金属材料热处理课程设计说明书凹模.docx
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金属材料热处理课程设计说明书凹模
1前言
热处理工艺课程设计是学生对热处理工艺的基础知识、原理及方法的综合应用及全面训练，进一步提高学生技能，达到本学科基本要求的重要教学环节。
通过课程设计，可以培养学生初步的设计思想、分析问题和解决问题的能力，了解设计的一般方法和步骤；初步培养学生的设计基本技能和对工程技术问题的严肃认真和负责的态度。
热处理工艺课程设计可以增强同学对基础知识的理解，通过《金属热处理工艺学》、《固态相变原理》学科的学习，学生掌握了一些常用材料的组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够让同学们更好地理解材料成分、组织、结构和性能它们相互之间的内在联系；通过本课程设计之后，我们对所学习过的知识有一个系统的、健全的结构把握，能够有效地训练学生的逻辑思维能力，分析问题和解决问题的能力；课程设计有利于学生严谨治学的培养，虽然与工程实际有一定的距离，但它也是我们走向社会前一次重要的锻炼，它要求我们在课程设计中从使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。
通过本次课程设计，学生能够正确地对局部与整体的把握，能培养我们对细节注重的能力，同时掌握整体学习、工作以及研究的本领。
2零件图分析
2.1零件形状
该零件图是一个凹模的零件图，它由四个螺纹孔（分布在模具的四个角上）和靠近螺纹各有一个模具导杆孔；在靠近中央位置有一个呈倒E字形的型孔，此为材料加工成型的重要部分；在型孔上下两侧右边的相对位置各有一个矩形型孔，在矩形型孔之间对称分布着许多小孔。
从形状看来，这个凹模是一个相对比较复杂的模具，从而导致在机械加工上也变得相对复杂。
2.2零件尺寸
该凹模的总体尺寸为200×150×35mm，所以这是一个尺寸较小的凹模，因而其工作时所受的载荷也相对较低。
2.3技术要求
该凹模的技术要求是在热处理完成之后，使用时的整体硬度为61～63HRC，所以它的使用状态时的硬度很高。
综合对该零件的形状、尺寸、技术要求这三方面的分析，这个模具属于一个小型的冷作模具。
因为热作模具是在高温下工作的，因此需要具有一定的高温强度与高温硬度，良好的淬透性与冲击韧度，足够的耐热疲劳性能和抗氧化能力。
所以其绝大部分使用的最高硬度也不超过60HRC。
作为一个小型的冷作凹模，则其工作时主要承受拉压、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等多种机械力的作用，其主要时效形式有：
过载失效、磨损失效、咬合失效以及多冲疲劳失效等。
但是对其作用的载荷都相对比较小。
为了满足冷作模具高应力、高耐磨和使用寿命的需要，因此这个小型冷作模具应具备较高的硬度和耐磨性，一定的抗冲击能力，较高的变形抗力，断裂抗力，耐磨损，抗疲劳和不咬合等使用性能。
3材料选择
通过给出的技术要求（61～63HRC），所以要选择淬透性和淬硬性都比较好的材料作为该凹模的制作材料，经查阅相关资料有很多材料都适合作为冷作模具的材料，如9SiCr、Cr12MoV、9Mn2V、CrWMn等。
下面对这四种不同的材料的比较如下：
（1）化学成分（质量百分数：
%）：
化学成分
C
Si
Mn
Cr
W
V
P
S
9SiCr
0.85～0.95
1.20～1.60
0.30～0.60
0.95～1.25
≤0.030
≤0.030
Cr12MoV
1.45～1.70
≤0.40
≤0.40
11.00～12.50
0.15～0.30
≤0.030
≤0.030
9Mn2V
0.85～0.95
≤0.40
1.70～2.00
0.10～0.25
≤0.030
≤0.030
