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1、6Cr4W3Mo2VNb冷作模具钢解析 辽 宁 工 业 大 学 工艺 课程设计（论文）题目： 6Cr4W3Mo2VNb冷作模具钢热处理工艺设计院（系）：新能源学院专业班级：材料科学与工程141班学号：141609012学生姓名：周显楠指导教师：陈淑英教师职称：副教授起止时间：2015-7-62015-7-16课程设计（论文）任务及评语院（系）：新能源学院 教研室：材料科学与工程教研室学 号141609012学生姓名周显楠专业班级材料科学与工程141班课程设计（论 文）题 目6Cr4W3Mo2VNb冷作模具钢热处理工艺设计课程设计（论文）任务一、熟悉设计题目，查阅资料二、工艺设计1. 模具钢热处

2、理工艺概述；2. 冷作模具钢的服役条件及失效形式分析，提出性能要求；3. 冷作模具钢材料的选择，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；4. 给出6Cr4W3Mo2VNb的C曲线；5. 6Cr4W3Mo2VNb冷作模具钢冷热加工工艺流程图；6. 制定6Cr4W3Mo2VNb冷作模具钢退火、淬火-回火热处理工艺；7. 阐述退火、淬火、回火热处理工艺理论基础；8. 选择设备、仪表和工夹具；9. 冷作模具钢热处理质量检验项目、内容及要求；10. 冷作模具钢热处理常见缺陷的预防及补救方法；11. 参考文献。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日前 言热处理是提高

3、机器零件质量和延长使用寿命的关键工序，也是充分发挥金属材料潜力、节约材料的有效途径。正确地选择材料，合理地进行热处理，不仅可以减少废品，而且可以显著提高机器零件和工模具寿命。随着机械制造业的技术升级，新技术，新工艺，新材料，新设备的广泛应用并迅速转化为优质产品，需要大批高智能型技术工人的有效劳动。这就迫切要求企业的热处理技术人员了解和掌握材料热处理方面的基础知识，并能自觉地，完整地，独立地执行热处理工艺规范，确保优质、高效、文明的热处理生产。机械工业中，零件种类繁多，而制造这些零件都需要良好性能的模具，冷模具是众多模具中的很重要的一种，对零件制造有着极其重要的作用。冷模具质量的好坏对模具使用的

4、安全性，稳定性，经济性有很大的关联，所以合理的退火、淬火、回火热处理工艺可以提高冷模具的强度和韧性，硬度和耐磨性，红硬性以及延长其使用寿命等作用。对于一种模具，选用什么样的钢材合理，首先应从模具的工作条件、失效形式及性能要求出发，然后选择合适的钢种。最后再制定正确的热处理工艺。同时还应考虑模具钢的工艺性能包括加工性能、切削加工性能和热处理工艺性能。制造冷模具用65Cr4W3Mo2VNb钢这种材料是符合上述要求的，且具有良好的工艺性能。65Cr4W3Mo2VNb钢已在汽车、轴承、标准件、电子、轻工、兵器及宇航等行业中，广泛地用于制造冷挤、温挤、冷冲、冷镦及冷剪等模具，其使用寿命比原用高速钢等制造

5、的模具成倍提高，经济效益十分显著，用于制作大型、复杂、受冲击负荷大的模具时，显示出更优异的效果。所以在本次设计中材料采用了65Cr4W3Mo2VNb钢。本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计冷模具的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计冷模具的热处理方法。目 录前 言 I1 冷模具热处理工艺概述 12 冷模具的热处理的工艺设计 22.1 冷模具的服役条件、失效形式、性能要求 22.2冷模具材料的选择 33 6Cr4W3Mo2VNb冷作模具钢加工工艺流程图 54 制定65Cr4W3Mo2VNb退火、淬火-回火热处理工艺 64.1 6Cr4W3Mo2VNb钢热处

6、理工艺曲线 64.2 退火工艺 64.3 淬火工艺 74.4 回火工艺 74.5 渗氮工艺 85 阐述冷模具钢退火、淬火、回火、渗氮热处理工艺理论 95.1退火工艺原理 95.2 淬火工艺原理 95.3 回火工艺理论及原则 105.4 渗氮工艺原理 105.5选择设备、仪表和工夹具 115.6冷模具热处理质量检验项目、内容及要求 126 冷模具热处理常见缺陷的预防及补救方法 137 参考文献 151 冷模具热处理工艺概述模具是一种高效率的工艺装备，各类金属、塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、粉末冶金等制品的生产都离不开模具。模具材料按模具类别的不同可分为：冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料、其他模

7、具材料。冷模具一直是应用广泛的一类模具，其产值占模具总产值的1/3左右，冷作模具材料主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成形的模具。如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、冷镦模具、螺纹压制模具和粉末压制模具。对冷模具要求高强度、高硬度和高耐磨性，并要具有一定的韧性。而6Cr4W3Mo2VNb钢是一种高韧性的冷作模具钢，其良好的工艺性能是冷模具的首选材料。6Cr4W3Mo2VNb钢（曾用代号65Nb）是我国自行研制开发的高强韧冷作模具钢，1985年已经纳入国家标准（GB12991985）。其含碳量比高速钢低，所以剩余碳化物少。通过正确的热加工，碳化物细小而均布，具有较高的

