不同堆放方式的H13钢脉冲退火后的组织性能分析.docx
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不同堆放方式的H13钢脉冲退火后的组织性能分析
河南科技学院
2009届本科毕业论文
论文题目:
不同堆放方式的H13钢脉冲退火后的组织、性能分析
Differentwaysofstackingpulseannealedsteel3Cr2W8Vorganization,performanceanalysis
学生姓名：
商松
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
王焕琴
完成时间：
2009年6月1日
不同堆放方式的3Cr2W8V钢脉冲退火后的组织、性能分析
摘要
3Cr2W8V钢是一种用途广泛的钨系热作模具钢.采用电脉冲球化退火处理后在与普通球化退火相比较，其组织和性能上均有明显变化。
实验结果表明，电脉冲球化退火新工艺不仅能加快球化速度、降低加热温度、在缩短保温时间的同时，又能得到理想的理想的珠光体。
但是为了使新工艺尽快的应用于生产，还必须考虑到工件若在箱式电炉中加热时，堆放方式或位置不同时，是否对工件材料的组织和性能有影响呢？
这个问题即是我这次毕业设计要探讨和解决的核心问题。
经过对3Cr2W8v模具钢，不同堆放方式或放置的位置不同的脉冲退火实验后的金相组织和机械性能分析得知：
采用脉冲电流球化退火即会在炉内很快会产生一个均匀的磁场，促使炉内各处温度均匀一直，因此零件在炉内尽管堆放方式不同或放置的位置不同，但对每一个工件来说加热温度几乎都是相同的，所以对不同堆放的工件进行相同的脉冲电流球化退火工艺处理后，它们的金相组织几乎是相同的，其机械性能（硬度值）分析几乎差异不大均186～192HBS之间。
因此电脉冲球化退火，是一种非常理想的球化退火新工艺。
关键词：
3Cr2W8V钢，球化退火，碳化物，电脉冲处理
Differentwaysofstackingpulseannealedsteel3Cr2W8Vorganization,performanceanalysis
ABSTRACT3Cr2W8Vsteelisawidelyusedlineoftungstenhotdiesteel,thecarboncontentofabout0.3%,whichhadeutectoidsteel,thebasicorganizationandcarbidesorbite.3Cr2W8Vhotdiesteelstrength,hardness,wearresistanceandfatiguestrengthpropertiesandcarbides,suchasshape,sizeanddistribution,3Cr2W8Vsteelconventionalisothermalannealingisthefirstheatforsometime,andthencoldandthenair-cooledfurnace,annealedforglobularpearliteorganizationsandasmallamountofgranularcarbon,thehardness210HBSgetaround,buttheprocesscycleislonger,moreenergy-consuming,inefficient,anddifficulttoobtaininthesmallgrainsize,carbidedistribution,anduseofelectricalpulsesspheroidizing3Cr2W8Vsteeltreatedmoreobviouseffects,resultsshowthatthenewtechnologytoimprovethespeedoftheball,theballtimeandconventionalprocessingoftheballtimecomparedtosignificantlyreduce,andevensmallcarbideparticles,theballofeffectivehardnessappropriatethantheconventionalannealingtreatment,thehardnessoflowdistributionorganizations.
