冷冲压模具及热处理工艺方案设计.docx

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冷冲压模具及热处理工艺方案设计

冷冲压模具及热处理工艺

方案设计

摘要

从当今世界范围的模具材料发展来看，无论是材料的品格、规格，或是材料的质量和数量，都可以基本满足现代模具工业的需要。

但对于一个具体的模具零件而言，欲从众多模具材料中挑选出最能满足其使用性能要求的材料，并制定出与该性能要求相匹配的合理的热处理方案，则不是一件容易的事。

冷作模具材料目前我国常用的冷作模具钢大致分为四大类：

碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金。

尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具通常用碳素工具钢制作；模具寿命不高、尺寸大、形状复杂；轻负荷的冷作模具一般用低合金工具钢：

尺寸大、形状复杂；重负荷的冷作模具需采用中合金或高合金工具钢；受冲击负荷且模刃单薄的冷作模具一般选用高韧性模具钢；尺寸精度要求高、寿命长的模具则要选择粉末高速钢、硬质合金等高档材料。

市场流通仍以传统的老材料为主，新型的冷作模具钢，如DS、GD、CH、LD、GM、ER5、65Nb、012Al、LM2、RM2等20几个品牌应用等不普遍！

作为课题研究，要了解冷冲压模具钢的热处理工艺，应选用成熟普遍的钢种来实践。

关键词：

冷冲压模具；模具材料：

热处理工艺。

目录

第一章前言……………………………………………………………………4

1.1本课题内容概述………………………………………………………………5

1.2.1课题研究的目的和意义…………………………………………………5

1.2.2课题的研究内容…………………………………………………………5

1.3论文的组织结构…………………………………………………………………5

第二章实验方案………………………………………………………………5

2.1原材料的选择……………………………………………………………………6

2.1.1概述…………………………………………………………………………7

2.1.2冷冲压模具特点……………………………………………………………7

2.1.3冷冲压模具主要损坏形式…………………………………………………7

2.1.4冲头材料的性能要求………………………………………………………7

2.1.5材料的选用…………………………………………………………………7

2.2加热设备的选择…………………………………………………………………9

2.2.1热处理设备概论……………………………………………………………9

2.2.2电阻炉的选择………………………………………………………………9

2.3本课题的研究方案……………………………………………………………10

2.3.1本课题研究过程总述……………………………………………………10

2.3.2实验设备…………………………………………………………………10

2.3.3实验材料…………………………………………………………………10

2.3.4实验步骤…………………………………………………………………10

第三章热处理工艺……………………………………………………………11

3.1原始组织………………………………………………………………………11

3.29SiCr钢淬火……………………………………………………………………11

3.39SiCr钢回火……………………………………………………………………13

第四章实验结果分析………………………………………………………14

4.1金相组织分析……………………………………………………………14

4.29SiCr钢失效分析…………………………………………………………15

第五章结论……………………………………………………………………15

参考文献…………………………………………………………………………16

致谢…………………………………………………………………………17

第一章、前言

1、前言

1.2课题的研究目的和意义

本课题主要研究冷冲压模具冲头热处理工艺的的设计，即为了达到工件所要求的性能，而采取正确的热处理工艺。

常用的的热处理工艺主要有正火，球化退火退火，淬火，回火。

同一种材料，经过不同的热处理工艺可以获得不同的性能和组织，且性能上会有较大的差别。

本课题的目的在于了解各种热处理工艺的优缺点，最终根据材料确定一个最适合的热处理工艺。

在了解热处理工艺的作用的前提下，利用其使原材料性能得到显著提升。

