低合金刃具钢9Mn2V的热处理工艺设计.docx
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低合金刃具钢9Mn2V的热处理工艺设计
攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题目：
低合金刃具钢9Mn2V的热处理工艺设计
学生姓名：
学号：
所在院（系）：
材料工程学院
专业：
级材料成型及控制工程
班级：
材料成型及控制工程
指导教师：
职称：
讲师
2013年12月18日
攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目
低合金刃具钢9Mn2V的热处理工艺设计
1、课程设计的目的
使学生了解、设计低合金刃具钢9Mn2V的热处理工艺，融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。
2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）
内容：
①明确设计任务（包括设计的技术要求）
②给出设计方案（包括工作条件、失效形式、性能要求、低合金刃具钢材料）
③写出设计说明（加工工艺流程、具体热处理工艺）
④设计质量检验项目
⑤设计热处理工艺卡片
⑥低合金刃具钢9Mn2V的热处理缺陷及预防或补救措施
要求：
①通过热处理后的9Mn2V钢要求具有高硬度，高强度，高耐磨性，适当的韧性和高的淬透性。
②通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。
③分析热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。
④提交设计说明书（报告），2千字以上。
报告格式请参照“毕业论文（设计）”格式。
3、主要参考文献
①夏立芳主编.金属热处理工艺学.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2005
②中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版.
③张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版
④中国机械工程学会热处理学会．热处理手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第三版
4、课程设计工作进度计划
第16周：
对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。
第17周：
撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。
指导教师（签字）
日期
年月日
教研室意见：
年月日
学生（签字）：
接受任务时间：
年月日
注：
任务书由指导教师填写。
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5
具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5
符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
摘要
本课设计了低合金刃具钢9Mn2V的热处理工艺设计。
低合金冷作模具钢俗称油淬钢，主要是GB1299标准中的低合金工具钢，用于非合金工具钢淬透性不足，模具零件淬硬层浅或淬火变形较大的情况下取代非合金工具钢的场合。
当这一类钢含Mn或Si的量偏低，或模具零件尺寸较大时，必须水淬，否则达不到预期效果。
因此，模具零件形状复杂、淬火开裂危险性较大时，不宜采用这一类钢，低合金冷作模具钢的热处理（淬火回火）原则上与非合金工具钢基本相同低合金刃具钢的预先热处理与碳素合金钢相同，也可进行正火﹑退火﹑调质及去应力退火。
9Mn2V钢是一种综合力学性能比碳素工具钢好的低合金工具钢，它具有较高的硬度和耐磨性。
9Mn2V钢是不含cr、Ni的经济型低合金冷作模具钢，相当于德国的90MnV8（DIN）。
热处理工艺性良好，变形开裂倾向小，在100℃左右的热油中淬火效果更好。
