哈工大熱處理原理與工藝大作業(yè)-熱作模具熱處理

1、熱作模具的零件熱處理熱作模具的零件熱處理 組員： 司光宇 景琳 劉浩 何斯超 劉宇澤 王佳銘1.零件用途與服役條件零件用途與服役條件 1.1零件用途 熱作模具主要用于制造高溫狀態(tài)下進行壓力加工的成型模具，更確切的說是指制造把金屬材料加熱到再結(jié)晶溫度以上進行壓力加工的模具。1.零件用途與服役條件零件用途與服役條件1.2服役條件(1)型腔表層金屬受熱。盡管熱鍛模具不同，型腔表層金屬受熱溫度也不相同，但是最 低也有幾百攝氏度;熱擠壓模具與壓鑄模具型腔表層溫度更高。 1.零件用途與服役條件零件用途與服役條件1.2服役條件(2) 型腔表層金屬產(chǎn)生熱疲勞。 熱作模具的工作特點是具有間歇性。每次使熱態(tài)金屬成

2、型后都要用冷卻介質(zhì)冷卻型腔的表面。因此，熱作模具的工作狀態(tài)是反復(fù)受熱和冷卻，從而使型腔表層金屬產(chǎn)生反復(fù)的熱脹冷縮，即反復(fù)承受拉壓應(yīng)力作用。其結(jié)果是引起型腔表面出現(xiàn)裂紋，稱為熱疲勞現(xiàn)象。 1.零件用途與服役條件零件用途與服役條件1.2服役條件 (3) 載荷作用。錘鍛模受強烈的沖擊載荷和工作應(yīng)力;熱擠壓模具和壓鑄模具是在高壓下服役的。 2. 失效方式失效方式-性能要求性能要求2.1失效方式 (1)變形失效變形失效 變形失效是指熱作模具頻繁與高溫毛坯工件接觸使用后出現(xiàn)軟化，因發(fā)生塑性變形超差而引起的失效。對于黑色金屬成形，當(dāng)模具表面軟化后硬度低于30HRC時容易發(fā)生變形而堆塌。工作載荷大、工作溫度高

3、的熱擠壓模具和鍛壓模具的凸起部位易產(chǎn)生這類失效。2. 失效方式失效方式-性能要求性能要求2.1失效方式 (2)熱疲勞失效熱疲勞失效 熱疲勞失效是指熱作模具在工作過程中因周而復(fù)始地反復(fù)被加熱和冷卻，使模具表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋而引起的失效。在工作過程中工作溫差大，反復(fù)被快速加熱又被快速冷卻的壓鑄模具、鍛壓模具等易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。熱疲勞裂紋屬于表面裂紋，一般較淺，在應(yīng)力作用下向內(nèi)部擴展，最終導(dǎo)致模具產(chǎn)生斷裂失效。2. 失效方式失效方式-性能要求性能要求2.1失效方式(3)斷裂失效斷裂失效 斷裂失效是指材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷而出現(xiàn)失穩(wěn)態(tài)下的材料開裂，包括脆性斷裂、韌性斷裂，疲勞斷裂和腐蝕斷裂。

4、熱作模具斷裂(特別是早期斷裂)，與工作載荷過大、選材和材料處理不當(dāng)及應(yīng)力集中等有關(guān)。擠壓沖頭及模具凸起部位根部易出現(xiàn)斷裂失效。2. 失效方式失效方式-性能要求性能要求2.1失效方式 (4)熱磨損失效熱磨損失效 熱磨損失效是指模具工作部位與被加工材料之間相對運動產(chǎn)生摩擦損耗，而引起的模具尺寸超差和表面損傷失效。模具工作溫度、材料的硬度、合金元素及潤滑條件等都影響模具磨損。相對運動劇烈和凸起部位的模具，如熱擠壓沖頭等易產(chǎn)生磨損失效。 2.2性能要求 2.2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能 1)硬度和強度 要求材料在模具的服役溫度下，仍保持一定的硬度和強度，并且具有良好的熱穩(wěn)定性，以防止模具發(fā)生變形。2)韌性

5、 很多熱作模具，特別是鍛錘用模具，在工作 過程中經(jīng)常要承受較大的沖擊載荷，為了防止模具開裂，要求模具材料必須有較高的沖擊韌度和斷裂韌度。2.2性能要求2.2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能3) 熱疲勞抗力 大部分熱作模具都是在周期性的溫度急劇變化下服役的，在模具表面產(chǎn)生應(yīng)力。為防止模具表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，要求模具材料具有良好的熱疲勞抗力。2.2性能要求2.2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能4) 化學(xué)穩(wěn)定性 熱作模具往往在較高的溫度下工作，模具工作面與空氣、液態(tài)金屬或其他介質(zhì)接觸，要求模具材料具有在工作溫度下的抗氧化性能或抗液態(tài)金屬沖蝕的性能。 熱作模具工作時除了承受周期性載荷作用之外，還要承受高溫及周期性的急冷急

