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材料工艺学课程设计
材料工艺学课程设计（论文）
题目：
Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模球化退火-淬火-回火工艺设计
院（系）：
专业班级：
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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）：
材料科学与工程学院 教研室：
材料科学与工程
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模球化退火-淬火-回火热处理工艺设计
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，概述相关工件的热处理工艺，进行工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Cr12MoV电动机硅钢片冲裁模球化退火-淬火-回火热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述电动机硅钢片冲裁模热处理质量检验项目、内容及要求；阐明电动机硅钢片冲裁模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.电动机硅钢片冲裁模材料的选择（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Cr12MoV的C曲线；
3.给出Cr12MoV电动机硅钢片冲裁模冷热加工工艺流程图；
4.制定Cr12MoV电动机硅钢片冲裁模球化退火-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
目录
1Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件热处理工艺概述1
2Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件的热处理工艺设计2
2.1Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件的服役条件、失效形式2
2.2Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件技术要求及工件示意图2
2.3电动机硅钢片冲裁模工件的材料选择3
2.4电动机硅钢片冲裁模工件Cr12MoV钢的C曲线4
2.5电动机硅钢片冲裁模工件的加工工艺流程图5
2.6Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件的退火-淬火-回火热处理工艺5
2.7Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件的退火、淬火、回火热处理工艺理论8
2.8Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件热处理的设备、仪表和工夹具选择9
2.9电动机硅钢片冲裁模工件的热处理质量检验项目、内容及要求10
2.10电动机硅钢片冲裁模工件的热处理常见缺陷的预防及补救方法11
3热处理工艺卡13
3.1Cr12MoV钢球化退火工艺卡13
3.2Cr12MoV钢淬火工艺卡14
3.1Cr12MoV钢回火工艺卡15
4参考文献16
1Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件热处理工艺概述
冷冲模具，多为安装在压力机上的，对放置在内的板料在室温下施加变形力，使其产生变形，从而获得一定形状,尺寸和性能的产品零件的特殊专用工具。
冷冲模在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分，特别是刃口受到强烈的摩擦和挤压，所以模具应有高的硬度，强度和耐磨性，另外模具反复承受很大的压冲击力，要求具有较好的韧性。