CrWMn
0.90～1.05
≤0.40
0.80～1.10
0.90～1.20
1.20～1.60
≤0.030
≤0.030
（2）物理常数（近似值：
℃）：
临界点
Ac1
Acm
Ar1
Ar3
Ms
Mf
9SiCr
770
870
730
160
-30
Cr12MoV
830
855
750
785
230
0
9Mn2V
730
760
655
690
125
CrWMn
750
940
710
260
-50
（3）淬透性：
材料
淬透性能
回火硬度
9SiCr
淬透性较高，能达到60HRC的端淬距离为13mm
58～65
Cr12MoV
淬透性高
55～61
9Mn2V
淬透性很高，能达到60HRC的端淬距离为13mm
60～62
CrWMn
淬透性较高，
20mm的能全部淬透并达到60HRC
55～65
综合以上所列出的各项数据显示，这些材料均能达到该零件的使用性能要求。
但是根据实际成本和材料的化学成分来看，9Mn2V在符合要求的同时具有整体优势。
因为从热处理特点来看，9Mn2V的化学成分相对简单，且合金元素含量也不高，便于热处理；另外，从上述四种材料的物理参数看来，9Mn2V的临界点相对较低，应用到大批量生产上可以减少一部分能源的使用，这是一方面的优势。
此外，对9Mn2V进行回火的时候还可以不用通过介质来进行加热。
所以，在均能满足性能要求的前提下，9Mn2V非常符合制作这个凹模。
9Mn2V的化学成分（质量百分数：
%）如下表：
C
Si
Mn
V
P
S
0.85～0.95
≤0.40
1.70～2.00
0.15～0.25
≤0.030
≤0.030
9Mn2V的相关物理参数（摄氏度：
℃）如下表：
Ac1
Acm
Ar1
Ar3
Ms
730
760
655
690
125
4确定加工工艺路线
序号
工艺
内容
设备
1
下料
棒料下料
锯床
2
锻造
将坯料锻成长方体
3
退火
将锻件退火，以消除锻压造成的内应力，改善加工性能
4
粗铣
铣各平面，厚度留磨削余量0.6mm，侧面留磨削余量0.4mm
铣床
5
磨平面
磨上、下平面（单面留磨量0.3mm）和相邻两侧面，保持各面相互垂直（用90°角尺检验）
磨床
6
钳工划线
划出对称中心，各个孔的位置，型孔的轮廓线
7
型孔粗加工
在仿铣床上加工型孔，留单边加工余量0.15mm
仿铣床
8
加工余孔及攻螺纹
1）加工凹模上的余孔；
2）对指定的孔攻螺纹
钻床
9
热处理
保证61—63HRC
10
磨平面
磨上、下平面及相邻两侧面至要求尺寸
磨床
11
线切割
按图切割型孔达到尺寸要求
线切割机
12
钳工精修
全面达到设计要求
13
检验
5热处理工艺方法选择
5.1模具的预备热处理
为了消除毛坯的残留组织缺陷，有利于后续冷热处理，提高使用性能和寿命。
冷作模具的预备热处理采用球化退火，因为球化退火可以获得满意的机械加工性能，并做好淬火前组织上的准备，球化退火组织对最终获得热处理后的强韧性、畸变、开裂倾向、耐磨性以及断裂韧度有显著的影响。
球化温度应选在Ar1以上20～50℃为宜，要避免在退火过程出现有残存的原片状碳化物或新的片状及棱角状碳化物，应保留许多未溶的细小碳化物颗粒以作为球化的结晶核心，保证能加速球化过程和形成均匀的球化体。
球化退火的等温温度和保持时间要选择在不出现片状或片、球状混合组织，并有合适的球化速度范围为宜，保证能加速球化过程和形成均匀的球化体。
5.2模具的最终热处理
冷作模具的最终热处理是淬火＋低温回火。
在冷作模具的热处理工艺过程中最重要的就是淬火和回火的处理，淬火是为了使冷作模具具有高的强度、硬度和耐磨等性能；回火主要是消除工件淬火时所产生的残余内应力，提高材料的塑性和韧性，获得良好的综合力学性能，稳定工件尺寸，使钢的组织在工件使用过程中不再发生变化。