6、熱變化。熱交變應(yīng)力易使熱作模具材料發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致模具熱裂。2.2性能要求2.2.2工藝性能工藝性能 （1）加工性 熱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熱加工中的鍛壓加工性能兩種。它主要取決于鋼的化學(xué)成分和熱處理工藝等。 2.2性能要求2.2.2工藝性能工藝性能 （2）淬透性和淬硬性 熱作模具對這兩種性能要求根據(jù)其工作條件不同有所側(cè)重。對于小型模具，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;對于尺寸較大的模具，如果截面未淬透，則回火后未淬透部分的屈服點和韌性會顯著降低，影響模具工作壽命，所以其淬透性更為重要。 2.2性能要求2.2.2工藝性能工藝性能 （3）熱

7、處理變形性 熱作模具在熱處理時，尤其在淬火過程中，要產(chǎn)生體積、形狀變化，為保證模具質(zhì)量，要求模具鋼的熱處理變形小，各方向變化相近似，且組織穩(wěn)定。它主要取決于熱處理工藝和鋼的冶金質(zhì)量等。 2.2性能要求2.2.2工藝性能工藝性能 （4）脫碳敏感性 熱作模具如果在無保護氣氛下加熱，其表面會發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，就會使其硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對于某些氧化、脫碳敏感性強的熱作模具鋼，可采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理等。 2.2.2工藝性能工藝性能 (5) 較高的回火穩(wěn)定性抗氧化性能：防止模具在高溫服役中被繼續(xù)回火，導(dǎo)致硬度下降而影響耐磨

8、性。3. 基本分類基本分類 熱作模具鋼的種類以及其分法的不同而有差異。常用的分類方法有三種：是以其所制造的模具用途，性能，成分來分類。3. 基本分類基本分類3.1 按用途 熱作模具鋼可分為錘鍛模具鋼、熱頂鍛模具鋼、熱擠壓模具鋼、熱沖裁模具鋼和精鍛模具鋼以及壓鑄模具鋼熱作模具鋼 。3. 基本分類基本分類3.2 按性能按性能 高韌性熱作模具鋼、高熱強性熱作模具鋼、高耐磨性熱作模具鋼，也可分為低耐熱性熱作模具鋼、中耐熱性熱作模具鋼、高耐熱性熱作模具鋼。3. 基本分類基本分類3.3 按成分按成分 低合金熱作模具鋼、中合金熱作模具鋼、高合金熱作模具鋼，也可分為鎢系熱作模具鋼、鉻系熱作模具鋼、鉻鉬系熱作模

9、具鋼、鉻鎢鉬系熱作模具鋼。 4.零件用材料零件用材料 4.1鍛壓模具用鋼的選用 4.1.1.錘鍛模：受沖擊負荷，韌性要求較高。中、小型錘鍛模首選：5CrMnMo大型錘鍛模首選：5CrNiMo 特大型錘鍛模：5Cr2NiMoVSi4.零件用材料零件用材料4.1鍛壓模具用鋼的選用4.1.2.壓力機鍛模：沖擊負荷較小，負荷較大，要求熱強性較高。壓力機鍛模首選：4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiV14.零件用材料零件用材料4.零件用材料零件用材料4.2熱擠壓模具 熱擠壓模具的工作特點是加載速度較慢，因此，型腔受熱溫度較高，通?？蛇_500800。對這類鋼的使用性能要求應(yīng)以耐磨性、高的回火穩(wěn)定性和抗熱疲

10、勞性能為主。4.零件用材料零件用材料4.2熱擠壓模具4.2.1輕合金擠壓:選用韌性較好的熱作模具鋼，如4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1鋼。4.零件用材料零件用材料4.2熱擠壓模具4.2.2鋼、銅和銅合金擠壓:除了選用4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1鋼外，也可選用高溫強度較好的熱作模具鋼，如3Cr2W8V鋼。5Cr4W5Mo2V鋼是新型的熱作模具鋼，該鋼具有較高的紅硬性，高溫強度和較高的耐磨性，可進行一般的熱處理或化學(xué)熱處理，可代替3Cr2W8V鋼制造某些熱擠壓模具，使用壽命較高。4.零件用材料零件用材料4.零件用材料零件用材料4.3壓鑄模具壓鑄模具 壓鑄模具在服役條件下不斷承受