但是，淬透性、淬硬性、回火抗力、强度、磨裂倾向等均不如CrVMn系的钢种好。
关键词：
低合金刃具钢，球化退火，淬火，回火
1设计任务
1.1设计任务
低合金刃具钢9Mn2V的热处理工艺设计
1.2设计的技术要求
低合金刃具钢9Mn2V是一种油冷硬化型冷作磨具钢，具有一些裂纹敏感性，锻造加热时不宜迅速加热。
还具有中等程度的脱碳敏感性，加热时应采取防护措施。
当钢锭有严重偏析时，应在开坯时进行均匀化处理，在室式炉加热时最好在650～700℃进行预热，钢锭开坯时允许最高加热温度是1150℃，大于1吨的钢锭，可适当提高10～20℃，由坯成材时加热温度应低些，一般不超过1130℃，终锻温度在开坯时应大于850℃，而成材时应大于800℃。
模具企业依据需要改锻为模块时可参照成材时的锻造参数进行。
锻造应严格执行变形工艺，尤其不要在低于停锻温度下锻造，避免造成裂纹，只有形状小而简单的锻件可以空冷外，其余均应立即在热砂里缓冷。
经锻造缓冷后的坯件均必须在高于Acl以上的温度下通过加热退火处理，来获得满意的退火组织和硬度，钢的退火工艺见表20-2，采用等温退火法能获得比较满意的结果，但生产周期长，成本高，在生产中只能有特别要求时才应用。
如为消除网状碳化物（Cm）组织，除采用高温正火方法外，当网状碳化物（Cm）组织轻微时，也可适当提高温度（10～20℃）的退火处理，但应注意冷速要缓慢，保温时间一般为2～4h。
9Mn2V的下临界点Ac1为720°C，普通退火温度750~770°C，等温退火的等温温度680~710°C，等温时间4~5h，退火后的硬度185~229HB。
3.淬火9Mn2V的Acm点温度为760°C，Ms=125°C，常用淬火温度780~800°C，油冷淬火，淬火后的硬度大致在61~64HRC范围。
2设计方案
2.19Mn2V钢热处理工艺设计的分析
2.1.1工作条件
由于9Mn2V钢是一种综合力学性能比碳素工具钢好的低合金工具钢，是合金工具钢中惟一不含Ni、Cr元素的经济型钢种，适于制造各种精密量具、样板，也用于一般要求的尺寸比较小的冲模及冷压模、雕刻模、落料模等。
2.1.2失效形式
冷作模具的常见失效形式冷作模具的失效形式，主要有过载失效、磨损失效、咬合失效和多冲疲劳失效四种。
①过载失效这是由于模具零件材料及其热处理后本身存在能力不足以抵抗工作载荷作用而引起的失效。
当模具零件韧性不足时，易产生脆断或开裂；当强度不足时，易产生塑性变形而失效。
例如，冷挤压模和冷镦模等易产生这种过载失效。
②磨损失效这是一种由于模具工作部位与被加工材料之间的摩擦磨损，导致工作部位尺寸和形状精度超差而引起的失效。
例如，要求精度较高的冷挤压模和冷冲裁模等易产生这种失效。
③咬合失效模具工作部分与被加工材料在高压力摩擦作用下，润滑膜破裂而发生咬合，即被加工材料“冷焊”到模具零件表面上，引起两者表面质量精度超差而导致的失效。
例如，拉深模、冷挤压模和弯曲模等易产生这种失效。
④多冲疲劳失效冷作模具多数以一定的冲击速度和能量反复作用于被加工材料上。
在交变载荷作用下，达到一定的冲击次数（多发生在1000～5000次）后，模具零件萌生微小裂纹（疲劳源），裂纹不断扩展后发生断裂而导致失效。
例如，重载的冷挤压模和冷镦冲头等易产生这种失效。
2.1.3性能要求
①模具的耐磨性
冷作模具在工作时，表面与坯料之间产生许多次摩擦，模具必须在这种情况下仍能保持较低的表面粗糙度值和较高的尺寸精度，以防早期失效。
由于模具材料的硬度和组织是影响模具耐磨性能的重要因素，因此为了提高冷作模具的抗磨性能，通常要求模具硬度高于加工件硬度30％～50％，材料的组织为回火马氏体或下贝氏体，其上分布均匀、细小的粒状碳化物。
要达此目的，钢中碳的质量分数一般都在0．60％以上。
②模具的韧性
模具材料的韧性，要根据模具工作条件来决定，对于受强烈冲击载荷的模
具，如冷作模具的凸模、冷镦模具等，因受冲击载荷较大，需要高的韧性；对于一般工作条件下的冷作模具，通常受到的是小能量多次冲击载荷的作用，模具的失效形式是疲劳断裂，因此模具不必具有过高的冲击韧度值。
③模具的强度
模具的强度即指模具零件在工作过程中抵抗变形和断裂的能力。
强度指标是冷作模具设计和材料选择的重要依据，主要包括：
拉伸屈服点、压缩屈服点等。
屈服点是衡量模具零件塑性变形抗力的指标，也是最常用的强度指标。
