论文)要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。完成工艺设计。阐述5CrNiMo渗碳淬火、回火热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述主动锥齿轮热处理质量检验项目、内容及要求；阐明主动锥齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法；给出所用参考文献。二、课设任务1 .热作模具钢材料的选择（要求在满足工件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料）；2 .给出5CrNiMo的C曲线；3 .给出5CrNiMo热作模具钢冷热加工工艺流程图；4 .制定5CrNiMo热作模具钢淬火-回火热处理工艺。三、设计说明书要求设计说明书包括三部分：1）概述；2）工艺设计；3）热处理工艺卡；4）参考文献。设计说明书结构见工艺设计模板。工作计划集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论1.5天，设计7天：1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7）热处理工艺设计2天，8）工艺的理论基础、原则0.5天，9）设计工夹具0.5天，10）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，11）热处理质量分析0.5天，设计验收1天。指导教师评语及成绩成绩：指导教师签字：年月日目录1 5CrNiMo热作模具钢热处理工艺概述12 5CrNiMo热作模具钢的热处理工艺设计22.1 5CrNiMO热作模具钢的服役条件、失效形式22.2 5CrNiMo热作模具钢技术要求及零件示意图错误!未定义书签。2.3 5CrNiMo热作模具钢的材料选择32.4 5CrNiMo热作模具钢的C曲线42.5 5CrNiMo热作模具钢的加工工艺流程图52.6 5CrNiMo热作模具钢的退火-淬火-回火热处理工艺52.7 5CrNiMO热作模具钢的退火、淬火、回火热处理工艺理论82.8 5CrNiMo热作模具钢热处理的设备、仪表和工夹具选择112.9 5CrNiMo热作模具钢的热处理质量检验项目、内容及要求132.10 5CrNiMo热作模具钢的热处理常见缺陷的预防及补救方法错误！未定义书签。3热处理工艺卡173.15CrNiMo正火工艺卡1735：一1335r10I,旦I：一14参考文献2015CrNiMo热作模具钢热处理工艺概述模具是机械、冶金、电子、轻工、国防等部门的重要工艺设备，是保证高效率生产、高产品质量和降低生产成本的重要手段。随着工业技术的迅速发展，各部门都广泛的采用新的高精度、高效率的模具成型工艺代替传统的切削加工工艺。目前，机械工业大约70%的零件采用模具成型。模具根据工作条件可分为冷作模具和热做模具。热作模具在工作时，承受着巨大的冲击力、压应力、张应力、弯曲应力，模具型腔与高温(有时可达1150120(C)金属接触后，本身温度可达300400°C,局部高达500600。还经受着空气、油、水等的反复冷却。在时冷时热的苛刻条件下工作的模具，其型腔表面极易产生热疲劳裂纹。由此，对热模具钢提出了第一个基本使用性能要求.即具有高的热疲劳抗力。一般说来，影响钢的热疲劳抗力的因素之一是钢的导热性。钢的导热性高，可使模具表层金属受热程度降低，从而减小钢的热疲劳倾向性。一般认为钢的导热性与合碳量有关，含碳量高时导热性低，所以热作模具钢不宜采用高碳钢。在生产中通常采用中碳钢(CO.5%-0.6%)含碳量过低.会导致钢的硬度和强度下降，也是不利的。另外一个因素是钢的临界点影响。通常钢的临界点越高，钢的热疲劳倾向性越低。因此.一般通过加入合金元素CnMSi、引来提高钢的临界点。从而提高钢的热疲劳抗力。此外，炽热金属在模具型腔中变形所产生的强烈摩擦、容易因磨损而降低精度。为此，对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性。由此便可以找到热模具钢合金化的第二种途径，即加入Cr、MSi.等合金元素可以提高钢的回火稳定性。