Keywords：
3Cr2W8Vsteel，spheroidizing，carbide;，electropulsing
目录
1绪论1
2探讨不同堆放方式脉冲球化退火的3Cr2W8V模具钢组织和性能分析2
2.1研究3Cr2W8V模具钢球化退火的主要目的2
2.23Cr2W8V模具钢的化学成分（%）表1所示：
2
2.33Cr2W8V模具钢的常规球化退化工艺5
3实验原理6
4实验准备3
4.1实验材料7
4.2实验仪器7
4.2.1与脉冲电场发生器连接的放置工件的装置8
4.2.2制作SXZ—25—12高温箱式电阻炉的炉门6
4.2.3预磨机6
4.2.4金相试验抛光机6
4.2.5金相显微镜6
4.3实验过程7
5工艺过程10
6金相显微试样的制备13
6.1金相显微试样的制备13
6.2金相试样制备14
7脉冲处理技术14
7.1电脉冲原理14
7.2脉冲电流对金属组织变形的影响14
7.3电脉冲对材料力学的影响13
8实验结果与分析15
8.1加热温度对钢组织性能的影响15
8.2加热温度对力学性能的影响16
8.3不同堆放方式球化退火后的金相组织比较….错误！
未定义书签。
结论21
谢辞20
参考文献23
1绪论
我国模具工业从开始到成熟发展，历经了半个多世纪，这些年，我国模具技术有了很大发展，模具水平也在日益提高。
大型、精密、复杂、高效和长寿命模具又踏上了新台阶。
大型复杂冲模以汽车覆盖件具为主要代表，正由于模具行业的技术进步，模具水平得以提高，模具国产化取得了丰硕的成就。
历年来进口模具不断增长的趋势有所控制，模具出口稳步上升。
衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志是模具生产技术水平的高低，因为模具在极大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的研制开发能力。
九十年代，我国模具工业逐步进人了快速发展的新时期，极大地促进了模具钢生产、应用技术的进步。
我国模具钢生产、应用的总体水平仍然处于较低水平，保存许多长期没有解决的问题。
国产模具钢绝大多数是电炉钢，钢的成分偏析大，纯净度低，碳化物级别偏高，疏松级别超标，模块的纵横向性能相差悬殊。
模具钢材料利用效率低，因为钢材中圆棒料占有超过80%的成分，模具设计、制造者不熟悉材料和热处理，热处理技术人员不熟悉模具工况条件，常常造成选材或热处理工艺不与模具相匹配。
此外，热处理工艺执行不严，热处理设备和工艺落后，操作不当造成模具变形、开裂，是普遍存在的。
调查表明，模具因选材和热处理不当造成早期失效者占70%左右。
从—般的碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、高速工具钢、不锈耐热钢直到适应特殊模具需要的马氏体时效钢以及粉末高速钢、粉末高合金模具钢等。
模具工业迅速发展。
模具工业的高要求，对模具材料的性能和使用寿命等提出了更高的要求。
模具材料方面，由于对模具寿命的重视，优质模具钢的应用有较大进展。
因此世界各国的模具钢生产企业及研发机构，不断开发模具钢新材料和采用新的生产技术，以适应模具工业的发展。
随着热处理技术的进步，人们对模具钢材料的性能有了越来越多，越来越高的要求，而提高材料性能，开发新的材料常常离不开新的工艺、新方法。
模具在的加工工艺路线中，退火热处理具有承上启下的作用，它能细化晶粒、均匀组织，降低钢的硬度，提高塑性，又能为最终热处理做好组织上的准备。
然而由于传统常使用的诸如普通球化退火、等温球化退火等方法，存在着生产周期长、加热温度高、保温时间长等问题，很难达到工模具钢理想的使用性能要求，往往给经济生产带来一定的影响。
经查阅资料发现，电脉冲处理技术正是这样一种新兴的工艺，目前采用脉冲电场对材料进行改性处理，已是国内外近年来尝试的一种新型热处理工艺。
如何通过电脉冲球化退火获得理想的球化体组织，在降低硬度，改善切削加工性能的同时，又能降业设计的主要目的为：
尝试采用正交实验法找出模具钢，理想的电脉冲球化退火的热低球化退火的加热温度、缩短保温时间，成为亟待解决的问题。
以此作为出发点，本次毕处理参数，以加快国内热处理技术的改革与发展很有必要。
3Cr2W8V钢含有较多的易形成碳化物的铬、钨元素，因此在高温下有较高的强度和硬度，在650℃时硬度达HB～300，但其韧性和塑性较差。