淬火与低温回火相结合，则可以使模具具有高的强度、耐磨性、足够的强度和韧性以及一定的冲击性的配合，这使得冷作模具应具备高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳和不咬合等能力。
淬火一般是把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温并随之以大于临界冷却速度冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织，而低温回火一般是指在低于250℃的情况下进行回火，同时还要根据钢种注意要避免各种钢的回火的脆性温度区间。
低温回火可以使工具、量具获得高硬度、耐磨、足够的强度和韧性。
6制订热处理工艺制度
6.1预备热处理工艺制度的制订
加热速度
加热温度
保温时间
等温温度
等温时间
冷却速度
90～100℃/h
750～760℃
4h
680～690℃
4h
≤30℃/h
9Mn2V球化退火工艺曲线
6.1.1加热速度
加热速度主要与钢的成分、工件的尺寸和形状等因素有关。
为防止变形开裂，应该适当控制加热速度。
碳钢和低合金钢的中、小件的加热速度一般控制在100～200℃/h；中、高合金钢形状复杂的或截面大的工件一般应进行预热或采用低温入炉进行随炉升温的加热方式，在温度低于600～700℃是的加热速度为30～70℃/h，高于此温度后控制在80～100℃/h。
根据本设计中零件尺寸及形状的实际情况，采用低温入炉加热，加热速度为90～100℃/h能够达到目的。
6.1.2加热温度
球化退火主要应用于共析、过共析钢，使钢中的碳化物球化以降低硬度，改善组织，提高淬火钢的性能及减少淬火缺陷等。
加热温度对钢中碳化物的球化效果有着很大的影响。
球化退火加热温度不宜太高，一般控制在稍高于Ac1，如Ac1+（20～30）℃，可获得不均匀奥氏体和大量细小的残留碳化物，作为碳化物球化的非自发核心，以促进球化。
所以根据9Mn2V的Ac1点的温度（730℃）得到球化温度为750～760℃。
6.1.3加热时间
加热时间主要与钢的成分、工件的尺寸与形状、加热温度、加热介质、加热方式、装炉量及热处理目的有关，采用公式
（min）来计算，其中K表示与加热条件有关的综合物理因素，而W=V/F（mm）表示与工件的尺寸和形状有关的几何因素（V为工件的体积，F为工件的面积）。
根据本设计中零件的尺寸确定加热时间为：
（0.6～2）×（35+5+5）＝（27～90）min。
所以取加热时间为60min。
KW使用时间系数见下表：
炉型
系数
工件形状
柱状
板状
薄管
厚管
盐炉
K
W
KW
0.7
（0.167～0.25）D
（0.117～0.175）D
0.7
（0.167～0.5）B
（0.117～0.35）B
0.7
（0.25～0.5）δ（0.175～0.35）δ
1.0
（0.25～0.5）δ（0.25～0.5）δ
空气炉
K
W
KW
3.5
（0.167～0.25）D
（0.6～0.9）D
4
（0.167～0.5）B
（0.6～2）B
4
（0.25～0.5）δ（1～2）δ
4
（0.25～0.5）δ
（1.25～2.5）δ
注：
D为有效厚度；B为板厚；δ为管壁厚。
6.1.4保温时间
工件在炉内要进行一段时间的保温，一方面是为了使工件能够很好地透热，另一方面使工件内部各部分的温度分布均匀一致，组织状态均匀一致。
保温时间的确定也与钢的成分、工件的尺寸与形状等有关。
由于合金钢中碳化物内存在大量的合金元素，提高了碳化物的稳定性，使得合金碳化物即使在高温下也很难溶解，所以要进行长时间的保温，通过查阅合金钢手册相应钢种的等温退火曲线取保温时间为4h。
6.1.5等温温度
由热处理手册查得，对于过共析钢和合金工具钢的球化退火温度的确定应该是Ar1+（20～30）℃，所以根据9Mn2V的Ar1点温度（655℃）来确定其等温温度为680～690℃。
6.1.6等温时间
