热处理工艺设计

15CrNiMo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1150~1200℃）金属接触后，本身温度可达300~400℃，局部高达500~600℃。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（C0.5%～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Cr、W、Si、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、W、Si．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--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2.15CrNiMo热作模具钢的服役条件、失效形式2.1.1服役条件5CrNiMo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高度小于275mm（小型）锤锻模高度275—325mm（中型）高度325—375mm（大型）使用硬度HRC38—42（模面）33—38（模尾）34—40（模面）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－锤头2－上模3－飞边槽4－下模5－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1100-1200℃的金属接触而被加热到400-500℃。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，大量采用铬、钨、钼、镍、钒、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)5CrMnSiMoV化学成分：如表1表1三种材料的成分W/%钢种5CrNiMo5CrMnMoC0.50~0.60Si≤0.40MnPSCrNiVMo0.15~0.300.15~0.300.50~0.80≤0.030≤0.030≤0.0300.50~0.801.40~1.80≤0.030≤0.0300.60~0.901.30~1.50≤0.250.50~0.600.25~0.601.20~1.605CrMnSiMoV0.45~0.550.80~1.100.80~1.10≤0.0300.20~0.400.40~0.60力学性能：5CrNiMo钢在840℃淬火后450—600℃回火硬度HRC45—37，伸长率39%—52%，强度极限1450—1160MPa。5CrMnMo钢在850℃油淬后450—650℃回火伸长率8%—16%，强度极限1620—1250MPa。5CrMnSiMoV钢在860℃淬火后400—600℃回火硬度HRC46—26，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650—680℃，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。2.45CrNiMo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。图25CrNiMo钢奥氏体等温转变曲线（奥氏体化温度875℃）2.55CrNiMo热作模具钢的加工工艺流程图图3工艺流程图2.65CrNiMo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。2.6.1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，并且要反复镦粗、拔长至少2~3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钢坯时间/hAc1（Ar1）730℃（620℃）Ac3（Ar3）780℃（-）加热温度1100～1150℃始锻温度1050～1100℃终锻温度800～880℃2.6.2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680℃。因为它含有镍，所以退火软化比较困难，等温时间应比不含镍的时间长，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72-3min/mm，为了减小淬火畸变，模具淬火前先要冷到780—800℃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12—16min，油冷时间50—60min。T=akdt:加热时间a：加热系数d：有效厚度k：裝炉修正系数2.6.3中温回火工艺曲线一般锤锻模在淬火冷至150—200℃时，就应该从油槽中取出并立即裝炉回火，回火时间应充分。时间/h图85CrNiMo回火工艺曲线2.75CrNiMo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Ac1以上30~50℃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760~780℃，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）3C。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200℃，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780℃，出炉用60℃左右的油冷却。冷却后用在150～220℃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。图95CrNiMo钢淬透性曲线2.7.3回火工艺原理5CrNiMo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HRC34~40。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。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=回火保温时间（分）D=工件有效厚度（mm）b=附加时间，一般为10～20分d=加热系数（分/mm）。系数d根据炉型而定：盐浴炉d=0.5～0.8分/mm井式回火炉d=1.0～1.5分/mm箱式电炉d=2～2.5分/mm2.85CrNiMo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→推料→加热→速冷→等温→空冷→卸料→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650℃。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：镍铬—镍硅（镍铝），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