这对于我国冷作模具的改进有重要意义，在现代工业中的应用前途一片光明，所以搞好这样的课题研究也是对社会的一种贡献！

1.2.1本课题研究的内容概述

该课题主要内容是拟采用直径为50mm,长50mm的棒状9SiCr钢试样，进行热处理，然后打磨试样，观察金相组织。

并结合硬度实验来获取9SiCr钢达到机械性能，物理性能，工艺性能等，从而得到最适宜的热处理工艺的目的。

本文研究内容主要包括以下几个部分：

（1）原材料的选择，主要根据冷作模具冲头的性能要求选择合适的原材料。

（2）观察原材料的组织，磨制金相，分析材料组织。

（3）最终热处理工艺。

主要从原材料的性能和相图出发确定热处理方法。

（4）检验试样的性能，测试样的硬度。

（5）观察热处理后的组织，磨制金相，分析组织结。

1.2.2论文的组织结构

第一章前言部分，介绍了课题的研究目的和意义，确定了课题的研究内容。

第二章试验方案。

第三章热处理工艺。

第四章实验结果分析。

第五章结论。

第二章、实验方案

本试验的内容包括原材料选择、金相制样、热处理过程的试验方案和研究方法，以及试样的性能测试和组织分析手段。

热处理过程是试验的关键步骤，直接影响到最终结果的好坏。

主要包括以下几个部分：

（1）原材料的选择，主要是根据螺栓的性能要求选择合适的原材料。

（2）观察原材料的组织，磨制金相，分析材料组织。

（3）最终热处理工艺。

主要从原材料的性能和相图出发确定热处理方法。

（4）检验试样的性能，测试样的硬度。

（5）观察热处理后的组织，磨制金相，分析组织结构。

2模具选材

2.l模具选材的意义

随着市场经济的迅猛发展和材料加工新技术新方法的不断采用，产品更新换代速度加快，对成型模具的数量和质量也在增加，模具材料的正确选择与合理使用己经制约商精度、长寿命、商效率模具制造的瓶颈之一。

目前国内外通常按用途将模具材料分为三大类：

冷作模具材料、热作模具材料和塑料成型模具材料。

目前，这兰大类模具材料仍以黑色金属及其合金为主。

合理的选择模具材料具有重要意义，首先，由模具在现代工业生产中的重要作用决定；其次，合理选材也是保证模具寿命、提商材料利用率的基本要求之一。

模具材料的选择是指：

针对其体的模具零件。

在相应的模其材料中选择出一、两个较为理想或合适的材料的过程。

一般说来，模具零件的选材要求所选材料满足：

（1）使用性能足够——根据工作条件，失效形式、寿命要求、可靠性的高低等提出材料的强度、硬度、塑性、韧性等使用性能要求，其中应考虑尺寸效应及主要的、关链的性能指标。

（2）工艺性能良好——跟据制造工艺程及方法不同，保证所选材料具有良好的工艺性能，首先是能将模具零件制造出来。

（3）供成上能保证——所选材料应考虑地方资源与市场供应情况，尽量少用进口材料，并且品材规格应尽鬟少而集中，以便于采购和管理。

（4）经济往合理——要求所选材料，生产过程简单、成晶率高、成本低。

也就是业界提出的“满足制品要求，发挥树料潜力，经济技术合理”原则。

2.1.1概述

9SiCr钢是低合金刃具用钢，但也常常制作冷作模具零件，效果很好。

它比铬钢（Cr2或9Cr2）有更高的淬透性和淬硬性并且有较高的回火稳定性。

适合分级淬火或等温淬火。

2.1.2冷冲压模具的特点

对于冲压模具，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，钢材的耐磨性取决于碳化物等硬质点相的状况和基体的硬度，两者的硬度越高，碳化物的数量越多，则耐磨性越好。

2.1.3冷冲压模具主要损坏形式

冲头是冷冲压模具中主要的受力零件，它在工作过程中受载情况和主要损坏形式，主要有以下两种类型：

（1）受冲击载荷：

冲头在冲孔时，与板材直接撞击，会导致冲头表面发生变形或压溃。

（2）受弯曲载荷：

如遇到形状不平的板材，冲头在冲击时，心部由于承受弯曲载荷，容易发生断裂等失效。

2.1.4冷冲压模具材料的性能和组织要求

为了获得优异的强韧性和耐磨性，要求冷作模具钢和模具组织具备下列特点：

（1）要求淬火-回火后的组织中有一定数量的剩余碳化物，分布要均匀，形态要圆整，尺寸要细小。

（2）马氏体针要均匀，细小，要提高马氏体中板条马氏体的份额。

（3）对于莱氏体钢，改善共晶碳化物形态、粒度、分布，是提高其强人性的关键。

2.1.5材料的选用

2.1.5.1冲裁模具材料的选用及热处理要求

选用冲裁模具材料应考虑工件生产的批量，若批量不大就没有必要选择高寿命的模具材料；还应考虑被冲工件的材质，不同材质适用的模具材料亦有所不同。

对于冲裁模具，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，钢材的耐磨性取决于碳化物等硬质点相的状况和基体的硬度，两者的硬度越高，碳化物的数量越多，则耐磨性越好。