等温时间取决于该材料的化学成分及工件截面尺寸，为了使工件能够很好地完成等温转变，使合金碳化物能够很好地转变成球状碳化物，且均匀细小。
根据合金钢手册相关钢种的等温曲线的等温时间，所以取等温时间为4h。
6.1.7冷却速度
冷却速度对钢退火后的组织与性能影响的一般规律是：
冷却速度越大，奥氏体分解温度越低，则珠光体转变产物越细，应力越大，硬度越高。
所以，为达到预期的处理效果，冷却速度应控制适当。
由于要求等温球化退火的冷却速度缓慢，所以根据相关资料取冷速度为小于等于30℃/h。
退火件一般采用随炉冷却至低于550℃出炉空冷，对于要求内应力较小的工件应炉冷至低于350℃出炉空冷。
各类钢材的退火冷却速度见下表：
钢材类别
碳钢
合金钢
钢合金钢
冷却速度（℃/h）
100～150
50～80
20～70
注：
球化退火的冷却速度为20～60℃/h。
6.2最终热处理工艺制度的制订
6.2.1淬火工艺制度的制订
加热速度
加热温度
保温时间
冷却速度
90～100℃/h
760～780℃
0.5h
油淬
（1）加热速度
加热速度与退火时的加热速度相同，加热速度选择为90～100℃/h。
一般在空气炉中的加热比在盐浴炉中加热要高10～30℃，采用油、硝盐淬火介质时，淬火加热温度比用水淬火时要提高20℃左右。
（2）加热温度
钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，亚共析钢的加热温度为Ac3+（30～50）℃；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1+（30～50）℃。
因为9Mn2V的Ac1点温度是730℃，所以加热温度为760～780℃。
（3）加热时间与保温时间
炉中的工件应在规定的加热温度范围内保持适当的时间，以保证必要的组织转变和扩散。
加热时间和保温时间一共由三部分组成：
①升温时间；②透热时间；③组织转变时间。
加热时间同退火工艺中的加热时间的确定一致，由于在最终热处理前，工件的尺寸发生了改变，所以其加热时间会有一定的变化，利用退火工艺中所引用的经验公式
（min）来计算。
根据本设计中零件的尺寸确定加热时间为：
（0.6～2）×（35＋0.5＋0.5）＝（20～70）min，还是取1h。
其中保温时间可以由经验公式
来加以确定。
其中
为保温时间系数，可从工具书查得；k为工件在炉中装炉形式所相应的修正系数；D为工件的有效厚度。
根据本设计中零件的相关尺寸计算，其中k取1，所以保温时间为：
1.2×1×（35＋0.5＋0.5）＝43.2min，即取40min。
又由于手册推荐普通碳钢及低合金钢在透热后保温5～15min即可满足组织转变要求，合金结构钢则需要15～25min。
本设计中的零件相对比较小，所以透热时间基本上可以忽略。
因此本设计中淬火的保温时间确定为30min。
保温时间系数见下表单位为（min/mm）：
工件材料
直径<600℃
mm气体介质炉中预热
800～900℃
气体介质炉中预热
750～800℃
盐浴炉中加热或预热
1100～1300℃
盐浴炉中间加热
碳素钢
≤50
>50
1.0～1.2
1.2～1.5
0.3～0.4
0.4～0.5
低合金钢
≤50
>50
1.2～1.5
1.5～1.8
0.45～0.5
0.5～0.65
高合金钢
高速钢
0.35～0.1
0.6～0.85
0.3～0.35
0.3～0.35
0.17～0.2
0.16～0.18
（4）淬火冷却
9Mn2V属于冷作模具钢，所以采用工模具钢较为常见的淬火冷却方式——油冷淬火，以油为冷却介质的淬火冷却，当冷至油温的时候将工件取出空冷。
6.2.2回火工艺制度的制订
加热速度
加热温度
保温时间
冷却速度
90～100℃/h
150～180℃
3h
空冷
（1）加热速度
加热速度与退火、淬火工艺中的加热速度一致，取90～100℃/h。
