WORD 格式 整理 PAGE 学习 参考 资料 分享 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 工艺 课程设计（论文） 题目： 5CrNiMo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CrNiMo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 WORD 格式 整理 学习 参考 资料 分享 目 录 TOC \o 1-2 \h \z \u HYPERLINK \l _Toc235268175 1 5CrNiMo热作模具钢热处理工艺概述 PAGEREF _Toc235268175 \h 1 HYPERLINK \l _Toc235268176 2 5CrNiMo热作模具钢的热处理工艺设计 PAGEREF _Toc235268176 \h 2 HYPERLINK \l _Toc235268177 2.1 5CrNiMo热作模具钢的服役条件、失效形式 PAGEREF _Toc235268177 \h 2 HYPERLINK \l _Toc235268178 2.2 5CrNiMo热作模具钢技术要求及零件示意图 PAGEREF _Toc235268178 \h 2 HYPERLINK \l _Toc235268179 2.3 5CrNiMo热作模具钢的材料选择 3 HYPERLINK \l _Toc235268180 2.4 5CrNiMo热作模具钢的C曲线 HYPERLINK \l _Toc235268181 2.5 5CrNiMo热作模具钢的加工工艺流程图 5 HYPERLINK \l _Toc235268182 2.6 5CrNiMo热作模具钢的退火-淬火-回火热处理工艺 5 HYPERLINK \l _Toc235268183 2.7 5CrNiMo热作模具钢的退火、淬火、回火热处理工艺理论 8 HYPERLINK \l _Toc235268184 2.8 5CrNiMo热作模具钢热处理的设备、仪表和工夹具选择 PAGEREF _Toc235268184 \h 11 HYPERLINK \l _Toc235268185 2.9 5CrNiMo热作模具钢的热处理质量检验项目、内容及要求 PAGEREF _Toc235268185 \h 13 HYPERLINK \l _Toc235268186 2.10 5CrNiMo热作模具钢的热处理常见缺陷的预防及补救方法 PAGEREF _Toc235268186 \h 14 HYPERLINK \l _Toc235268176 3 热处理工艺卡 17 HYPERLINK \l _Toc235268177 3.1 5CrNiMo正火工艺卡 17 HYPERLINK \l _Toc235268178 3.2 5CrNiMo淬火工艺卡 18 HYPERLINK \l _Toc235268179 3.3 5CrNiMo回火工艺卡 19 4 HYPERLINK \l _Toc235268187 参考文献 20 WORD 格式 整理 学习 参考 资料 分享 1 5CrNiMo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， 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。 2 5CrNiMo热作模具钢的热处理工艺设计 2.1 5CrNiMo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。 2.2 5CrNiMo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 锤锻模 高度小于275mm（小型） 38—42（模面） 33—38（模尾） 高度275—325mm（中型） 高度325—375mm（大型） 34—40（模面） 28—35（模尾） 高度大于375mm（特大型） 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℃ 选用三种材料进行比较1）5CrNiMo 2)5CrMnMo 3)5CrMnSiMoV 化学成分：如表 1 表1 三种材料的成分W/% 钢种 C Si Mn P S Cr Ni V Mo 5CrNiMo 0.50~0.60 ≤0.40 0.50~0.80 ≤0.030 ≤0.030 0.50~0.80 1.40~1.80 0.15~0.30 5CrMnMo 0.50~0.60 0.25~0.60 1.20~1.60 ≤0.030 ≤0.030 0.60~0.90 ≤0.25 0.15~0.30 5CrMnSiMoV 0.45~0.55 0.80~1.10 0.80~1.10 ≤0.030 ≤0.030 1.30~1.50 0.20~0.40 0.40~0.60 力学性能： 5CrNiMo钢在840℃淬火后450—600℃回火硬度HRC45—37，伸长率39% 5CrMnMo钢在850℃油淬后450—650℃回火伸长率8%—16%，强度极限1620 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 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 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。 图2 5CrNiMo钢奥氏体等温转变曲线CrNiMo热作模具钢的加工工艺流程图 退 火机械粗加工锻 造下 料 退 火 机械粗加工 锻 造 下 料 淬火、回火成型加工钳修、抛光 淬火、回火 成型加工 钳修、抛光 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。 ≤780出炉冷却 ≤780出炉冷却 840-860 840-860 空冷6 760-780 500空冷 6 150 500-600 5-6 510 150 油冷1504002-344-6 油冷 150 400 2-3 4 4-6 时 间/h 时 间/h 图 图4 5CrNiMo热作模具钢热处理全过程工艺曲线 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。5Cr Ni Mo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。 空冷 空冷 200℃ 12 9 5 520 860 650 时 间/h 图5 锻造工艺曲线CrNiMo钢的热加工工艺 项目 Ac1（Ar1） Ac3（Ar3） 加热温度 始锻温度 终锻温度 钢坯 730℃（620 780℃（- 1100～115 1050～11 800～880 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CrNiMo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 25 25-30℃ 炉冷 500℃ 4-6 4-6 680 760-780 时 间/h 图6 5CrNiMo等温球化退火工艺曲线 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。 出炉预 出炉预冷780 模具在150-200℃ 6 4-6 840-860 500-600 时 间/h 图7 5CrNiMo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2-3min/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— T=akd t: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 ≤ ≤20℃ ≤30℃ 空冷 510 油冷 150 2-3 2-3 400 150 时 间/h 图8 5CrNiMo回火工艺曲线CrNiMo热作模具钢的退火、淬火、回火热处理工艺理论 2.7.1 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 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 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150～22 由5CrNiMo模具钢临界淬透性曲线CrNiMo热作模具钢用油淬火可满足使用要求。 图9 5CrNiMo钢淬透性曲线CrNiMo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CrNiMo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/mm 2.8 5CrNiMo热作模具钢热处理的设备、仪表和工夹具选择 2.8 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低温井式电阻炉： 额定电压25KW,额定电压380V，额定温度650℃。 图12 RJ-25-6低温井式电阻炉 2.8 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、DF-1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：0-1300℃ 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。 2.8.3 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HRC34-40, 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500 500以上 350以下 350至500 500以上 维氏硬度(HV) 30 45 80 55 80 140 洛氏硬度(HRC) 35以下 35至50 50以上 35以下 35至50 50以上 4 4 4 7 7 7 布氏硬度(HBS) 330以下 330至450 330以下 330至450 30 40 50 70 肖氏硬度(HS) 50以下 50至70 70以上 50以下 50至70 70以上 4 5 6 7 9 11 4）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 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。 2.10.2 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13。 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。 图13 热应力随时间的变化 图14 组织应力随时间的变化 2.10.3锤锻模中 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

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