8、硬度和耐磨性，而且韧度和抗弯强度也很高，工件的淬火变形小，在冷作模具材料中受到重视和应用。65Cr4W3Mo2VNb钢的含碳质量分数比较高，一次预先热处理是退火，而且需要采用球化退火。冷模具钢的最终热处理是淬火回火，为了提高冷模具的强度、硬度及耐磨性，从而提高冷模具的使用寿命。淬火过程中，除了获得高的力学性能和良好的耐磨性外，还要设法减小变形，正确地选择淬火回火工艺是保证质量的关键，同时还要考虑冷模具的复杂程度和结构大小，选择合适的加热温度和冷却介质。通过对经典冷冲模具热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通

9、过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。根据冷模具的工作条件，失效形式及性能要求，模具设计大全本设计选择的冷模具材料为65Nb钢；在设计退火-淬火-回火热处理工艺中，本设计借鉴了热处理工程师手册，热处理技术数据手册，热处理工使用技术及热处理实用技术等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的冷模具除具有高硬度，高耐磨性外，还具有一定的强度和韧性及红硬性，从而满足冷模具的质量要求。2 冷模具的热处理的工艺设计2.1 冷模具的服役条件、失效形式、性能要求2.1.1 服役条件冷模具主要用于完成金属或非金属材料的冷态成型，包括冲裁模、弯曲模、拉深模、挤压模和礅段模等

10、。（1）冲裁模工件部位是刃口。要求工件中刃口不易崩刃，不易变形，不易磨损和不易折断。（2）弯曲和拉深模用于板材的成形，工作应力一般不大。拉伸模要求工作表面保持光洁，不易发生粘着磨损和擦伤；弯曲模除以上要求外，还要求有一定的康断裂能力。（3）挤压模和墩锻模主要用于材料体成形，工作应力大，其中挤压模具应力更大。材料在行腔中剧烈变形同时产生热量，模具再反复的应力和温度约300环境中工作。要求模具工作时不易变形，不易开裂，不易磨损。2.1.2失效形式冷作模具主要失效形式有过载失效、磨损失效、咬合失效和疲劳失效四种。 （1）过载失效。模具材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷作用引起的失效。当材料韧性不足时

11、易产生脆断喝开裂，当强度不足时易产生变形和墩粗失效。冷挤压和冷镦模具易产生此类失效。 （2）磨损失效。模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗，是工作部位（刃口、冲头）形状和尺寸发生变化而引起失效。对工作表面尺寸和质量要求高的冲载模、挤压模易产生此类失效。 （3）咬合失效。模具工作部位与被加材料再高压力摩擦下，润滑膜破裂发生咬合被加工材料“冷焊”到模具表面，引起被加工产品表面质量出现划痕等失效。再拉深、弯曲模及冷挤压模中易发生此类失效。 （4）多冲疲劳失效。冷作模具承受的载荷都是以一定冲击速度和能量反复作用，其工作状态与小能量多冲疲劳试验相似。由于模具材料硬度高，多冲疲劳寿命多在10005000

12、次左右，而且裂纹萌生期占绝大部分，疲劳源和裂纹扩展区不明显。多冲疲劳失效常见于重载模具，如冷挤压、冷镦冲头模具。2.1.3性能要求冷作模具在工作中受到拉伸、压缩、冲击、疲劳、摩擦等机械力的作用，其失效形式主要是磨损、脆断、塑性变形、咬合等。因此对冷模具钢的力学性能有如下要求。（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。（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。（3）模具的强度。磨具的强度是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。（

13、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，因此为了提高模具的使用寿命，需要具有较高的抗疲劳性能。（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2.2冷模具材料的选择6Cr4W3Mo2VNb钢是一种高韧性的冷作模具钢，其成分接近高速钢（W6Mo5Cr4V2）的基体成分，属于基体钢类型，这些合金元素在基体钢中的作用与行为同在高速钢中相似，Cr在钢中主要生成M23C 6 ,在较低温度加热时，就能溶于基体，从而保证了钢的高淬透性和淬火

14、马氏体硬度；一部分Cr还能溶入复杂的M6C型碳化物中，使其稳定性降低，淬火加热易于溶解，进一步提高奥氏体的合金化程度；在随后的回火过程中，又可延缓M2C型碳化物的析出，增加回火稳定性，并加强二次硬化效果。V与碳形成稳定性高的MC型碳化物，加热到高温时部分溶解，回火时以MC型碳化物析出，引起强烈的二次硬化。二未溶的VC硬质点，阻止晶粒长大，同时显著提高钢的耐磨性能。W与Mo在钢中作用相同，主要是所形成的M6C碳化物相不易聚集，增加钢的回火稳定性，电子探针测试表明，在10801180温度范围内加热，钢中的合金元素Cr绝大部分溶解，W、Mo溶解大部分，而V溶解近一半。铌（Nb）是新的基体钢中一个重要

