模具钢的热处理毕业论文

高热稳定性热锻模具钢5Cr2NiMoVSi的热处理来源:数控机床网 时间:2008-6-3 16:01:46国际模具网摘要：5Cr2NiMoVSi钢是近年来我国研制出的高热稳定性热锻模具钢。虽然尚未纳入GB/T1299-2000《合金工具钢》国家标准，但已在实际生产中应用多年，效果亦很好。是值得试用推广的热锻模具新钢种。 关键词：5Cr2NiMoVSi钢；高热稳定性；高韧性；高寿命 5Cr2NiMoVSi钢是在5CrNiMo和4Cr5MoSiV(H11)钢的基础上研制的新钢种。强度高于5CrNiMo钢而稍低于4Cr5MoSiV(H11)钢；冲击韧度高于5CrNiMo钢和4Cr5MoSiv(H11)钢；淬透性接近5CrNiMo钢。加热时奥氏体晶粒长大倾向小，热处理温度范围较宽，有利于大尺寸模块长时间加热保温。特别是，钢的热稳定性高于5CrNiMo钢，接近于4Cr5MoSiv(H11)钢。因此特别适合于与锻件接触时间较长因而模具工作面温升较高的压力机锻模，和模锻锤锻模。 虽然5Cr2NiMoVSi钢未纳入GBT1299-2000《合金工具钢》国家标准，但已在实际生产中应用多年，效果亦好。是值得试用推广的热锻模具新钢种。 1 5Cr2NiMoVSi钢的成份与性能 5Cr2NiMoVSi钢的化学成分 5Cr2NiMoVSi钢的物理性能 热导率λ(室温)·W/(m·k)：。 比热容Cp(室温)·J/(Kg·k)：。 2 5Cr2NiMoVSi钢的热加工与锻造 热加工锻造是模具制造工艺过程中的重要工序，模具锻造质量的优劣，直接影响到模具热处理质量的优劣，关系到模具的使用寿命。锻造的目的不仅是为了将坯料锻造成所需要的形状，更重要的是可以改善和提高模具的性能，保证模具的使用寿命。 模具钢经合理锻造后，有如下效果： A.使块状、网状、带状碳化物破碎，分布均匀。 B.改变模具中流线的方向，使流线合理分布。 C.改善模具中的气孔，疏松，提高钢的比重和致密度。3 5Cr2NiMoVSi钢的热处理工艺 预先热处理5Cr2NiMoVSi钢等温退火后的组织为粒状珠光体+极少量未溶碳化物(合金渗碳体.M23C6和少量M6C、Mc，总含量为％)硬度为220-230HBW。 淬火工艺规范5Cr2NiMoVSi钢的淬火温度范围较宽，可在960-1010℃范围内选择。在此温度范围内加热，钢的奥氏体晶粒度在9-10级之间，温度升到1060℃时，奥氏体晶粒开始急剧长大。5Cr2NiMoVSi钢的淬火加热和冷却工艺，是影响模具变形和开裂，获得理想淬火组织和理想力学性能的关键。由于锤锻模具尺寸较大，在冷却过程中产生的热应力及组织应力也很大，因此，锤锻模淬火冷却前要进行适当的预冷。一般应预冷至钢的，AC3温度附近，既880℃左右。预冷的方式：一是模具随炉预冷，均温后出炉淬火冷却；二是出炉在空气中预冷，小模块(≤250mm)的预冷时间3-5min，大模块(≥300mm)约5-8min。然后放入30-80℃的油中冷却。为了冷却均匀，最好进行搅拌冷却。锻模一般冷至约150-200℃时就应从油槽中取出，并立即回火。这时既可根据经验确定：模具提出油面时冒青烟而不再着火；也可以使用红外测温仪确定。锻模在油中淬火冷却的时间请参照表4。5Cr2NiMoVSi钢在960-1010℃温度范围内淬火后的组织为板条马氏体+孪晶马氏体及少量残余奥氏体。淬火后硬度为54-61HRC。 回火工艺规范5Cr2NiMoVSi钢具有较好的回火抗力，经550℃回火后仍能保持高硬度(51-53HRC)。经600℃回火后，硬度为47-48HRC，650℃回火后下降为42-44HRC。而5CrNiMo钢经650℃回火后硬度不足30HRC。可见5Cr2NiMoVSi钢的热稳定性比5CrNiMo钢高出150℃左右。在450-550℃范围内回火时，从基体中析出M2C和VC等碳化物，具有较高的弥散度，产生二次硬化效应。由于大、中、小型模具的硬度要求不同，截面尺寸(主要是高度H)也不同，因此推荐的回火温度范围也较宽(请参照表5)。一般情况下，由于模具淬火应力很大，如果回火时加热速度过快，会产生新的应力，也常会使模具的变形或开裂的可能性增大，所以在回火加热时，应采用等温预热分段加热回火形式。预热温度不应高于350℃，高于350℃时，模具心部的残余奥氏体将向上贝氏体转变，不仅会降低模具的强度，而且会显著降低模具的冲击韧性。因此等温预热的温度一般取280℃左右，此温度下，残余奥氏体将向下贝氏体转变。由于下贝氏体具有高的强韧性和冲击韧性，因而获得下贝氏体组织是有利于提高模具的使用寿命。由于5Cr2NiMoVSi钢含有％的Mo，因此对第二类回火脆性并不敏感，所以回火后的冷却可采用空冷。虽然慢冷对钢的冲击韧性略有降低，但绝对值仍然满足技术条件要求。在生产条件下，常常采用一次回火。但由于回火不足(特别是大、中型模块)，在生产中经常发生采用一次回火(加上回火时问短)后，模具极易产生开裂，有的甚至在未使用的情况下产生开裂。因此，在第一次回火后，应当再进行第二次回火，将模具的内应力降至最低。第二次回火必须在第一次回火后模具冷却至室温，使残余奥氏体充分转变后才能进行。第二次回火温度应低于第一次回火温度约10℃左右。4 5Cr2NiMoVSi钢热处理后的力学性能5Cr2NiMoVSi钢经960-1010℃加热淬火，600-680℃加热回火后，可获得较高的综合力学性能。 5Cr2NiMoVSi钢985℃淬火后的力学性能。 5Cr2NiMoVSi钢的高温强度5Cr2NiMoVSi钢在500℃以下试验时，高温强度与5CrNiMo钢相近，当试验温度高于600℃时，5Cr2NiMoVSi钢的高温强度比5CrNiMo钢高出一倍以上。这与5CrNiMo钢中的M3C碳化物在高温下易聚集长大有关。 5Cr2NiMoVSi钢高温冲击韧度500-550℃是模具工作面的工作温度范围，在此温度下，5CrNiMo钢的冲击韧度处于谷值，而5Cr2NiMoVSi钢的冲击韧度仅有少许下降，比5CrNiMo钢高出一倍。5 5Cr2NiMoVSi钢在汽车前轴锻模中的应用东风EQ140型汽车前轴锻模的尺寸为1825×395×300mm，热处理后的硬度要求为37-41HRC。锻模在工作中所受的冲击力比较小，但与锻件接触的时间长。模具表面的工作温度较高。因此要求模具有高的高温强度、耐磨性、抗回火稳定性及耐热疲劳性。原前轴模在采用5CrNiMo钢制造时，由于热稳定性及强度低，不能满足压力机模具对性能的要求，使用中常因热磨损和热裂严重而失效，使用寿命一般为5500-6000件。在改用5Cr2NiMoVSi钢制造后，使用寿命显著提高。按上述热处理工艺生产的5Cr2NiMoVSi钢制前轴锻模的使用寿命达到了9000件左右，比5CrNiMo钢提高了50％左右，效果比较明显。6 结语(1)5Cr2NiMoVSi钢经960-1010℃加热淬火，600-680℃加热回火后，可获得较高的综合力学性能。(2)5Cr2NiMoVSi钢具有较高的热稳定性，比5CrNiMo钢高150℃以上。(3)5Cr2NiMoVSi钢锻模的使用寿命比5CrNiMo钢锻模提高50％以上。(4)5Cr2NiMoVSi钢是值得试用推广的热锻模具新钢种。(5)45Cr2NiMoVSi钢的化学成分除C和Si比5Cr2NiMoVSi钢略低外，其它化学成分基本一致，因此可参照上述工艺进行热处理。国际模具网