为了获得高的强度，在模具制造过程中，要选择合适的模具材料，并通过适当的热处理工艺来达到要求。
④模具的抗疲劳性能
冷作模具通常是在交变载荷的作用下发生疲劳破坏的，因此为了提高模具使用寿命，需要有较高的抗疲劳性能。
导致模具疲劳失效的因素有：
钢中带状和网状碳化物、粗大晶粒；模具表面有微小刀痕、凹槽及截面尺寸变化过大和表面脱碳等。
⑤模具的抗咬合性
当冲压材料与模具表面接触时，在高压摩擦下润滑油膜被破坏，此时被冲压件金属“冷焊”在模具型腔表面形成金属瘤，从而在成形工件表面划出道痕。
咬合抗力就是对发生“冷焊”的抵抗力。
影响咬合抗力的主要因素是成形材料的性质，如镍基合金、奥氏体不锈钢、精密合金等有较强的咬合倾向。
模具材料及润滑条件也对抗咬合性有较大的影响。
2.2钢种材料
低合金刃具钢9Mn2V是利用我国丰富的锰、钒资源研制出来的不含铬的冷作模具钢。
其中锰的质量分数高达1．70％一2．00％，主要是为了提高钢的淬透性。
加热时，锰的碳化物（Fe，Mn），C易于溶解，晶粒易于长大，增加了钢材的过热敏感性。
加入钒可以起到抑制晶粒长大的作用，细微的VC质点能有效地细化晶粒，也能抑制二次碳化物网的析出，所以即使大尺寸的工件，中心碳化物网一般仍小于2级。
总的来说，碳化物量比CrWMn钢要少，但颗粒度较大，因此耐磨性不及CrWMn钢，但仍比T10钢的耐磨性要高6—7倍。
碳化物不均匀性一般较好，是最容易锻造和机械加工的工模具钢。
锰有促进树枝状偏析的倾向，轧制成材后有时出现呈骨骼状分布的碳化物堆集，是促成工模具开裂失效的内在因素，但毕竟出现的几率不是很高的。
3设计说明
3.1加工工艺流程
低合金刃具钢9Mn2V的热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程:
下料→锻造→球化→退火→机械加工→淬火→回火→精磨→成品检验。
9M2V钢属于高碳钢，其成分如下表3.1.
表3.19Mn2V钢的化学成分（质量分数，%）
C
Si
Mn
V
0.85～0.95
≤40
1.70～2.00
0.10～0.25
成分分析：
9Mn2V模具钢中含有一定量的钒，细化了晶粒，减小了过热敏感性,具有较高的硬度和耐磨性，淬透性很好，淬火时变形较小9Mn2V钢的淬透性接近9SiCr钢，低于CrMn钢；回火稳定性甚差，几乎与碳素工具钢相近,总的来说，碳化物量比CrMn钢要少，但颗粒度较大，因此耐磨性不及CrMn钢，但仍比T10钢的耐磨性要高6～7倍。
碳化物不均匀性一般较好，是最容易锻造和机械加工的工模具钢。
3.2具体热处理
刃具的热处理是确定其组织、性能及使用寿命的关键。
热处理工艺包括机捌加工前的正火和退火及加工成形后的淬火和回火。
正火是为了改善刃具的原材料组织，如去除网状碳化物和细化组织等；退火是用于调整晶粒度，使碳化物球化、消除应力及改善切削加工性能，为以后热处理作好组织准备。
低合金刃具钢一般为过共析钢，锻轧和锻造成毛坯后，都要经过球化退火的热处理，以达到消除锻造应力、降低硬度、便于切削加工的目的，并提供了良好的碳化物球化组织。
球化组织的硬度和强度较片状组织低，有利于切削加工，且能够获得比较光洁的表面。
球化组织与片状组织相比，它的淬火温度范围比较广，不容易过热，淬火变形及开裂倾向较小，淬火后的组织比较均匀。
在实际的生产中，有的采用调质处理球化处理的方法，温度在Ac。
以上，主要应用于改善工具被加工表面的粗糙程度。
淬火目的是使钢具有在回火马氏体基体上均匀分布细粒状的碳化物组织，来提高刃具的强度、硬度和耐磨性，从而提高刃具的使用寿命。
淬火后的刃具应该立即进行回火，以消除淬火应力，并提高塑性和韧度。
为了保持高的强度、高的硬度和高的耐磨性，应当采取低温回火。
回火温度主要是依据钢种和硬度要求而
定，同时还要依据刃具的性能要求及淬火情况调整回火温度。
要根据刃具的不同性能要求，选取不同的回火温度。
如采用等温淬火或是淬火硬度偏低的应采用下限温度回火。
在选取回火温度时，应该注意避开回火脆性区，常用钢的回火脆性温度如下：
9Mn2V钢为190℃～230℃。
在低温回火过程中，马氏体分解，残余奥氏体部分转变，使淬火钢的内应力降低了很多，钢的脆性也降低了，塑性和韧度提高了，从而使钢获得较好的综合力学性能。
3.2.1预备热处理工艺
为了改善冷作模具钢原材料和锻轧毛坯的质量，为切削加工和最终热处理奠定良好的组织基础，其预备热处理包括：