根据热作模具钢的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择的模具钢材料为5CrNiMo钢；在设计退火一淬火加高温回火热处理工艺中，本设计借鉴了热处理工程师手册，钢的热处理等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的5CrNiMo钢满足热作模具钢的质量要求。通过对经典5CrNiMo钢热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。25CrNiMo热作模具钢的热处理工艺设计2.1 5CrNiM。热作模具钢的服役条件、失效形式2.1.1 服役条件5CrNiM。热作模具钢多是用来做锤锻模，要求在高温下保持高强度和高韧性，优良的热疲劳性、耐磨性、热稳定性和淬透性，适当硬度，良好的导热性和抗氧化性。2.1.2 失效形式1）断裂开裂或机械疲劳裂纹。2）磨损包括粘着磨损、热疲劳磨损、氧化磨损。此外，当锻件的氧化皮没有清除时，也会发生磨粒磨损。3）塑性变形锤锻模冲击力大，工作温度高，环境恶劣型腔中水平面和凸台面易发塑性变形。2.25CrNiMo热作模具钢技术要求及零件示意图2.2.1 技术要求磨具类型零件名称和工作条件使用硬度HRC高度小于275mm（小型）3842（模面）高度275-325mm（中型）3338（模尾）绑取于昊高度325375mm（大型）34140（模面）高度大于375mm（特大型）2835（模尾）锤锻模由于其工作环境特点，需具备如下基本要求:1 .具有高的热强性与足够的韧性；2 .具有高的热硬性与高温耐磨性；3 .具有高的抗氧化性和耐高温腐蚀性；4 .具有高的热疲劳抗力；5 .具有高的淬透性与导热性；6 .具有良好的热、冷加工性与表面质量。2.2.2零件示意图1一锤头2一上模3一飞边槽4一下模5一模垫图1锤锻模平面图2.3 热作模具钢的材料选择锤锻模服役的过程中受到比较高的单位压力和冲击负荷，以及炽热金属对锻模型腔的磨擦作用。锤锻模的型腔表面经常和IlOOT200C的金属接触而被加热到400-500Co这类钢因要求有一定的硬度，又要求有高的冲击韧性，故碳元素含量不宜过高，一般在0.3%0.6%范围内，材料趋向多元合金化，大量采用铭、鸨、铝、银、机、硅等元素，以提高钢的淬透性、热稳定性、抗氧化性和耐热疲劳性。选用三种材料进行比较1)5CrNiMo2)5CrMnMo3)SCrMnSiMoV化学成分：如表1表1三种材料的成分W%钢种CSiMnPSCrNiVMo5CrNiMo0.50-0.600.400.50-0.800.0300.0300.50-0.801.40-1.800.15-0.305CrMnMo0.50-0.600.25-0.601.20-1.600.0300.0300.60-0.900.250.15-0.305CrMnSiMoV0.45-0.550.80-1.100.80-1.100.0300.0301.30-1.500.20-0.400.40-0.60力学性能：5CrNiMo钢在840淬火后450600回火硬度HRC4537,伸长率39%52%,强度极限14501160MPa05CrMnMo钢在850油淬后450650回火伸长率8%16%强度极限16201250MPa。5CrMnSiMoV钢在860淬火后400600°C回火硬度HRC4626,伸长率36%41%,强度极限1780-1320MPa.加工性能：5CrNiMo.5CrMnMo钢软化退火温度在650680°C,5CrMnSiMoV钢软化退货温度为720成本：5CrNiMo市场价一般在11200.00元/吨左右，5CrMnMo市场价在4800.00元/顿左右，而5CrMnSiMoV市场价格在20000.00元/吨左右。由上述综合性能和成本因素的条件下，在保证质量和满足技术要求的同时，为了降低成本所以选择5CrNiMo钢作为锤锻模的使用用钢。2.4 5CrNiMo热作模具钢的C曲线对于“c”曲线的变化来讲，奥氏体晶粒粗大，成分均匀性提高，奥氏体稳定性增加。SOO0AsTOOSOO500400300200100101.OOO100时间,与10000100000.51图25CrNiM。钢奥氏体等温转变曲线（奥氏体化温度875。C）2.5 5CrNiMo热作模具钢的加工工艺流程图图3工艺流程图2.6 5CrNiMo热作模具钢的退火-淬火-回火热处理工艺制造5CrNiMo热作模具钢采用的热处理工艺包括预备热处理的完全退火或等温退火和最终热处理得淬火与回火。