所以常选用Cr12MoV钢作冷冲模，Cr12MoV钢属于高耐磨微变形冷作模具钢，其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度，仅次于高速钢，是冷冲裁模、冷镦模等冷作模具的重要材料。
Cr12MoV钢是高碳合金钢，锻轧和锻造成毛坯后，先以球化退火作为预先热处理，加热温度一般为Ac1以上20～50℃，保留较多的未溶碳化物粒子或较大的奥氏体中的碳浓度分布不均匀性，促进球状碳化物的形成。
球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化，以使奥氏体进行共析转变时，以未溶渗碳体粒子为核心形成粒状渗碳体。
球化退火后再进行淬火加回火作为最终热处理，淬火时钢加热到Ac1以上两相区时，组织中会保留少量二次渗碳体，而有利于钢的硬度和耐磨性，而且，由于降低了奥氏体中的碳质量分数，可以改变马氏体的形态，从而降低马氏体的脆性。
冷作模具淬火后一般不直接使用，必须进行回火。
这是因为淬火后得到的是性能很脆的马氏体组织，并存在内应力，容易产生变形和开裂。
进行回火，可以消除内应力并获得所需求的组织和性能。
根据冷冲压模具的服役条件，失效形式及性能要求，本设计选择的冷冲压模具材料为Cr12MoV冷冲压模具钢；在设计退火-淬火-回火热处理工艺中，本设计借鉴了《冷冲压模具结构》《热处理工程师手册》《钢的热处理》《模具钢手册》等工具书。
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Cr12MoV冷冲压模具钢除具有零件尺寸稳定、精度较高、互换性好的特点，还能保证各部位尺寸差异不大，易于控制变形，从而满足模具的质量要求。
（论文）
2Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件的热处理工艺设计
2.1Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件的服役条件、失效形式
2.1.1服役条件
冷冲模在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分，特别是刃口受到强烈的摩擦和挤压，所以模具应有高的硬度，强度和耐磨性，另外模具反复承受很大的压冲击力，要求具有较好的韧性。
2.1.2失效形式
1）磨损磨损过程可分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶段
（1）初期磨损阶段
模具刃口与板料相碰时接触面积很小，刃口的单位压力很大，造成了刃口端面的塑性变形，一般称为塌陷磨损，其磨损速度较快。
（2）正常磨损阶段
当初期磨损达到一定程度后，刃口部位的单位压力逐渐减轻，同时刃口表面因应力集中产生应变硬化。
这时，刃口和被加工坯料之间的摩擦磨损成为主要磨损形式。
（3）急剧磨损阶段
刃口经长期工作以后，经受了频繁冲压会产生疲劳磨损，表面出现了损坏剥落。
此时进入了急剧磨损阶段，磨损加剧，刃口呈现疲劳破坏，模具已无法正常工作。
2）崩刃凸模退出板料时，需要有一定的卸料力将板料从凸模上卸下，卸料力与作用在凸模上的其它压应力不同，是唯一的拉应力，使凸模在反复拉、压应力的作用下产生疲劳磨损，产生崩刃。
3）堆塌冷冲过程中，模具在使用中由于工作载荷大、模具硬度偏低而发生型面变形，冲头由于材料抗压或抗弯强度不足而出现镦粗、下陷、弯曲变形失去原有的几何形状而报废
2.2Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件技术要求及工件示意图
2.2.1技术要求
硅钢片冲孔模具属于冷作模具钢，要求刃口具有足够的强度和韧性，较高的耐磨性，尺寸稳定性，无裂纹，无脱碳。
硬度：
HRC60~62 。
金相组织：
回火马氏体+碳化物+少量的残留奥氏体。
冲模寿命：
6万片/次
2.2.2工件示意图
单位：
mm
图1硅钢片冷冲模凹模示意图
2.3电动机硅钢片冲裁模工件的材料选择
为了满足要求也就是说要求硬度，强度和韧性都较好，减少以上发生的失效，延长模具寿命，以降低生产成本经综合考虑选择Cr12MoV，其主要化学成分表1所示。
表1Cr12MoV钢的化学成分（GB/T1299—2000）W/%
C
Si
Mn
Cr
S
P
1.45～1.70