11、高速、高壓噴射、金屬的沖刷腐蝕和加熱作用，從總體上看，壓鑄模具用鋼的使用性能要求與熱擠壓模具用鋼相近，即以要求耐磨性、高的回火穩(wěn)定性與抗熱疲勞性為主。所以通常所選用的鋼種大體上與熱擠壓模具用鋼相同。4.零件用材料零件用材料 4.3壓鑄模具壓鑄模具 Zn合金壓鑄模具: 4Cr5MoSiV1，4Cr5W2VSi鋼等； Al和Mg合金壓鑄模具: 4Cr5MoSiV1，3Cr3Mo3W2V鋼等。 Cu合金壓鑄模具: 3Cr3Mo3W2V，3Cr2W8V鋼。5.加工工序加工工序 毛坯鍛造退火機械粗加工 精加工成形淬火、高溫回火 鉗工整修、拋光模具裝配試模6.熱處理工藝熱處理工藝 熱處理是熱作模具制造中不

12、可缺少的重要工序。熱處理目的就是通過加熱和冷卻的方法，改變鋼的組織，提高硬度、韌性等力學(xué)性能。熱作模具使用條件不同，對其性能要求的重點也不同。比如，錘鍛模對韌性要求較高，而熱擠壓模具以耐磨性、高的回火穩(wěn)定性、抗熱疲勞性為主。這就要求對不同的熱作模具采取不同的熱處理工藝，以達到要求的使用性能。熱處理對熱作模具的質(zhì)量和使用壽命都有重要的影響。 熱作模具鋼的成分有哪些特點？熱作模具鋼的成分有哪些特點？(1)含碳量處于中等水平，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.3%0.6%；(2) 加入Cr、Ni、Mn等元素，提高鋼的淬透性和強度等性能；(3) 加入W、Mo、V等元素，防止回火脆性，提高熱穩(wěn)定性及紅硬性；(4)

13、適當(dāng)提高Cr、Mo、W在鋼中的含量，可提高鋼的抗熱疲勞性。 6.1 5CrMnMo預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理 錘鍛模具鋼5CrMnMo普通退火工藝錘鍛模具鋼5CrMnMo、5CrNiMo淬火回火工藝熱處理工藝、組織及性能1) 鍛造工藝 鋼坯鍛造加熱溫度11001150、始鍛溫度10501100、終鍛溫度800850、鍛后緩冷(坑冷或砂冷)，注意防止模具開裂。2) 退火工藝等溫退火加熱溫度850870，等溫溫度680，退火硬度197241HBS。3) 淬火工藝 加熱溫度840860油淬，冷到150180左右出油并立即回火。為減少變形及開裂，淬火時最好延時冷卻，可空冷到740780，然后入油。 5CrM

14、nMo回火工藝回火工藝6.熱處理工藝熱處理工藝6.25CrNiMo鋼1）鍛造工藝 鍛坯加熱溫度11001150，開鍛溫度10501100，終鍛溫度800850，砂冷或坑冷。2) 淬火、回火工藝 淬火預(yù)熱溫度600650，加熱溫度830860，油淬。 5CrNiMo鋼淬火注意事項注意：1.1.淬火加熱保護淬火加熱保護: :將模具放入鐵盤，將模具放入鐵盤，用保護劑填滿，用耐火泥或黃泥用保護劑填滿，用耐火泥或黃泥密封。密封。2.2.避免淬火開裂：避免淬火開裂： 油冷不能冷到室溫油冷不能冷到室溫3.3.避免形成上貝氏體：避免形成上貝氏體： 增加大型模具心部冷速增加大型模具心部冷速 不在不在350500

15、 緩冷緩冷4.油淬組織硬度：油淬組織硬度： 針狀馬氏體針狀馬氏體+ +少量殘余奧氏體少量殘余奧氏體 5258HRC 5CrNiMo鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 5CrNiMo回火工藝（1）淬火后應(yīng)立即進行高溫回火，以消除）淬火后應(yīng)立即進行高溫回火，以消除淬火應(yīng)力，獲得較好的韌性。淬火應(yīng)力，獲得較好的韌性。（2）回火后采用油冷，以免產(chǎn)生回火脆。）回火后采用油冷，以免產(chǎn)生回火脆。油中不能冷卻到室溫，以免開裂。油中不能冷卻到室溫，以免開裂。（3）回火保溫時間系數(shù)為）回火保溫時間系數(shù)為3 min/mm，且回，且回火保溫時間不少于火保溫時間不少于2 h。（4）小型模具采用較低的回火溫度，大型）小型模具采用較低的