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H13钢具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能及抗热裂能力，是一种强韧兼具的空冷硬化型热作模具钢，目前该钢种已成为国内外应用最广泛的热作模具钢种之一。由于H13钢中合金元素含量达到8%左右，使共析点左移，H13钢属于过共析钢，碳及合金元素的严重偏析，特别是铬、钒元素的作用，使得该钢在凝固过程中出现不平衡的亚稳定共晶碳化物。目前很多国内生产的H13钢退火态心部组织存在粗大的共晶碳化物和成分偏析，二次碳化物聚集在晶界处，并且在局部连成链状碳化物，而共晶碳化物和二次碳化物在晶界聚集强烈影响模块的冲击性能。因此，有必要对H13钢的退火热处理工艺开展研究，以改善退火组织，进而提高其后续使用性能。对H13模具钢的锻后热处理研究结果表明：经常规球化退火处理后，H13钢组织粗大，显微偏析严重，球化不完全，大部分碳化物呈网状结构。经高温正火＋球化退火后，H13钢组织细化，合金元素偏析得到改善，碳化物球化率提高，碳化物更加均匀地分布在铁素体基体上。偏析和球化效果和正火温度有关，1020℃正火时，H13钢球化组织更加均匀弥散，球化效果良好，球化率可达95%以上，偏析基本消除‍