≤0.40
≤0.40
11.0～12.5
≤0.030
≤0.030
Cr12MoV钢是目前国内广泛使用的冷作模具钢之一也是国际上较广泛采用的模具钢，属莱氏体钢。
Cr12MoV钢是一种高碳、高铬的莱氏体钢，具有大量的游离碳化物。
在退火状态其碳化物可多达28%，在淬火、回火状态其游离碳化物也多达21%。
钢中的Cr大部分形成碳化物，只有极少部分固溶于基体中。
Cr12MoV钢中碳化物为M7C3型碳化物，维氏硬度为2100HV，因此其耐磨性较好。
冲压性能高，淬透性好。
在使用该钢制造的冷冲模，如果冲压操作正确，韧性不成为模具的关键，而耐磨性直接决定模具的寿命。
Cr12MoV属于高耐磨微变形冷作模具钢,其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度，仅次于高速钢，是冷冲裁模、冷镦模等冷作模具的重要材料，由于加入了适量的Mo和V，碳化物不均匀有所改善。
Mo能减轻碳化物偏析并提高淬透性，V能细化晶粒。
Cr12MoV在300～400℃时仍可保持良好硬度和耐磨性，韧性也高，淬火时体积变化最小。
可用来制造形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具。
其消耗量在冷作模具钢中居于首位，该钢强度、硬度高,耐磨性好，常用于制作那些承受重负荷、生产批量大、形状复杂的冷作模具，如冷冲、压印、冷镦、冷挤压模、冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板等。
经分析该钢种经合理的热处理后可完全满足模具要求，故选用其作为加工该模具的材料。
表2Cr12MoV钢临界温度
Ac1
Acm
Ar1
Ms
810℃
1200℃
760℃
185℃
2.4电动机硅钢片冲裁模工件Cr12MoV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，“C”右移
图2Cr12MoV钢奥氏体等温转变曲线（奥氏体化温度980℃）
2.5电动机硅钢片冲裁模工件的加工工艺流程图
通过查看模具生产的技术资料知,该模具的加工工艺路线为：
图3工艺流程图
2.6Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件的退火-淬火-回火热处理工艺
2.6.1锻造工艺曲线
制造硅钢片冷冲模具的毛坯要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，以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
温度T/℃
图4Cr12MoV钢热处理全过程工艺曲线
查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出Cr12MoV钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表3所示。
表3Cr12MoV钢的热加锻造工艺规范
项目
加热温度/℃
开始温度/℃
终止温度/℃
冷 却
钢锭
1100～1150
1050~1100
850~900
缓冷（砂冷或坑冷）
钢坯
1050~1100
1000~1050
850~900
缓冷（砂冷或坑冷）
2.6.2球化退火工艺曲线
硅钢片冷冲模属于高碳钢。
高碳钢的预先热处理是球化退火，目的是降低硬度，改善锻造组织和切削加性能，为最终热处理作组织准备。
先将工件以100℃/h的加热速度加热到860℃保温3h，然后冷却至740℃再保温5h,最后随炉以30℃/h速度进行冷却至500℃，最后出炉在空气中冷却至室温。
图6Cr12MoV等温球化退火工艺曲线
2.6.3淬火工艺曲线
本设计采用等温淬火。
先将工件以100℃/h的加热速度加热到850℃预热10min然后，加热到淬火温度1060℃保温10min，以达到完全奥氏体化，然后用油冷却到500℃，最后放入空气中冷却至室温。
时间t∕min
图7Cr12MoV淬火工艺曲线
2.6.3低温回火工艺曲线
对于硅钢片冷冲模来说，为提高硬度，稳定尺寸，减少磨裂倾向和挺高寿命在淬火后，进行回火处理。