（2）加热温度
对于工具、模具钢的回火要求是能够保持高硬度的条件下，使脆性有所降低，残余内应力有所减小，所以采用低温淬火。
根据手册查得低温回火温度范围在150～250℃进行，但是9Mn2V的回火脆性温度区间在190～250℃，所以加热温度为150～180℃。
回火温度的选择见下表：
工件名称
回火温度
回火组织
回火目的
工艺名称
工具、轴承、渗碳件及碳氮共渗件表面淬火件
150～250℃
回火马氏体
在保持高硬度的条件下使脆性有所降低，残余应力有所减小
低温回火
弹簧、模具等
350～500℃
回火托氏体
在具有高屈服强度及优良的弹性的前提下使钢具有一定塑性和韧性
中温回火
主轴、半轴、曲连杆等重要零件
500～650℃
回火索氏体
使钢既有较高的强度又有良好的塑性和韧性
高温回火
切削加工量大而变形要求严格的工件及淬火返修件
500～760℃
消除内应力
去应力回火
精密工模具、机床丝杠、精密轴承
120～160℃长期保温
稳定化的回火索氏体及残留奥氏体
稳定钢的组织及工件尺寸
稳定化处理
（3）保温时间
回火时间是从工件入炉后炉温升至回火温度是开始计算，回火温度一般为1～3h。
也可以根据经验公式
加以确定。
其中
为回火时间系数；
为回火时间系数；D为工件的有效厚度。
本设计中的零件的有效厚度为36mm，假设选择回火炉为箱式电阻炉，查表得
为120，
为1，所以计算结果为156min，所以取3h。
Kn及An值推荐表如下：
回火条件
300℃以上
300～450℃
450℃以上
箱式电炉
盐浴炉
箱式电炉
盐浴炉
箱式电炉
盐浴炉
Kn/min
120
120
20
15
10
3
An/（min/mm）
1
0.4
1
0.4
1
0.4
（4）冷却速度
工件回火后即可出炉空冷至室温。
7热处理设备选择
7.1预备热处理设备的选择
7.1.1退火设备的选择
在本设计中的零件形状为矩形，形状规则且比较小，其预备热处理的目的为球化退火，使其获得满意的机械加工工艺性能，为最终热处理做好组织上的准备。
由于该材料的退火工艺中无需通过气体保护进行加热，所以可以采用空气气氛直接装炉加热；此外，进行预备热处理的工件有足够的加工余量，所以对工件脱碳层的要求相对就要小；并且本设计是针对单件小批量生产设计，所以退火炉选择普通间隙式箱式电阻炉即可满足设计要求。
中温箱式电阻炉的技术参数和结构如下图所示。
这类炉子由炉体和电气控制柜组成。
炉体由炉架和炉壳、炉衬、炉门、电热元件及炉门升降机构等组成。
电热元件多分布于两侧墙和炉底。
炉内温度均匀度状态主要受电热元件布置，炉门的密封和保温等状态的影响。
通常炉膛前端温度较低。
工件在高中、温箱式电阻炉中加热主要靠电热元件和炉壁的热辐射。
根据形状、尺寸以及生产批量选择型号为RX3—15—9的中温箱式电阻炉作为该凹模的退火热处理设备。
7.2最终热处理设备的选择
由热处理手册查得，对于热处理工件性能要求严格的工具钢、模具钢应该选用真空炉、盐浴炉或者流态化炉，这三种炉是对模具和刃具进行热处理的常用的热处理设备。
（1）盐浴炉
盐浴炉是一种综合换热系数大，加热速度快，加热均匀，变形小，热容量较大，加热温度波动小，容易恒温加热的热处理设备；盐液容易保持中性状态，实现无氧化无脱碳加热，在盐液中加入含碳、含氮等物质，容易实现化学热处理；浴炉容易实现工件局部加热错做。
但是，浴液对环境有不同的污染程度；工件带出的废盐，不但造成浪费，而且对工件有腐蚀，特别是粘在工件缝隙和盲孔中的盐；中、高温浴炉的浴面辐射热损失较严重，不便于机械化和连续化生产。
（2）流态化炉
流态炉具有快速均匀接触传热传质，能耗低，运行成本低，炉床温度均匀，使用温度范围宽，微（无）氧化脱碳，表面光洁，不需清洗，难以锈蚀（具有防锈性），热处理后零件性能均匀并有很好的重现性；而且可以根据工艺任意设定气氛，炉床内气氛换气净化只需2~3分钟，对易变形，易开裂及杆（轴）、片和异型疑难零件有着良好的工艺效果；操作灵活简便、维修少且方便，无毒害且安全。