出厂硬度180hb

模具是现代制造业核心工具,是工业制造中不可缺少的成型工具。近20年来，我国模具工业发展非常迅速,尤其是近几年,模具需求一直以每年15%左右的速度快速增长。国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了强大的动力。作为主要模具材料的模具钢则是模具制造的基础,随着模具工业的迅速发展,对模具钢的数量、质量、品种、规格、性能等各个方面提出更高、更新的要求。Cr12MoV钢是应用最为广泛的冷作模具钢"。虽然强度、硬度较高,耐磨性好，但其韧度较差,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[2-3]。

Cr12MoV是国标的说法，德标叫做：X165CrMoV12

化学成份：

碳 C ：～

硅 Si：≤

锰 Mn：≤

硫 S ：≤

磷 P ：≤

铬 Cr：～

镍 Ni：允许残余含量≤

铜 Cu：允许残余含量≤

钒 V ：～

钼 Mo：～

电炉真空精炼生产，锻造开坯，共晶碳化物均匀，高淬透性，高耐磨性，高韧性，淬火时体积形变小；因此它的市场用量非常的大。

①减少Cr、Mo、V元素的含量，直接降低成本，也严重影响使用性能，如用Cr8、Cr12充当Cr12MoV；

②改变其生产方法，用中频炉代替电炉精炼，导致的成分杂质过多，用连铸方法代替球化退火，减少压延比等等多种方法来减少成本，zui终客户在使用时材料达不到预期的效果，模具寿命减少，严重的直接导致开裂报废。

研究发现,淬火过程中得到马氏体加下贝氏体复相组织具有比单一马氏体或者下贝氏体组织更好的强韧性[°;另外,淬火后组织中含有适量的残留奥氏体可一定程度上提高材料的韧性,对于合金钢来说,合金元素的种类和含量对钢淬火后残留奥氏体的量也有显著影响[5;合理的淬火温度会使钢保留需要的高温组织和细小的晶粒,以保证回火后获得良好的综合性能。

近年来,国内外学者在Cr12MoV钢热处理新工艺方面开展了广泛的研究[68]。研究表明,Cr12MoV钢中碳化物的形态和分布对其韧性有很大影响(弥散碳化物析出强化)。因此,通过适当的回火工艺控制材料组织中碳化物的形状、数量、尺寸和分布等,可改善强韧性，获得较高的综合力学性能。另外,不同回火温度对合金钢的拉伸和冲击性能有很大影响,通常情况下,增加回火温度会增加冲击韧性并降低拉伸强度;由于二次硬化现象的发生,在500 ~600 ℃间增加回火温度也可一定程度上提高合金钢的硬度。综上,在Cr12MoV热处理工艺开发已取得了一些成果,但也存在工艺过程较复杂.热处理过程能源消耗大等缺点。本论文拟通过研究不同回火工艺参数条件下Cr12MoV钢的微观组织和力学性能特征,进而找出更节能的热处理工艺。

试验采用的Cr12MoV钢是一种典型的高碳高合金钢,其化学成分见表1。将用于热处理的Cr12MoV钢加工成大小为$b20 mm x 50 mm 的圆柱试样,进行调质试验,具体工艺为1025℃淬火,在490、510 ℃分别保温、3 h。对热处理后的试样进行力学性能分析和微观组织表征。为了检验热处理后试样的切削性和耐磨性,采用MHT-10显微硬度测量仪(载荷砝码100 g,加载时间10 s)对硬度进行测量;利用Rigaku PSPC/MICRO应力分析仪对残余应力进行测量,具体位置见图1。采用JEOLJXA-8100电子探针(EPMA )对元素分布进行测定;采用ZEISS Axiovert 200 MAT光学显微镜观察微观组织分布;采用Rigaku Smartlab X射线衍射仪对不同衍射峰进行物相标定,通过相对强度法计算残留奥氏体体积分数。

畸变量及力学性能分析

图2为不同回火条件下Cr12MoV钢试样畸变量、残余应力和硬度分布的测量结果。从图2中可以看出,不论是试样底面还是侧面,当回火时间由 h增加到3 h时,残余应力显著降低,畸变量显著减小。通常情况下,表面压应力越高,则疲劳强度越高,切削性能越差。因此,通过增加回火时间降低表面压应力,可提高钢的切削性能。通过比较490℃和510℃回火温度下的测量结果,发现与回火时间相比,回火温度对畸变量和残余应力的影响较小。

图2( c)为测量得到的硬度结果。可以看出,尽管随着回火时间的增加 ,最大硬度值降低,但当回火时间较长时,试样不同位置的硬度分布更为均匀。当前研究采用的Crl2MoV钢热处理前硬度为 ,热处理后各测定点硬度均大于此值,并没有因为回火处理出现硬度下降。另外,从图2( c)中还可以看出,不同回火温度条件下测量得到的硬度结果变化较小。