先将工件放入加热炉中随炉加热到520℃保温1h，然后进行深冷处理，用液氮加酒精将工件冷却至-80℃保持1h,然后立即再次进行回火加热到520℃保温1h，最后空冷。
图8Cr12MoV回火工艺曲线
2.7Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件的退火、淬火、回火热处理工艺理论
2.7.1退火原理
退火温度：
Cr12MoV钢是高碳钢，球化退火时，加热温度为Ac1温度810℃以上20～50℃，加热温度定为860℃。
等温温度：
Cr12MoV钢等温温度应在Ar1760℃以下且在730～750℃之间，以获得粒状珠光体+共晶碳化物组织，故选定等温温度为740℃。
加热时间：
Cr12MoV钢球化退火时间一般不低于2h，介于2～4h之间，故选定为3h。
保温时间：
球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化，以使奥氏体进行共析转变时，以未溶渗碳体粒子为核心形成粒状渗碳体，因此保温时间不得少于4h。
2.7.2淬火工艺原理
预热温度：
Cr12MoV钢中合金元素较多导热性差，为了防止在淬火温度下因保温时间长，模具表面出现氧化，脱碳缺陷，需先采用在850℃预热。
预热时间：
由于工件50mm厚，而选定的盐浴炉加热系数为0.18～0.20min/mm，
T=ab=0.20*50=10min（其中T—快速加热时间min；a——快速加热时间系数min/mm；d——工件的有效直径或厚度mm）
加热温度：
Cr12MoV钢淬火温度应在Ac1810℃～Acm1200℃之间，又根据加热温度对工件硬度和工件晶粒大小两者曲线图，综合考虑选择加热温度为1060℃。
保温时间：
同预热时间确定方法相同，均为10min。
冷却方式：
Cr12MoV钢合金元素较多为防止淬裂，根据该钢的C曲线的特点，即在珠光休转变区和贝氏体转变区域之间有较宽的温度和高稳定性，采用在Ms点以上的分级淬火，采用油冷至油温然后排油空冷。
2.7.3回火工艺原理
回火温度：
为了获得热硬性和高耐磨性，对Cr12MoV钢采用二次硬化热处理法，故在高温下回火，故回火温度选定为520℃
回火时间：
对于高温回火的工件，回火时间是指均匀透烧所用的时间，可按下列经验公式计算：
t=aD+b=50*1.0+10=60min
式中t—回火保温时间min；a—加热系数1.0～1.5min/mm
b—附加时间，一般为10～20分钟；D—工件有效尺寸mm；
深冷处理：
用冷处理可以减少回火次数，淬火后把工件冷却到-80℃左右，能使大部分残
留奥氏体转变为马氏体，可提高钢的强韧性和寿命。
二次回火：
深冷处理后要立即进行回火，回火温度，保温时间同一次回火一致，以消除
内应力和使冷处理后保留下来的大部分残留奥氏体发生转变。
2.8Cr12MoV钢电动机硅钢片冲裁模工件热处理的设备、仪表和工夹具选择
2.8.1设备
加热炉为主要的设备，按工作介质分：
空气炉、盐浴炉、保护气氛炉等。
但考虑到硅钢片冷冲模形状复杂，若采用电阻炉容易导致受热不均匀，且硅钢片冷冲模含碳量高容易被氧化，所以综合考虑选用盐浴炉，其加热快，加热介质可以流进形状复杂处，使工件受热均匀，加热效果好。
2.8.2仪表
热处理中温度是一个很重要的参数，实现精确的测量与控制，对提高热处理质量十分重要。
2.8.3工夹具
电动机硅钢片冲裁模的特点是厚度与直径相比显得薄，淬火时内孔易涨大，除了用等温淬火来消除淬火易造成缺陷外，应采用夹具使淬火加热时受热均匀。
H形淬火吊具
2.9电动机硅钢片冲裁模工件的热处理质量检验项目、内容及要求
1）变形检查电动机硅钢片冲裁模在热处理过程中加热、冷却，并随有相变发生，所以会产生变形，如弯曲或翘曲变形超过图纸技术或工艺要求范围，必须校正。
2）外观检查表面淬火后不能出现过烧、熔化、裂纹等缺陷。
硬度合格后应进行发黑处理，处理后的颜色为棕色或棕黑色。
3）硬度检查为保证电动机硅钢片冲裁模热处理后达到技术或工艺要求，待检件选取应有代表性，通常从热处理后的工件中选取能反映工件的工作部位或工件的工作部位硬度的其他部位，对每一个待检件的正时试验点数一般应不少于3个点。
用洛氏硬度准确测量HRA再换算成HRC。
4）金相组织检查电动机硅钢片冲裁模球化退火后应该为珠光体2～5级，网状碳化物＜3级。
按GB∕T1299—2000评定。
回火后的金相组织为：