16、回火溫度，大型模具采用較高的回火溫度。模具采用較高的回火溫度。 （5）回火后的組織：回火索氏體）回火后的組織：回火索氏體+回火托氏回火托氏體。體。 3Cr2W8V3Cr2W8V ：靜載荷較高但沖擊載荷較低的靜載荷較高但沖擊載荷較低的機鍛模、銅合金熱擠壓模、壓鑄模機鍛模、銅合金熱擠壓模、壓鑄模3Cr3Mo3W2V ：熱鐓鍛模、機鍛模、熱擠熱鐓鍛模、機鍛模、熱擠壓模、壓鑄模壓模、壓鑄模 鋼號Ac1Ac3Ar1Ms3Cr2W8V3Cr3Mo3W2V5Cr4W5Mo2V800840830850922893690786700370373330鎢鉬系熱作模具鋼的一般熱處理過程鎢鉬系熱作模具鋼的一般熱處理過

17、程 1.退火工藝3Cr2W8V Ac1-800 Ac3-850 Ar1-690 Ms-370 退火工藝：加熱溫度：退火工藝：加熱溫度：820-840 加熱保溫時間：加熱保溫時間：2-4h冷卻方法：爐冷至冷卻方法：爐冷至500 空冷空冷退火硬度：退火硬度：HBS 217-241 2.淬火工藝 2.1高溫淬火工藝高溫淬火工藝.（1）預(yù)熱：800850（2）加熱：溫度高于1050 ，參考以下淬火溫度，然后分級淬火。含鉬鋼而容易氧化、脫碳，最好采用可控氣氛熱處理爐或真空爐加熱。 鋼號3Cr2W8V3Cr3Mo3W2V5Cr4W5Mo2V淬火溫度/110011501050109011001140淬火硬度

18、HRC505555575961淬火介質(zhì)油或空氣油或空氣油或空氣 2.2 貝氏體等溫淬火工藝貝氏體等溫淬火工藝 貝氏體等溫淬火工藝：3Cr2W8V鋼制自行車曲柄熱成型模，在3000kN摩擦壓力機上使用，按1080油淬，580610回火二次工藝處理，硬度4548HRC，平均使用壽命4500件；改用1100加熱，340350硝鹽爐等溫淬火，獲得馬氏體+下貝氏體組織，使模具具有高強度的同時，顯著提高了塑性和斷裂韌度， 壽命高的原因是高強度的馬氏體上分布有適量的下貝氏體，提高了鋼材的強韌性，斷裂韌性和裂紋擴展抗力 2.3控制淬硬層淬火工藝控制淬硬層淬火工藝 控制淬硬層淬火工藝：3Cr2W8V鋼制尖嘴鉗熱

19、壓模具，10003000kN摩擦壓力機上使用，常規(guī)淬火工藝，硬度4648HRC， 采用高溫短時間加熱，使模具表面和心部得到不同的淬火加熱溫度，造成不同的合金度，在隨后淬火過程中，獲得內(nèi)外不同的組織。或控制淬火操作，使表面和心部在不同溫度下淬火而轉(zhuǎn)變成不同的組織，經(jīng)此工藝處理后模具壽命達32000件。 （3）冷卻）冷卻（3）冷卻： 150 mm的小型模具空冷，大型模具油冷。 3Cr2W8V鋼的淬透性不高，大尺寸模具如果采用空冷，心部容易淬不透，會出現(xiàn)上貝氏體，影響模具性能。 3.回火工藝 目的：為提高韌性，進行2次或3次高溫回火，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物得到充分回火。3Cr2W8V 回火溫度：560

20、-580 ； 保溫時間：2h ；回火次數(shù)：2 次 ；回火后硬度；HRC 4852 冷卻介質(zhì)：空氣3Cr2W8V鋼淬火回火后的顯微組織（經(jīng)過1150加熱、油冷淬火）：600回火：回火馬氏體+合金碳化物650回火：回火馬氏體+回火托氏體+合金碳化物680回火：回火托氏體+合金碳化物 7.質(zhì)量檢查事項和方法 7.1模具材料檢查 模具材料檢查屬熱處理生產(chǎn)現(xiàn)場檢查。檢查材料成分與圖紙標(biāo)定材料牌號是否相符，常采用火花鑒別輔之以點滴試驗法，若發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)進一步進行化學(xué)成份分析或作光譜分析以確定其真實成份。火花鑒別模具材料時應(yīng)注意：磨削部位不影響模塊外觀、光潔度、精度及使用為原則。點滴試驗比較成熟可靠的有Mn