常用冲压模具钢材耐磨性的劣优依次为碳素工具钢—合金工具钢—基体钢—高碳高铬钢—高速钢—钢结硬质合金—硬质合金。

此外还必须考虑工件的厚度、形状、尺寸大小、精度要求等因素对模具材料选择的影响。

1）.厚板冲裁模

厚板冲裁模承受的冲压力高于薄板冲模，为重载冲裁模，易磨损、崩刃和断裂，所以要求模具材料应具有高的耐磨性和强韧性。

传统模具用钢传统的重载冲裁模具钢种主要有T8A、Cr12MoV、W18Cr4V、

W6Mo5Cr4V2等。

其中T8A为碳素工具钢，虽然淬透性、韧性比T10A钢有所改善，但易残存网状碳化物、热硬性差，只能用于工件批量较小的中厚冲裁模。

T8A工具钢的热处理工艺为：

790~820℃水或油淬，160~180℃回火，硬度58~61HRC。

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2为高速工具钢，具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，但韧性较低，工作时有可能产生崩刃或断裂，而且价格较贵。

建议采用低温淬火、快速加温淬火等工艺措施来改善其韧性。

对于工件批量较大的厚板冲裁模，可以用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢做凸模，Cr12MoV钢做凹模。

W18Cr4V钢的推荐热处理工艺：

1220~1250℃淬火；550~570℃回火3次。

W6Mo5Cr4V2钢的推荐热处理工艺：

1160~1200℃淬火：

550~570℃回火3次。

9SiCr合金工具钢可用于制造形状复杂、变形小、耐磨性高、低速切削的工具，如钻头、螺纹工具、铰刀、板牙、丝锥、搓丝板和滚丝轮等。

（塑料模具钢时，可用于顶出杆，制造尺寸家大，形状复杂和精度要求高的塑料膜。

1）锻后退火：

790-810（100/h）保温，冷至600（30/h）出炉空冷，HB200-240。

等温退火与上述温度相同，在冷至720时等温一段时间后出炉空冷。

（2）正火：

900-920保温，空冷,HB320-410。

（3）调质：

880-900油淬，回火680-700空冷或炉冷,HB200-240。

　850~875℃淬火硬度63~64HRC：

180-200℃回火HRC60-62避免回火脆。

2.2加热设备的选择

2.2.1热处理设备概论

在机械制造过程中热处理占重要地位，它对保证产品质量，提高机器工作效能和延长机器使用寿命都起着重要的作用，任何一种热处理工艺，只有通过相应的设备才能实现。

目前，热处理设备的种类已十分繁多，根据它们在热处理生产过程中所完成的任务，通常将热处理设备分为主要设备和辅助设备两大类。

威力增加产量、提高质量和改善劳动条件，推行流水生产和自动化生产，又组合成了许多综合热处理设备——热处理联合机。

主要设备是完成主要热处理工序所用的设备，包括加热设备和冷却设备。

这类设备对热处理效果和产品质量起到决定性的作用，两者之间又以加热设备为主要，包括各种热处理炉和加热设备。

辅助设备是完成各种辅助工序及主要工序中的辅助动作所用的设备及各种工夹具。

主要包括清洗设备、校正设备、起重运输设备、控制气氛设备及各种工夹具等。

热处理炉是最主要的热处理设备。

为了便于选择使用和分析比较，常依一下几种特征进行分类：

（1）按热能来源分类：

电阻炉、燃烧炉。