马氏体+残余奥氏体+碳化物。
组织检验应注意残余奥氏体和针状碳化物，都按国家标准评定。
2.10电动机硅钢片冲裁模工件的热处理常见缺陷的预防及补救方法
2.10.1电动机硅钢片冲裁模球化退火的缺陷及其预防、补救
电动机硅钢片冲裁模球化退火后易产生组织缺陷为球化不良、组织中有网状组织、黑脆。
（1）球化不良
由于设备温度误差大或者退火温度设计不合理导致退火温度过高或过低，等温退火时间短，造成球化退火组织不均或球化不良。
预防措施，可调节温度范围或者改用精度更高的设备。
改进锻造工艺，来消除原材料中链状碳化物及碳化物的不均匀性。
（2）网状组织
主要是由于加热温度过高，冷却速度过慢造成的。
由于网状组织会降低钢的力学性能，特别是网状渗碳体，在后续淬火中难以消除。
补救措施是采用正火来消除。
（3）黑脆
退火后硬度很高，但脆性很大，一折就断，断口呈灰黑色。
原因是退火温度过高，保温时间过长，冷却缓慢，导致珠光体转变按更稳定的铁碳平衡相图进行。
预防措施，按照Cr12MoV钢球化退火规范参数进行，根据实际环境情况进行调整。
2.10.2电动机硅钢片冲裁模淬火的缺陷及其预防、补救
电动机硅钢片冲裁模球化退火后易产生组织缺陷为变形开裂，过烧，软点等。
（1）变形开裂
淬火过程中由于不同部分受热不均造成热应力或者由于冷却过快导致马氏体转变过快造成大量组织应力导致工件变形开裂。
预防措施，改善工件加热时的放置状态，选用更合理的夹具使工件受热更均匀，采用冷速更慢的淬火介质，淬火前采用前期热处理改善碳化物偏析，减小碳化物颗粒。
（2）过烧
由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部融化，造成工件报废。
预防措施，控制加热温度的误差范围，根据设备实际温度误差等调节加热温度。
（3）软点
由于盐浴中存在难溶杂质在淬火加热时沾到工件表面造成受热不均，没有达到该有的加热温度，导致淬火后此处硬度不足。
预防措施，严格控制加热介质的清洁度。
2.10.3电动机硅钢片冲裁模回火的缺陷及其预防、补救
常见的回火缺陷有硬度过高或过低，硬度不均匀，以及回火变脆，回火后工件变形等。
（1）硬度过高或过低
主要由于回火温度过低、过高或炉温不均匀所造成。
回火后硬度过高还可能由于回火时间过短，导致碳化物没有足够时间分布均匀。
预防措施，可调节回火温度，选用更合适的加热炉使炉内温度分布更均匀，同时调节回火时间，保证碳化物有足够时间在钢中高度弥散分布。
（2）硬度不均匀
主要是炉温不均匀，还可能是由于装炉方式不对，使工件局部回火温度不够等。
预防措施，可换用更合适的加热设备，改变装炉量和改变工件在加热炉中的放置位置。
（3）回火变脆
没有考虑回火脆性温度范围或者由于加热炉设备温度误差导致工件在回火脆性温度范围加热回火后冷却速度不够所致。
预防措施，选用正确的回火温度和冷却方式。
（4）回火后工件变形
由于回火前工件内应力不平衡，回火时应力松弛或产生应力重分布所致。
预防措施，避免回火后变形，或采用多次校直多次加热，或采用压具回火。
3热处理工艺卡
3.1Cr12MoV钢球化退火工艺卡
热处理工艺卡
零件名称
电动机硅钢片冲裁模
材料
Cr12MoV
热处理类型
球化退火
热处理硬度
≤241HBW
工艺设计
孙文
加热温度℃
860
加热速度℃/h
100℃∕h
审核
保温时间
5h
冷却速度℃/h
30℃∕h
日期
3.2Cr12MoV钢淬火工艺卡
热处理工艺卡
零件名称
电动机硅钢片冲裁模
材料
Cr12MoV
热处理类型
淬火
热处理硬度
60～62HRC
工艺设计
孙文
加热温度℃
1060
加热速度℃/h
100℃∕h
审核
保温时间
10min
冷却速度℃/h
40℃/s
日期
3.1Cr12MoV钢回火工艺卡
热处理工艺卡
零件名称
电动机硅钢片冲裁模
材料
Cr12MoV
热处理类型
回火
热处理硬度
59～61HRC
工艺设计
孙文
加热温度℃
520
加热速度℃/h
100℃∕h
审核
保温时间
1h
冷却速度℃/h
12℃/s
日期
4参考文献
[1]王广生.热处理手册.第4版.第2卷.北京:
机械工业出版社，2008,1.
[2]张玉庭.热处理技师手册.北京:
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