时间/h图45CrNiMo热作模具钢热处理全过程工艺曲线261锻造工艺曲线热作模具钢的毛坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。5CrNiMo热作模具钢的组织和性能与合金调质钢有许多相似之处，属于亚共析钢。为消除轧制钢胚纤维组织方向性，使模具截面获得尽可能均匀的组织和性能，必须进行锻造，并且要反复敷粗、拔长至少23次，破坏其碳化物骨架，减少碳化物的不均匀性。查阅热处理工艺规范数据手册可以找出5CrNiMo钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式。图5锻造工艺曲线表25CrNiMo钢的热加工工艺项目Aci(An)AC3(Ar3)加热温度始锻温度终锻温度钢坯730C(620)780(一)1100-11501050-1100800880oC2.6.2预备热处理退火工艺曲线一般均安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。为了消除锻造毛坯的内应力，得到细小、均匀的铁素体+珠光体组织，降低硬度，改善切削加工性能，需要对其进行退火处理。退火工艺曲线如图6所示。5CrNiMo钢进行等温退火，等温温度为680C。因为它含有银，所以退火软化比较困难,等温时间应比不含银的时间长，而且冷却速度应相当缓慢。退火组织为片状或颗粒状的珠光体+少量碳化物。时间/h图65CrNiMo等温球化退火工艺曲线2.6.3淬火工艺曲线一般安排在半精加工后，磨削加工前。经淬火后表面获得高硬度、高的耐磨性，而心部仍维持良好的综合力学性能。为降低表面淬火的淬火应力，保持高硬度、耐磨性，淬火后应迅速回火。时间/h图75CrNiMo等温淬火工艺曲线锤锻模淬火加热时应进行一次或二次预热。在箱式电阻炉中加热时加热系数按2-3minmm,为了减小淬火畸变，模具淬火前先要冷到7808OOe进行预冷，然后油冷。预冷和油冷时间按模具尺寸确定，锤锻模高度375mm,预冷时间1216min,油冷时间5060minoT=akdt:加热时间a：加热系数d：有效厚度k：袋炉修正系数263中温回火工艺曲线一般锤锻模在淬火冷至150200C时，就应该从油槽中取出并立即装炉回火，回火时间应充分。>时间/h图85CrNiMo回火工艺曲线2.7 5CrNiMo热作模具钢的退火、淬火、回火热处理工艺理论2.7.1 退火原理将钢加热到ACl以上3050°C并在这个温度下停留一段时间，然后缓慢冷却下来，这种退火，称为等温球化退火。锤锻模采用工业上常用方法等温退火。5CrNiMo等温退火采用加热到760780°C,等温温度为680,随炉缓冷至500以下，最后出炉空冷。等温退火锻坯经过等温退火后，组织为片状或颗粒状的珠光体+少量碳化物：主要为(Fe,M)3C0退火的保温时间一般以加热时间的三分之一计算，但退火装炉工件较多，故当高温计指到退火温度时，而整炉工件并未到温。所以，应让指针到退火温度时，而整炉工件并未到温。所以，应让指针到温后，再根据装炉情况在退火温度下停留0.5-2.0小时后才计算保温时间。加热速度一般以每毫米厚度1.5-2分钟计算。对一般工件来说，已可以满足要求。但应该注意的是：退火时一般装炉量较大，计算加热时间时，必须结合装炉情况来考虑。在生产实践中的经验数据上，一致认为退火时的加热速度不宜超过每小时200C,最好在150-180之间。退火的主要目的消除工件在热加工过程中形成的内应力，使工件中部分组织（珠光体）降低硬度，提高塑性，从而提高工件的机械性能，改善切削加工性能。2.7.2 淬火工艺原理淬火只是为了提高的钢件表面硬度、高耐磨性和心部良好强韧性的配合提供必要条件。淬火有以下列几种典型的热处理工艺：预冷直接淬火、一次淬火、二次淬火。对于热作模具刚，最为广泛采用第一种方法进行热处理，工艺简单。预冷直接淬火是将5CrNiMo钢预到780C,出炉用60左右的油冷却。冷却后用在150220温度下回火。降低淬火的的温度一方面可以减少工件淬火变形，另一方面渗层中残余奥氏体量也稍又降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。