流态炉还是柔性生产方式和批量生产作业相结合的经济炉型，是多类型工艺的热处理车间；它减少各类单一功能设备投资，减少能源负荷配置的良好途径，可以随零件种类质量和性能要求，灵活调整组织生产，可改变目前存在装备（炉）单一的现状。
（3）真空炉
真空炉热处理设备具有高效、优质、低耗和无污染等一系列有点，是近代热处理设备发展的热点。
真空热处理设备种类较多，通常按用途和特性分类，例如：
真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉、低真空炉、高真空炉等等。
综合上述三种炉型的特点，再根据本设计中零件尺寸、产品批量规模和对环境保护的要求。
通过以上各热处理设备的比较，选择真空热处理炉比较好。
7.2.1淬火设备的选择
由于该零件是低合金工具钢9Mn2V制作的凹模，所以要求其整体具有高达61～63HRC的硬度，同时还要求工件淬火后表面的化学成分波动小，没有裂纹产生和很小的畸变度。
为了满足上述要求，就需要对工件在淬火加热气氛和淬火冷却时要采取相应的措施，在工件加热时应该通过例如真空的手段防止工件表面化学成分的变化，在淬火时应采用油作为淬火介质来控制工件的冷却速度。
所以采用油淬真空炉作为该凹模的淬火热处理设备，由于形状和批量小，所以采用双室油淬真空炉就能达到目的。
为了能够防止加热室被污染以及保持较好、较稳定的真空度，选择淬火室与加热室之间有隔热屏的双室油淬真空炉。
其中淬火介质按照下表中所列出的相关参数选择合适的淬火介质。
根据工件的尺寸、形状及生产批量选择FH·H—20型油淬真空炉即可满足要求。
所选择炉型的相关参数及结构示意图如下所示。
7.2.2回火设备的选择
在回火过程中对热处理工件要求基本一致，只是为了使工件达到使用状态下的性能要求，从加热温度对工件化学成分、形状影响的方面和从热处理设备成本方面来考虑，由于加热温度不高，所以对工件的氧化情况就不是很严重，且工件变形也比较均匀，对精加工影响不大，所以还是选用中温箱式电阻炉作为该凹模的回火设备，其结构和技术规格和预备热处理中的一样。
8工装设计
8.1清洗设备
为了防止零件出现软点、组织不均匀等影响热处理质量的现象，所以要在零件热处理前经行清除锈斑、油渍、污垢、切削液和研磨剂等，以保证不阻碍加热和冷却，不影响介质和气氛的纯度。
另外，在热处理后也常需清洗，以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保证热处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要求。
清洗设备主要有一般清洗机、超声波清洗设备、脱脂炉清洗设备、真空清洗设备。
根据各个清洗设备的用途并结合本设计中的零件的具体情况，本设计中的零件为小型的凹模，所以可以选择一般清洗设备中的间歇式清洗设备就能满足要求。
为满足清洗效果和保护环境，清洗机应具备水过滤装置、撇油装置和雾气处理装置。
此外，金属清洗剂选择合成洗涤剂，其中含有表面活性剂，可渗入零件的油膜内起清洗乳化作用，成本低且效果好。
清洗设备如下图所示：
8.2清理及强化设备
零件经过热处理后，尤其是淬火回火之后，表面有氧化皮和粘着物，需要一定的设备将其清除掉，所以就应该在热处理后通过清理设备将工件表面的氧化皮和粘着物清理掉，防止对工件的性能及质量等造成影响。
如果要在清理氧化皮的同时使零件获得良好的表面和提高工件表面的强度，可以利用抛丸机器或喷嘴将钢丸高速射向零件表面，通过钢丸的冲击作用清除零件表面的氧化物和粘着物并同时达到强化作用，提高零件的疲劳寿命。
常用的清理设备有机械式抛丸和气力、液
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