本次毕业设计以3Cr2W8V热作模具钢作为试验原材料,拟用在等温球化热处理工艺的基础上，加上电脉冲这一新型工艺,以期达到保证良好球状珠光体组织的同时，可以在降低硬度，改善切削加工性能和综合机械性能，又能降低球化退火的加热温度，并缩短模具钢球化退火的保温时间,提高热处理效率。
2探讨不同堆放方式脉冲球化退火的3Cr2W8V热模具钢组织和性能分析
2.1研究3Cr2W8V模具钢球化退火的主要目的
通过球化退火处理使3Cr2W8V热作模具钢组织中的碳化物以细小、球状的形态弥散分布在基体中。
但传统的球化退火工艺，由于加热温度高、保温时间长或工艺复杂，使球化退火工艺过程的效率大为降低。
因此采用一种加快碳化物球化速度，提高球化退火工艺效率的新方法，探讨一种在脉冲电场作用下对3Cr2W8V模具钢球化退化的新工艺，本次毕业设计主要是利用往届毕业生对3Cr2W8V模具钢正交实验的最优结果，与本次毕业设计的实验—探讨不同堆放方式脉冲球化退火的3Cr2W8V模具钢组织和性能分析的实验结果进行比较和分析，得出最优的实验结果。
2.23Cr2W8V模具钢的化学成分（%）表1所示：
表13Cr2W8V模具钢化学成分
材料
C％
Si％
Mn％
Cr％
P％
S％
3Cr2W8V
0.3-0.4
≤0.4
≤0.4
2.0-2.7
≤0.03
≤0.03
2.33Cr2W8V模具钢的常规球化退化工艺
由于本次试验设计是在普通球化退火的基础上加上电脉冲工艺来做的，所以必须对常规的工艺路线图了解清楚，在加脉冲的时候，注意缩短加热温度后的保温时间和等温保温时间。
以此为参考设计出电脉冲下的球化退火热处理新工艺路线图。
在传统热处理当中经常用的3Cr2W8V热作模具钢退火热处理工艺路线如图1所示。
图13Cr2W8V模具钢普通球化退化工艺路线图
3实验原理
退火是应用非常广泛的一种热处理。
在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火经常作为预先热处理工序，安排在铸造或锻造之后、切削（粗）加工之前，用以消除关一工序所带来的某些缺陷，为接下来的工序作准备。
例如在铸造或锻造等热加工以后，钢件中不但存在残余应力，而且组织粗大不均匀，成份也有偏析。
这样的钢件，机械性能低劣，淬火时也容易造成变形或开裂。
经过适当退火可使钢件的组织细化，成份均匀，应力消除，从而改善机械性能并为以后的淬火作好准备。
同时经过退火后还可以使钢件硬度达到170～250HBS左右，而且比较均匀，从而改善了钢件的切削性能。
根据钢的成份和工艺目的不同，退火操作可分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火等。
球化退火主要应用于过共析碳钢及合金工具钢（如制造刀具、量具、冷模具用钢等），一般情况下过共析钢的组织为层片状的珠光体秘网状的二次渗碳体组成，不仅珠光体本身较硬，而且由于网状渗碳体的存在，更增加了钢的硬度和脆性。
这不仅给切削带来困难，而且还会引起淬火时产生变形和开裂。
为克服这一点，在热加工之后必须安排一道球化退火工序，使网状二次渗碳体及珠光体中的层片状渗碳体都发生球化，变成球状（粒状）的渗碳体，即“球化体”。
其主要目的是为了降低硬度，改善切削加工性，细化均匀组织提高材料的力学性能，并为以后的淬火热处理做好准备。
球化退火是应用于过共析钢及合金工具钢的一种退火方法。
将钢加热到Ac1（20～30℃）然后缓冷下来。
随炉冷却到略低于Ar1（20～40℃）的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。
等温后随炉冷至550℃左右出炉空冷。
和普通球化退火相比，球化退火目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中（这种组织称为球化珠光体）。
球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。
4实验准备
4.1实验材料
根据老师的指导和自己认真的查找资料，统计资料表明，因选材和热处理工艺不当，造成模具早期失效的情况约占失效总数的70%。
因此，合理选材，正确制订热处理工艺，对于延长模具使用寿命起着关键作用。
综合考虑材料来源、价格等因素，。
最终在导师的审核通过的情况下，选用的试验材料是常用模具钢中的3Cr2W8V模具钢.3Cr2W8V模具钢有较高的含碳量，且加入少量Mo、V，因此在其他性能相当的情况下有较好的热加工性，较好的冲击韧性和较好的碳化物分布.