由5CrNiMo模具钢临界淬透性曲线可知，5CrNiMo热作模具钢用油淬火可满足使用要求。一表面 距中心3停7 ,9728 51 74 97122 147 170W 3J 11 ?勺71%*窣水稗3 25 4 5 81 71 81 9t 1Q2出心油滓65605550454035如2520(电£酣2L 24 27 30 33 36 39 42至水冷卷的距离I mm图95CrNiMo钢淬透性曲线2.7.3 回火工艺原理5CrNiM。模具钢要受到比较高的单位压力和冲击负荷，以及炽热金属对锻模型腔的磨擦作用，表面硬度需要达HRC3440由不同钢含碳量的硬度与回火温度关系曲线可知其在510回火可满足使用要求。5CrNiMo模具钢淬火经高温回火后获得显微组织表面为细粒状混晶马氏体、残余奥氏体和碳化物，心部组织为回火马氏体和铁素体。回火后不仅消除了内应力而且稳定了工件尺寸。70100200300400500600700停火车HAas/r图10不同含碳量钢硬度与回火温度关系曲线回火保温时间的确定t=d×D÷b（分钟）式中t二回火保温时间（分）D=工件有效厚度（mm）b二附加时间，一般为1020分d=加热系数（分mm）。系数d根据炉型而定：盐浴炉d=0.50.8分mm井式回火炉d=l.01.5分Inn箱式电炉d=22.5分mm2.8 5CrNiMo热作模具钢热处理的设备、仪表和工夹具选择2.8.1 设备1等温退火设备：推杆式燃气等温退火生产线主要用于零件锻坯的等温退火及预先热处理。该生产线的组成主要由前后液压推料机、加热炉、速冷室、正火卸料台等温炉、等温卸料台和配套的控制系统等组成。它的工艺流程是上料一推料一加热一速冷一等温一空冷一卸料一料盘返回。图11推杆式燃气等温退火生产线2回火设备：RJ-25-6低温井式电阻炉：额定电压25KW,额定电压380V,额定温度650oCochina-chi11abiz图12RJ-25-6低温井式电阻炉2.8.2 仪表1.温度检测表：热电偶：银铭一银硅（银铝），温度范围40-1200。2,温度显示与调节仪表：TA-091电子调节器，规格参数：位式+报警，该系列仪表所配用执行器：接触器、电磁阀、ZAP（ZAJ）直行程电机+ZM薄膜阀，可控硅电压调整器、DFJ伺服放大器+直行程电机+ZM薄膜阀，电气转换器+ZM气动薄膜阀。3 .数字式温度显示仪表：面板是数字温度仪表：RY2312,测量范围：0-1300C。4 .压力测量仪表热处理设备工测量压力表主要测量煤气压力燃烧油压力。5 .8.3工夹具零件在热处理过程中，根据零件的外形、尺寸及批量和所选用的加热炉型号，需要多种吊具和工夹具以保证零件的加热均匀，不致于变形，保证操作安全。图13淬火挂（吊）具2.9 5CrNiMo热作模具钢的热处理质量检验项目、内容及要求1)变形检查根据图样技术要求检查工件的挠曲变形、尺寸及几何形状的变化。2)外观检查检查工件表面有无腐蚀或氧化皮。不得有裂纹及碰伤，表面不得有锈蚀。3)硬度检查在淬火后检查表面及心部硬度，一般用洛氏硬度HRC标尺测量。5CrNiMo钢在淬火、回火后，使用硬度在HRC3440,图12锤锻模硬度检查部位示意图表3淬火回火硬度偏差范围硬度表示类型硬度偏差值单件同批350以下350至500500以上350以下350至500500以上维氏硬度(HV)3045805580140洛氏硬度(HRC)35以下35至5050以上35以下35至5050以上444777布氏硬度(HBS)330以下330至450330以下330至45030405070肖氏硬度(HS)50以下50至7070以上50以下50至7070以上45679114）金相组织检查按技术要求及标准行检查渗层碳化物的形态及分布，残留奥氏体数量，有无反常组织，心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等，一般在显微镜下放大400倍观察。2.10 5CrNiMo热作模具钢的热处理常见缺陷的预防及补救方法2.10.1 锤锻模球化等温退火的缺陷及其预防、补救1 .欠热缺陷及其预防、补救钢在加热时，由于加热温度过低火加热时间过短，造成未充分奥氏体化而引起的组织缺陷。防止欠热主要措施是严格控制加热温度和加热时间。可通过重新正火来补救。2 .过热缺陷及其预防、补救钢加热时，由于加热温度过高或加热时间过长，引起奥氏体晶粒粗大而产生的组织缺陷。防止过热主要措施是严格控制加热温度和加热时间。