（2）按工作温度分类：

低温炉（≤650℃）、中温炉（650～1000℃）、高温炉（>1000℃）。

（3）按炉膛介质分类：

自然介质炉、浴炉、可控气氛炉、真空炉。

（4）按作业规程分类：

周期作业炉、连续作业炉。

2.2.2电阻炉的选择

热处理电阻炉的基本工作原理，是电流通过电热元件是由于电流的热效应而产生热能，借辐射或对流作用，将热量传至加热工件表面，使工件加热。

热处理电阻炉又可分为箱式电阻炉和井式电阻炉。

热处理燃烧炉的基本工作原理：

是通过燃料在燃烧室燃烧后，进入炉膛内，借辐射、对流或传导的作用加热工件。

热处理燃烧炉可分为：

固体燃烧炉、液体燃烧炉和气体燃烧炉。

热处理电阻炉与燃料炉相比，具有结构简单、体积小、操作方便、炉温分布均匀以及温度控制准确等特点，在热处理生产上得到了十分广泛的应用。

因此选用电阻炉，又因为加热小型零件，所以最终选用中温箱式电阻炉作为此次的热处理设备。

2.3本课题的研究方案

2.3.1本课题研究过程总述

该课题主要内容是拟采用直径为50mm,长50mm的棒状9SiCr钢试样，进行热处理，然后打磨试样，观察金相组织。

并结合硬度实验来获取9SiCr钢达到机械性能，物理性能，工艺性能等，从而得到最适宜的热处理工艺的目的。

2.3.2实验设备

中温箱式电阻炉、砂纸（粗细总共4种）、玻璃、砂轮机、抛光机、金相显微镜、吹风机、洛氏硬度机。

2.3.3实验材料

Φ50*50mm的9SiCr钢试样、油、4%的硝酸酒精溶液、三氧化二铬、细铁丝、无水乙醇。

2.3.4实验步骤

（1）观察试样原组织。

将试样在砂轮机上磨倒角，然后金相制样，观察金相，得到试样金相组织形貌图，测硬度。

（2）将试样在800℃预热5min。

（3）将试样在950℃保温后淬火，然后油冷。

磨制金相，观察金相，得到试样金相组织形貌图，测硬度。

（4）将淬火后的工件进行低温回火处理（180-200℃），金相制样，观察金相组织，得到试样金相组织形貌图，测硬度。

第三章、热处理工艺

3.1原始组织

9SiCr钢试样的市场供应状态为热轧状态，就相当于9SiCr钢的退火处理。

将该试样在砂轮机和砂纸上进行打磨，根据砂纸粒度的不同从粗到细依次打磨，打磨的时候用力要均匀，换砂纸的标准是试样上的划痕全为一个方向，试样在砂纸上打磨好后，在抛光机上抛光，抛光完成后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，观察组织。

所得到的室温金相组织形貌图如图2-1所示。

图2-1退火态9sicr金相组织图

试样：

9sicr钢；状态：

退火状态；放大倍数：

500倍；腐蚀剂：

4%硝酸酒精；组织：

粒状珠光体+渗碳体；硬度：

229HBS；

3.29SiCr钢的等温淬火

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）+残余奥氏体+剩余碳化物，转变的热处理工艺。

钢的淬火是热处理工艺中最重要的也是最普遍的工序。

淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度，淬火后为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧度的配合，需要配以不同温度的回火，所以淬火和回火是不可分割的、紧密联系的两种热处理工艺。