通过资料查出3Cr2W8V模具钢的临界温度Ac1（钢在加热时珠光体向奥氏体转变的实际温度线）的温度是820～830℃，Acm（钢在加热时渗碳体向奥氏体溶解的理论温度线）的温度1100℃。
Ar1（冷却时奥氏体向珠光体转变的实际温度线）的温度是790℃。
3Cr2W8V模具钢的临界温度表2。
表23Cr2W8V钢的临界温度
临界温度
Ac1
Acm
Ar1
温度（近似值）/℃
820～830
1100
790
本次实验所用的材料冷模具钢，是与老师研究后决定的，老师帮助我联系好购买材料的厂家，然后我利用周末的时间去厂家进行购买，到那之后，我与老师联系看看需要购买多大规格的材料试样，最后我们决定购买直径为Ф10mm×100mm的试样50根，其每根重量为0.070Kg.的3Cr2W8V模具钢试样。
由于一些原因原来实验室的设备上一些零件丢失，我在这次购买材料时，我还购买了以下材料：
铁丝、石棉、石棉板等
4.2实验仪器
考虑到热处理试验后还要对磨出材料的金相组织，除了捆绑工件的铁丝，钳子等工具之外，还要有进行粗磨时的各种型号的砂纸，抛光液，及40%的销酸侵蚀液和用来堵箱式电阻炉炉门的耐火材料板。
本试验选用主要的试验仪器设备有以下几种：
SXZ—25—12高温箱式电阻炉如图2所示
脉冲电场发生器，放大器及导线
HR—1500洛氏硬度测试机
预磨机和金相试验抛光机和金相显微镜
试验过程经过老师的指导选取脉冲电压为800伏，脉冲频率是50HZ，通电脉冲时间是20min。
.
图2箱式电阻炉示意图
4.2.1与脉冲电场发生器连接的放置工件的装置
在本次毕业设计的实验中，我做的题目中所用的脉冲发生器是大功率的，一个问题，怎么让脉冲发生器与这个装置在实验中进行连接，后来我采用了老师的意见，用两根铁丝作为连接装置焊接在放置工件的装置上。
4.2.2制作SXZ—25—12高温箱式电阻炉的炉门
由于原有炉门的保温性不太好，所以在这次毕业设计实验中，我的任务比较重，所有的实验所用的材料和设备上所需要补充的，我都要亲手去做，就说这个炉门吧，我用了快三天的时间才把它做出来，具体的步骤是这样的，我先把炉门的具体尺寸测量出来，然后按尺寸进行裁剪。
刚开始裁的时候尺寸把握的不到位裁坏几个，由于实验中要用到两个SXZ—25—12高温箱式电阻炉，所以必须做出两个完全配合的两个炉门，所用的材料是石棉，石棉中含有玻璃丝，不小心弄到身上会很难受的，这是必须注意的。
4.2.3预磨机
预磨机是一种湿式磨光机，它利用各种不同粒度的抗水砂纸，对各种金属及其合金的试样进行抛光。
采用本预磨机，除以机械磨光代替手工操作提高制备试样的效率以外，还能完全除去试样切割过程中产生的塑性变形和表面加热痕迹，供进一步抛光后进行组织的显微测定。
预磨机在工作时，将清水不断注入旋转的磨盘中，抗水砂纸在下面的水因离心力的作用被抛出盘外，砂纸在大气压的作用下可以自由地伸缩从而紧贴在磨盘上，因而无须将砂纸粘结或夹紧，使用及更换十分方便。
预磨机由铝铸件构成的底座、磨盘、和塑料压制的磨光罩及盖等基本部件组成，底座上安装有两个磨盘，可供两人同时操作。
4.2.4金相试验抛光机
金相试验抛光机适用于对经磨光后的金属材料进行抛光，可获得光亮如镜的金属表面，供在显微镜下观察与测定金相组织。
抛光机由焊接支架、工作台面、抛光盘、抛光织物、抛光罩及开关盒等基本元件组成。