正火、退火和调质处理等。
①正火
冷作模具钢的正火，旨在消除碳素工具钢和合金工具钢的碳化物网和细化珠光体组织，以及有利于提高淬火的硬化层深度和减少变形、防止开裂等。
②去应力退火
冷作模具钢的去应力退火，旨在消除淬火或精加工前的残留应力，以便避免淬火裂纹和减少变形。
图3.29Mn2V钢去应力退火工艺曲线
③球化退火冷作模具钢的球化退化，旨在得到有利于金属切削加工所需要的组织和性能，并为淬火作好组织准备
④调质处理冷作模具钢的调质处理，旨在获得索氏体和消除碳化物网及残留应力，改善组织结构，提高切削加工表面质量以及减少淬火变形和预防淬火裂纹等。
冷作模具钢的调质处理，即经过常规加热淬火后在640～680℃进行高温回火。
调质处理后硬度一般≤229HBW：
为了降低表面粗糙度值，应处理成28～32HRC
3.2.2最终热处理工艺
冷作模具零件的最终热处理，旨在赋予各种模具所要求的使用性能和寿命。
主要包括各种方法的淬火、回火和冷处理以及化学热处理等表面强化技术。
①淬火工艺
常用冷作模具的淬火工艺规范和加热系数。
模具淬火处理时的脱碳、氧化﹑内应力及组织不均匀性顿磨损﹑开裂﹑疲劳强度及抗咬合性能有显著影响。
对要求耐磨或随后进行电加工的模具，应采用上限的加热温度和保温时间系数；对要求强韧性的模具可采用下限的加热温度和保温时间系数。
-
图3.39Mn2V淬火工艺曲线
②回火
冷作模具的回火，应按模具图样规定的技术要求（材料和硬度等）、淬火方法及淬火后的硬度等，参照表6．20确定其具体工艺参数。
值得指出的是，不得在各种钢产生低温回火脆性的温度范围内进行回火对于精度高的钢制模具，为提高硬度，稳定尺寸，提高使用寿命，在淬火后可用干冰+酒精冷却剂或液氮冷却剂的冷处理。
图3.4回火温度曲线
3.2.3质量检验
经过上述各种热处理后9Mn2V钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。
从以下方面检验其质量如何：
①外观检验
a.模具表面不得有磕碰、划伤、烧毁及严重的氧化、脱碳、麻点、腐蚀及锈蚀现象。
b.表面不得有各种裂纹，必要时用磁力，渗透等探伤手段检查。
c.淬火、回火后模具必须清洗干净、孔、槽不得有各种盐溃、油腻等附着物。
d.火焰淬火模具表面应无烧熔、氧化、裂纹等缺陷。
②变形检查
a.凸凹模具零件热处理后变形量不得超过规定磨量的2/3。
b.模具热处理后允许变形范围及中心孔距允许变形范围可参考表3.5。
表3.5模具允许变形量
工件单位名义尺寸（mm）
允许变形量（mm）
碳素工具钢
低合金工具钢
高合金工具钢
≤50
-0.05
±0.03
±0.02
50-120
-0.10
±0.006
+0.02
-0.04
121-200
-0.15
+0.05
-0.15
+0.03
-0.06
210-300
-0.02
+0.06
-0.15
+0.04
-0.08
模具各种孔中心距变形率（%）
±0.10
±0.06
±0.04
③硬度检查
a.模具毛坯退火后硬度要求：
碳素工具钢180-207HB；低合金工具钢207-241HB；中高合金工具钢217-255HB。
b.凸凹模具零件淬火后应100%进行硬度检查，批量大者应40%硬度检查，60%用锉刀检查。
c.冲裁类冷冲模具在离刃口5mm以内硬度必须达到设计要求，不得有软点；
冷镦、冷挤、拉伸及压弯类模具，主要受力工作面及R处硬度必须达到设计要求。
d.碳素工具钢小凸模尾部固定部分应控制在30-40HRC，其余部分淬硬必须达到设计要求。
e.火焰表面淬火的大型模具，工作面硬度应不低于规定值上限，一般不允许有回火带及低硬区。
可用里氏硬度仪对大型火焰淬火模面进行硬度分布差异测定。
结构及形状复杂者允许有≤20mm低硬度区，但硬度值不低于10HRC。
④金相组织检验
模具毛坯退火后其金相组织要求如表3.6。
表3.6模具毛坯退火组织要求
钢号
珠光体等级
网状碳化物等级
带状碳化物等级
碳素工具钢
4-6
≤3
-
低合金工具钢
2-4
≤2
≤4
高合金工具钢
1-3
≤2
≤3
a.碳素工具钢退火后的珠光体组织按GB1298-77第一级别评定；网状碳化物按GB1298-77第二级别评定。
合金工具钢退火后的珠光体组织按GB1299-77第二级别图（3）评定。