下面主要讨论钢的淬火情况：

淬火温度：

9SiCr钢为过共析钢，淬火温度应该为Accm+（50～100℃），最终取加热温度为870℃。

淬火加热时间：

根据淬火加热时间经验公式可得τ=α*κ*D（单位为分钟）。

α为加热系数，试样为碳钢，在800～1000℃箱式炉中加热，直径小于50mm，所以α取1.0～1.2。

κ为装炉量修正系数，根据装炉量κ取1.0。

D为工件的有效厚度，圆柱体试样的有效厚度取工件直径，所以D取8mm。

综上所述τ=α*κ*D=1.2*1.0*8=9.6分钟≈10分钟。

淬火介质：

冷却是淬火的关键工序，它关系到淬火质量的好坏，同时冷却也是淬火当中最容易出问题的的一道工序。

淬火技术的高低，主要以冷却操作的优劣来体现。

一般的淬火都需要快速冷却。

快速冷却是为了防止过冷奥氏体在Ms点以上发生任何分解。

根据连续冷却C曲线可知，过冷奥氏体在大约650～400℃之间分解最快，因此，只需要在这一温度区间内快冷，而在这以上和以下的温度区间内，并不要求快冷。

在Ms点以下反而希望冷却缓慢些，以防止淬火变形和开裂。

所以，钢在淬火时，最理想的冷却方式，就是对冷却介质的要求。

根据淬火介质的冷却特性，可分为两大类：

第一类、各种水质淬火剂和油质淬火剂；冷却曲线是先慢后快又变慢。

第二类、各种低温盐浴、碱浴、金属浴等；当工件淬入这类介质后，由于工件和介质间温差很大，很快达到最高的冷却速度，而随着温差的减小，冷却速度及迅速减小。

由9SiCr钢的性能特征可知：

9SiCr钢强度较高，韧性较好；水淬是且有裂纹形成倾向。

水淬和油淬相比：

油的冷却能力比水小，但有的冷却特性比水好的多。

所以最终选择油做淬火介质。

淬火方式：

钢的淬火方式有4种，单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等，选择等温淬火。

将热处理炉加热到870℃，把试样放入炉中加热，在170~300℃保温30分钟，取出油淬。

再对淬完火的试样，经打磨、抛光，并用4%的硝酸酒精腐蚀，观察组织。

所得到的室温金相组织形貌图如图2-2所示。

9SiCr钢870℃的淬火金相组织

试样：

9SiCr钢

状态：

870℃淬火状态

放大倍数：

500倍

冷却介质：

油

腐蚀剂：

4%硝酸酒精

加热设备：

中温箱式电阻炉

组织：

下贝氏体+马氏体+残余奥氏体+剩余碳化物

硬度：

63~64HRC

说明：

白色块状物为马氏体，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状，伴大块的黑色的为残余奥氏体，及下贝氏体弥散的碳化物。

3.39SiCr钢的回火

将淬火后的工件加热到低于（A1）临界温度的某一温度，保温一定时间，然后以适当的冷却方式冷至室温的工艺，即为回火。

回火是紧接淬火的一道热处理工序。

除某些特殊情况外，钢在淬火以后都要进行回火。

回火决定着钢在使用状态的组织和性能，因此，回火是很关键的工序。

回火不足还可以再次回火，但一旦回火过度，就使前功尽弃，必须重新淬火才可以。

回火过程有：

低温回火、中温回火、高温回火，根据9SiCr要得到的组织：

粒状（碳化物+回火马氏体+残余奥氏体），所以选择低温回火（180~200℃）。

回火温度：

低温回火，温度范围为180～200℃之间，最终确定200℃回火。

回火时间：

根据回火保温时间参数表，回火类型为低温回火，加热炉为空气炉，工件有效厚度<25mm，所以最终选择保温时间τ=50分钟。

回火冷却：

选择空冷。

将热处理炉加热到200℃，把试样放入炉中，保温60分钟，取出空冷。

对试样打磨、抛光，并用4%的硝酸酒精腐蚀，观察组织。

得金相组织图2—3：

9SiCr钢在200℃回火金相组织图

试样：

9SiCr钢

状态：

200℃低温回火

放大倍数：

500倍

冷却介质：

空气

加热设备：

高温电阻炉

腐蚀剂：

4%硝酸酒精

组织：

粒状（碳化物+回火马氏体+残余奥氏体）

硬度：

60HRC

第四章实验结果分析

实验结果分析主要有：

不同热处理方式所得到的组织和失效形式分析。

4.1金相组织分析

9SiCr钢正常加热温度一般在850~875℃,在Ms点170℃左右，中温转变比较稳定。

因此，可以油冷淬火，也可以分级淬火或等温淬火，以减少淬火变形和开裂，淬火硬度可以达到63~64HRC。

如果淬火温度过低，黑区面积大，以隐针板条马氏体为主。

但黑区不如GCr15钢清晰，马氏体针长按ZBJ36003—87《工具热处理金相检验标准》按图对比，来确定马氏体针长的等级和晶粒度等级，此时的马氏体针长小于1级，晶粒度为10级。