工作台面上安装有两个抛光盘，可供两人同时操作，使用十分方便。
两台电动机都置于工作台面下部，通过固定片与台面连接。
固定抛光盘用的锥套通过螺钉与电动机轴相连。
抛光织物通过套圈紧固在抛光盘上，电动机的起停可分别由安装在开关盒上的开光进行控制，电机起动后，便可用手对试样施加压力在转动的抛光盘上进行抛光。
抛光过程中加入的抛光液可通过固定在台面上的塑料盘中的排水管排出。
抛光罩及盖可防止灰尘及其它杂物在机器不使用是落在抛光盘上而影响使用效果。
4.2.5金相显微镜
金相显微镜是主要用来观察金相组织的专业仪器，同时可以观察不透明物体表面的状态。
具有稳定性好、成像清晰、分辨率高、视场大而平坦的特点。
鉴别和分析各种金属和合金的组织结构，可以广泛地应用在工厂或实验室进行铸件质量的鉴定。
原材料的检验或原材料处理后金相组织的研究分析等工作。
4.3实验过程
球化退火时要综合考虑炉子大小，装炉量，工件尺寸等因素对试验误差的影响，有关手册中的经验公式可供参考。
退火冷却温度对碳化物形状基本影响不大，可是对碳化物的弥散程度；冷却速度大，其弥散程度也大。
一般生产中多选用20℃～50℃/h的冷却速度，冷却到500℃～600℃后出炉空冷。
将材料切割成Ф10mm×100mm的试样50根。
试验用设备为箱式加热电炉和脉冲电场发生器。
选取脉冲电压为800V，频率为50Hz。
将脉冲电场发生器金属导线按顺序分别连接在预先做好的放置工件的装置的金属铁丝上，并把工件试样按不同的堆放方式放入放置工件的装温2置中，然后连同工件和装置一并装入箱式加热炉内加热至（820℃）经5min后施加脉冲20min，保-3h,,等温后随炉冷至550℃左右出炉空冷。
然后按同样的加热方法实现施加脉冲电压不同时间的球化退火工艺，工艺曲线图如图4所示。
图33Cr2W8V模具钢脉冲球化退化工艺曲线图
本次实验的主要内容就是在不同的堆放方式下，3Cr2W8V模具钢脉冲球化退化的组织和性能分析，具体的堆放方式有以下几种：
一、单层平放；二、三层堆放；三、五层堆放。
具体的堆放方式如图3,4,5所示，在这里多层的堆放方式可以依次类推。
这只是堆放的要求不同，堆放方式的不同将对在退火处理方面金属材料的组织有一定的影响。
5工艺过程
本次实验是用SXZ—25—12高温箱式电阻炉进行实验的，在进行实验之前的
图3单层平放
图4三层堆放
图5五层堆放
工件的堆放方式
图63Cr2W8V模具钢热处理流程图
把所有的前序工序都的做好，比如工件的制备，电阻炉炉门的制作等等。
在进行实验前还的检查电路是否接好？
电路是否通电等一些问题，等这些问题都解决了，我就开始做实验，首先把工件放入到预先做好的装置中，然后把装好工件的装置放入到电阻炉内，接好电路，打开电源进行加热，并加热至820℃后，通入脉冲电场，时间为20min，随炉冷却至550℃后出炉空冷，接下来就是对试样进行组织和硬度的观察和测试，流程如图6所示。
现在我就对试样的组织观察和硬度的测试做以下陈述。
我先把试样的表面在预磨机把进行预磨，磨好后再用金相试验抛光机进行抛光，接下就是在金相显微镜观察试样的组织，还要用HR—1500洛氏硬度测试机进行硬度测试，看看试样的硬度是否在规定的硬度值内。
所有的工艺内容就这些，因为实验是多次才能完成的，然后按照同样的加热方法施加不同时间的脉冲电压球化退火工艺。