21、、Mo、Cr、Ni四種合金元素。占滴試驗的測試面必須打磨光并清除油污保持清潔，若工作環(huán)境溫度較低（如寒冷的冬季）則試件、試劑、吸水紙等均應(yīng)加溫或延長反應(yīng)時間。7.質(zhì)量檢查事項和方法7.2模具熱處理后的外觀檢查 一般熱處理工件均用肉眼或低倍放大鏡觀察表面有無裂紋、燒傷、碰傷、麻點、腐蝕、銹斑等。重要工件檢查裂紋可用磁力、滲透、超聲等探傷方法。對表面允許噴砂的工件可浸油后噴砂直接觀察。7.質(zhì)量檢查事項和方法7.3變形檢查（1）?？住⒉鄢叽缡褂们Х殖?、卡尺、內(nèi)徑千分表等檢查，以比較淬火前后的相關(guān)尺寸確定其變形量，對于小型精密模具，用工具顯微鏡或投影儀進行檢查。（2）薄板類工件用塞尺在平板上檢查其翹曲

22、量。（3）長桿類、芯桿類工件（如沖頭、頂桿、定位軸、導(dǎo)住、復(fù)位桿等）用頂尖或V型鐵支持兩端，使用百發(fā)有測量其振擺量，細小桿件可用塞尺在平板上測量彎曲量。7.質(zhì)量檢查事項和方法7.4硬度檢查 所有熱處理工件，均應(yīng)根據(jù)圖紙要求或工藝規(guī)定進行硬度檢查。 一般正火、退火、調(diào)質(zhì)零件的硬度檢查用布氏試驗機檢查，淬火工件用洛氏硬度法檢查，表面硬化工件硬化層硬度的測試，則用維氏硬度或顯微硬度法檢查，大型工件硬度測試，則可用錘擊式布氏、肖氏或里氏硬度測試法檢查。7.質(zhì)量檢查事項和方法7.5金相檢查 在以下情況下進行金相抽檢或檢驗。（1）工藝規(guī)定必須進行金相檢驗時。（2）當(dāng)對某批或某工件的內(nèi)在組織提出懷疑時。（3

23、）當(dāng)變更工藝后由試生產(chǎn)轉(zhuǎn)入正式生產(chǎn)前。7.質(zhì)量檢查事項和方法7.6其他力學(xué)性能檢測 凡設(shè)計要求熱處理后必須保證其某一力學(xué)性能指標(biāo)（如沖擊韌度、斷裂韌度等）的工件，應(yīng)先選取與模塊牌號相同的材料做成標(biāo)準(zhǔn)試樣，并與模塊進行相同的熱處理后送檢。8.熱處理缺陷及解決方法 模具鋼在鍛造時必須承受拉應(yīng)力、切應(yīng)力和附加拉應(yīng)力，在這些力的作用下會產(chǎn)生裂紋。通常存在厚度最薄、受應(yīng)力最大的部位。坯料表面和內(nèi)部的微裂紋、或坯料內(nèi)部本身存在組織缺陷，或熱處理不當(dāng)使材料塑性下降，或變形超過模具鋼允許的塑性指標(biāo)等，則在撤粗、拔長、沖孔、擴孔、彎曲和擠壓等工序中均會產(chǎn)生裂紋缺陷。嚴(yán)重影響了模具鋼的使用性能，所以在使用過程中必須嚴(yán)格防止出現(xiàn)。8.熱處理缺陷及解決方法8.1 提高鍛造加工時靜水壓力 裂紋的產(chǎn)生與模具鋼的受力情況、塑性有關(guān)，塑性是材料的一種狀態(tài)，主要取決于變形物體的組織結(jié)構(gòu)，外部條件( 包括應(yīng)力狀態(tài)、變形溫度和變形速度) 。應(yīng)力狀態(tài)的變化可以增大靜水壓力，抵消由于不均勻變形引起的附加拉應(yīng)力，從而減輕了附加拉應(yīng)力所造成的拉裂作用。當(dāng)溫度和應(yīng)變速度一定時，由拉應(yīng)力引起的三向等壓應(yīng)力不會使裂紋擴展，即使鍛壓變形中存在微小的未被氧化的裂紋，在高的三向壓應(yīng)力作用下，完全可以鍛合。對于低塑性材料采用反推力擠壓及帶套激粗都是用采用提高靜水壓力的數(shù)值來防止開