轴承钢退火后的珠光体组织为2-5级（按YB9-68第六级别评定），网状碳化物应≤3级（按YB9-68第六级别图评定）。
高速工具钢和Cr12型钢退火后应检查共晶碳化物不均匀度（可根据锻件标准图片企业标准或上海工具厂标准评定）。
b.淬火后马氏体等级按《JB2406-79，工具钢热处理金相检验标准》第十、第九级别图评定，要求碳素工具钢≤3级，高碳合金工具钢≤2级，中合金工具钢≤4级
49Mn2V钢的热处理缺陷及预防或补救措施
低合金刃具钢9Mn2V热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题。
在此，便列举一些9Mn2V钢的热处理缺陷及预防或补救措施：
①由于原材料中存在比较严重的骨骼状碳化物偏析带，退火时片状珠光体未能全部球化，淬火后该地区形成粗针马氏体组织，产生较大的淬火应力，与组织不均匀引起的附加应力相叠加．最终使工件淬火开裂。
采用双细化工艺，可以改善碳化物的分布，防止开裂，提高工件使用寿命。
②过热过烧组织在实际生产中，对9Mn2V钢的过热敏感性常常缺乏足够的重视，因此工件屡屡过热。
把握好它的淬火性，适当加高或减低淬火温度。
③工艺操作不当出现材料淬火软点。
可以通过改进其操作工艺流程是产品质量得到提升。
④球化组织粗大不均，球化不完善，组织中有网状和链状碳化物。
可以改进锻造工艺或采用正火预备热处理消除。
⑤淬火过热或过烧，淬火组织粗大化。
可以通过正确制定淬火工艺，严格控制淬火温度和加热时间进行预防。
⑥硬度低或不均。
通过彻底消除模具表面的氧化皮并保证有良好的预备热处理组织进行预防。
5结束语
这次低合金刃具钢9Mn2V热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了其流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。
9Mn2V钢一般适于制造要求变形小，形状较复杂尺寸较小，轻载荷的冷冲模、冷压模、雕刻模、弯曲、落料模等。
前段时间在没有认真学习金属学时，我觉得这个课程设计很难。
金属学都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。
在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计低合金刃具钢9Mn2V热处理工艺设计能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。
同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：
在这次的热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。
6热处理工艺卡片
工艺名称：
9Mn2V钢热处理
热处理工艺卡
处理要求：
下料、预备热处理（正火﹑去应力退火﹑球化退火、调质）﹑淬火﹑回火、
热处理技术要求：
恰当控制温度和时间
硬度：
大于等于62.0~180HBW
材料：
9Mn2V钢
工序号
名称
设备
工具
装料
工艺规范
冷却
备注
工具数量
一工具装数量/
件
温度/℃
加热时间
保温时/h间
合计
介质
温度/℃
1
正火
860~880
--
--
--
2
去应力退火
630~650
1~2h
3
球化退火
750~770
3h
2h
4
调质
5
淬火
760～780
6
回火
150~180
7
8
9
10
更该日期
更改
单号
更改
标准
更改者
参考文献
[1]XX百科
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[8]林约利,程芝苏.简明金属热处理手册（第二版）[M].上海,上海科技出版社.2003,3.
[9]夏立芳主编.金属热处理工艺学.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2005
[10]中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版.
[11]张玉庭主
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