6金相显微试样的制备
利用金相显微镜，把专门制备的碳钢试样放大100～1500倍后进行观察，以研究内部组织和缺陷的方法，称为金相显微分析法。
金相显微镜下所观察到的金相组织，称为“显微组织”（或“金相组织”）。
金相显微分析可以显示金属材料内部的组织特征，测定金属晶粒的大小，鉴定金属中的非金属夹杂物，测定化学热处理渗层的深度，因此它是研究金属材料最基本的实验技术。
6.1金相显微试样的制备
金相显微分析时，要在金相显微镜下观察到所研究的金属材料的组织，必须将其制成专门的“金相显微试样”。
金相显微试样的制备过程包括：
取样、镶样、磨光、抛光、侵蚀等工序。
6.1.1侵蚀
钢铁材料常用的侵蚀剂为3～4%硝酸酒精溶液或4%苦味酸酒精沉沦。
侵蚀时间应适当，时间太短则侵蚀不足，组织不能充分显示；时间过长，则试样表面过于发暗，组织也显示不清。
侵蚀后应立即用清水冲洗，用吹风机吹干。
这样制的金相试样即可在显微镜下进行观察。
试样侵蚀后之所以能显示内部的组织，主要是侵蚀剂与试样表面之间产生了化学溶解作用及电化学作用。
对于两相或两相以上的合金来说，侵蚀主要是一个电化学腐蚀过程。
合金中的两个组成相具有不同的电极电位，在侵蚀剂中两相之间就形成了无数对“微电池”，具有较高正点位的相成为阴极，在正常电化学作用下不受侵蚀，保持原有的光滑平面；具有较高负电位的相成为阳极，而易迅速溶入侵蚀剂中，因此使试样表面呈凸凹不平。
当光线照射到此凸凹不平的表面时，由于各处光线反射的程度不同，在显微镜下就能观察到不同的组织和相。
6.2金相试样制备
用以上正交分析找出来的两种最优工艺方案，再用两根试样按工艺曲线图再做两次电脉冲球化退火试验。
把做好的试样按以下工艺路线进行金属试样制备，金相试样制备：
取样→预磨（280#600#→1000#）→抛光→水冲→侵蚀→水冲→吸干观察。
7脉冲处理技术
7.1电脉冲原理
利用LC振荡电路原理，先用高压电源对一组电容器进行充电，将电容器与一个电感线圈及处理室的电极相连，电容器放电时产生的高频指数脉冲衰减波即加在两个电极上形成高压脉冲电场。
按最简单的理解来说就是利用特定的高频高压变压器得到持续的高压脉冲电场。
7.2脉冲电流对金属组织变形的影响
20世纪90年代以来，人们开始研究脉冲电流对金属材料超塑性的影响。
具有超塑性的金属材料的晶粒是等轴的，当受到外来拉力时，晶粒沿等轴晶界滑移，使金属材料具有超常的塑性。
脉冲电流作用于合金的过程中，脉冲电流促进原子扩散,引起应力松弛，协调了晶界滑动，使空洞的形成和长大得到抑制。
施加脉冲电流使晶内运动位错数量及阻力增加，导致流变应力增大。
同时由于脉冲电流增大原子扩散速度，使晶界处位错的攀移速度增加，降低晶界处的应力集中，抑制晶界处空洞的形成和长大，避免了试样过早断裂。
电脉冲处理技术在材料研究领域的应用与电迁移理论的发展密切相关[1]。
金属中的电迁移（Electromigration）或电输运（Electrotransport）现象早在19世纪就已经被发现，但是关于电流对金属材料组织和性能影响的研究直到近一个世纪之后才系统地开展起来。
实验研究发现，电脉冲能够对金属材料的组织转变和性能产生诸多影响，脉冲电流处理可以使材料局部发生动
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