为了得到其贝氏体体积分数为30%，我们选择870℃等温淬火，组织为中白区较大，有细小马氏体，马氏体针长为3几晶粒度为8级，硬度为65HRC，淬火温度达到极限。

当加热温度达到900℃时，淬火组织为过热组织，组织全为针状马氏体，马氏体针长大于4级，残余奥氏体体积分数达到10%左右，剩余碳化物已很少，晶粒度达到6~7级。

9SiCr钢回火温度一般选择180~400℃，其中210~275℃之间有回火脆性，850~870℃加热油冷淬火、170~200℃之间回火，抗拉强度有极大值，可达到2640MPa。

若回火温度在225℃附近回火，则析出的细小碳化物开始不均匀集聚，致使力学性能全面下降。

4.2失效分析

（1）表面脱碳9SiCr钢有脱碳敏感性。

当表面脱碳到碳的质量分数为0.6~0.8%时，脱碳层高倍组织中，还可以看到剩余碳化物，但数量比正常组织少。

当表面脱碳到碳的质量分数为0.4~0.6%时，淬火后的黑白区组织变成交叉分布的针状马氏体组织，所以在鉴定表面是否脱碳时，必须把表面针状特征显现出来，不能只根据色彩变化来下结论。

（2）碳化物偏析9SiCr钢中的碳化物分布一般比较均匀、细小的，但是如果冶金质量太差，也有可能出现例外情况。

如模具在840度加热，油冷淬火、200度回火，模具在热处理过程中开裂，断口呈氧化色。

查因为；心部碳化物呈明显的带状偏析，并有大块碳化物液析。

第五章结论

结论：

本次实验通过对9SiCr钢进行不同的热处理，得到了不同的组织，性能也有很大差异。

在实验的设计过程中，我对热处理方面的知识有了进一步的了解，并结合实际设计出了一套可行的实验方案。

实验过程中我尽量完全按照实验方案操作，以便获得更准确的实验结果。

在操作过程中通过不断的尝试我也发现了很多问题。

在氧化介质中，钢进行长时间加热，表面就会脱碳，表面上全由单一的铁素体组成。

工件在热处理过程中脱碳是重要缺陷之一，要观察组织需将脱碳层去掉。

钢在加热时形成粗大奥氏体晶粒的现象为过热。

过热的钢淬火得到粗大的马氏体组织，淬火时易造成工件变形，甚至开裂，而且冲击韧性也低。

过热的钢一般可以采取用重新加热的方法来补救。

在实验进行热处理时，注意冷却的及时性，冷去速回对实验结果有影响。

在磨金相是，不同的砂纸型号打磨时用力的程度是不同的，以免产生划痕。

抛光也不能用太大劲，腐蚀要注意腐蚀速度，腐蚀严重或腐蚀太轻都无法观察金相组织，要严格控制腐蚀程度。

当然实验也不是很容易成功，会有很多因素影响实验结果，尽量做得仔细会避免很多错误。

在今后的学习中，我将加强自己的动手实践能力，以实验这种更直观的方式去深入研究金属材料，以使自己成为一名专业知识过硬的材料学子。

参考文献

【1】蔡美良主编，《新编工模具钢金相热处理》[M]机械工业出版社

【2】中国机械工程学会热处理专业学会《热处理手册》编委会编，《热处理手册第2版第二卷典型零件的热处理》[M]，机械工业出版社，1991年

【3】热处理设备及设计编写组，《热处理设备及设计》[M]，山东人民出版社，1977年

【4】夏立芳编，《金属热处理工艺学修订版》[M]，哈尔滨工业大学出版社，2008年

【5】张玉庭主编，《热处理技师手册》[M]，机械工业出版社，2005年

【6】范逸明主编，《简明金属热处理工手册