可通过重新正火来补救。3 .过烧缺陷及其预防、补救钢加热时，由于加热温度过高，造成晶界氧化或局部熔化的组织缺陷。防止过烧主要措施是严格控制加热温度和加热时间。工件过烧无法挽救只能报废。4 .10.2锤锻模淬火的缺陷及其预防、补救工件淬火冷却过程中各部位冷却速度的差异，使各部位在每一瞬间都存在温度差，造成胀缩不均匀而产生内应力。这种内应力成为热应力。热应力在工件中的分布随侵入淬火介质的时间而不断变化如图130钢中的奥氏体比容小，奥氏体转变为其他各种组织时比容都会增大，使钢的体积膨胀,其中尤以发生马氏体转变时产生的体积效应更为显著。工件淬火冷却过程中各部位冷速的差异使它们发生相变的时间先后不同，由此产生的内应力称为组织应力。组织应力的分布情况随时间的变化如图14所示。图中时间是以表面开始发生相变时作为零值。1.表层大量残余奥氏体缺陷及其预防、补救淬火温度过高，奥氏体中碳及合金元素含量较高，降低渗剂活性，降低直接淬火或重新加热榨火的温度冷处理；高温回火后，重新加热淬火；采用合适的加热温度，重新淬火。表面S心部表面表面心部图14组织应力随时间的变化2.10.3锤锻模中温回火的缺陷及其预防、补救1 .硬度过高或过低或不均匀缺陷及其预防、补救主要是由于回火温度过低、过高或炉温不均匀所造成的。回火后硬度过高还可能是由于回火时间过短。硬度不均匀可能是由于一次装炉量过多，或选用加热炉不当所致。这类问题可以通过调整回火温度等控制。再回火炉中重新加热回火。2 .回火变形缺陷及其预防、补救由于回火前工件内应力不平衡，回火是应力松弛或产生应力重新分布所致。要避免回火变形，或采用多次校直多次加热，或采用压具回火等。3 .回火脆性缺陷及其预防、补救主要原因是由于所选回火温度不当，或回火冷却速度不够（第二类回火脆性）所致。防止回火脆性的出现应正确选择回火温度和冷却方式。一旦出现回火脆性，对于第一类回火脆性，只能通过加热淬火，令选回火温度回火：对于第二类回火脆性，可采取重新加热回火，然后加速回火冷却速度的方法消除。3热处理工艺卡3.1 5CrNiMo退火工艺卡热处理工艺卡零件名称热作模具钢材料5CrNiMoP要噢760780./46÷,/25二3Q*C小6匹49<500IC时间h-热处理类型等温退火热处理硬度197-241HBS工艺设计崔维加热温度760-780oC加热速度/h25-30审核保温时间2-4h冷却速度/h30日期2013.7.123.2 5CrNiMo淬火工艺卡热处理工艺卡零件名称热作模具钢材料5CrNiMo国产叫出货预冷78。0240-260÷-'/模具在150.-200.1C.装炉进行回火时间h-热处理类型淬火热处理硬度53-58HRC工艺设计崔维加热温度840-860oC加热速度/h审核保温时间6h冷却速度/h油冷日期2013.7.123.15CrNiMo回火工艺卡热处理工艺卡零件名称热作模具钢材料5CrNiMoA赵噢<2hy尸16。/空冷.时间/h“热处理类型回火热处理硬度44-47HRC工艺设计崔维加热温度510加热速度°Ch20审核保温时间5-6h冷却速度/h油冷日期2013.7.121 3 4567 89 10 11 12 13 14 154参考文献杨克功.钢的等温转变曲线M.哈尔滨：黑龙江人民出版社，1981,1赵忠.金属材料及热处理M.北京：机械工业出版社，2000.刘学勤.常用钢淬透性图册M.西安：西安交通大学出版社，1999,11王顺兴.金属热处理原理与工艺M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.9周凤云.工程材料及应用M.武汉：华中科技大学出版社，2002.张玉庭.热处理技师手册M.北京：机械工业出版社，2005许德珠.机械工程材料M.北京：高等教育出版社，2001.周凤云.工程材料及应用M.武汉华中科技大学出版社，2002.樊东黎.热处理技术数据手册M.北京：机械工业出版社，2006,4雷廷权.金属热处理工艺方法500种M.北京：机械工业出版社，1998,10.秦启泰.应用热处理M.金盾出版社，1997,2.丁文华.热处理手册.北京：机械工业出版社，1982,12.彭其凤.热处理工艺及设计.上海：上海交通大学出版社，1994,8.樊新民.热处理工艺与实践.北京：机械工业出版社，2012,1.马鹏飞.热处理技术.北京：化学工业出版社，2008,12.