15、合金元素，对Nb在基体钢中的作用和加入量的初步研究指出，铌与钢中的碳形成稳定性高的NbC，淬火加热时不易溶解，加热到1180时，基体中才溶解0.022%0.08%，从而有效地阻止奥氏体晶粒长大，较不含Nb的基体钢（6Cr4W3Mo2V）提高奥氏体晶粒粗化温度4050，而且这种作用，随加热温度的升高（如11601180之间）变得更加明显。Nb还可能部分的溶解于Cr、W、Mo、V等碳化物中，增强其稳定性，是淬火后基体的碳量降低，这些都显著提高钢的韧性。同不含Nb的钢相比，抗弯强度提高了25%，冲击韧度增加一倍以上，断裂韧度提高20%。试验证明，Nb还以改善钢的工艺性能，锻造变形抗力小，易于球化退火

16、，热处理工艺范围宽。但是，Nb的含量高于0.31%时，会损害二次硬化效果；低于0.2%以下，其力学性能与不含Nb的钢相差无几。因此，Nb的添加量在0.2%0.3%为宜。表1 6Cr4W3Mo2VNb钢的化学成分（GB/T 12992000）/% CSiMnCrMoWVNbPS0.60.70.40.43.84.41.82.52.53.50.81.20.20.350.030.03图1 凸模简图表2 65Nb钢、高速钢和高铬钢综合力学性能钢号热处理工艺抗弯强度（MPa）挠度（mm）冲击韧性（J）硬度（HRC）断裂韧性（N/mm3/2）无缺口有缺口W18Cr4V1260淬油，560三次回火，每次一小时

17、2881.82.4665.5474W6Mo5Cr4V21190淬油，560三次回火，每次一小时3212.142.672.066.56Cr4W3Mo2VNb （65Nb）1180淬油，540二次回火，每次一小时4695.815.610.0635551120淬油，540二次回火，每次一小时4717.9710626631070淬油，540二次回火，每次一小时4498.68.3608093 6Cr4W3Mo2VNb冷作模具钢加工工艺流程图模具制造工艺路线应根据材质及使用性能，选择合理的热处理工艺方案，并根据模具具体情况在工艺路线中合理安排。 图2 工艺流程图4 制定65Cr4W3Mo2VNb退火、淬火

18、-回火热处理工艺4.1 6Cr4W3Mo2VNb钢热处理工艺曲线制作6Cr4W3Mo2VNb冷作模具钢采用的热处理工艺包括球化退火和最终热处理的淬火与回火。图3 65Nb钢热处理工艺曲线4.2 退火工艺 加Nb的基体钢容易软化退火。按图13工艺退火，硬度为217HB左右，如将740等温时间从6h延长到9h，硬度可进一步降低到187HB，这就为模具本身的冷挤压成型提供了有利条件。6Cr4W3Mo2VNb钢的这种良好的冷成型性，深受模具制造部门的欢迎。图4 6Cr4W3Mo2VNb钢的退火工艺曲线4.3 淬火工艺为了获得满意的组织和性能，淬火温度需准确而严格控制，温度过高，碳化物溶解过多，晶粒会显

19、著不均匀长大，同时淬火基体中碳量过高，易形成孪晶马氏体，这些均损害钢的韧性；反之亦然，温度太低，奥氏体中碳和合金度不足，同时基体上存在着大量颗粒不均的脆性碳化物质点，在外力作用下，这些质点往往成为裂纹核心，由此可见，过低温度淬火，不仅牺牲了强度，硬度，浪费了合金元素，反而是韧性降低。由此看来6Cr4W3Mo2VNb钢适宜的淬火加热温度范围应取10801180.具体温度的选择视模具要求而定。因此6Cr4W3Mo2VNb钢的淬火温度曲线如图14。图 5 65Nb材料淬火工艺曲线4.4 回火工艺 回火是赋予6Cr4W3Mo2VNb钢使用性能的最后一道工序。回火可以大幅度的调整钢的强度、韧性和耐磨性能

20、。由回火温度对钢的力学性能的影响，图15可见，6Cr4W3Mo2VNb钢回火温度范围为520600，具体温度可根据模具的使用性能来选择，一般采用二次回火。图 6 65Nb回火工艺曲线4.5 渗氮工艺 6Cr4W3Mo2VNb钢渗氮工艺曲线如图16所示。对6Cr4W3Mo2VNb钢进行表面处理采用渗氮，可以提高模具的耐磨性能。 表3表面处理规范渗氮渗氮介质渗氮层层深/mm硬度HV520，渗氮1hNH3流量/0.1（L/min）0.070.089541070图7 真空渗氮工艺曲线5 阐述冷模具钢退火、淬火、回火、渗氮热处理工艺理论5.1退火工艺原理（1）去应力退火的目的是消除模具淬火或精加工前的残

21、留应力，或避免高速钢返修淬火时出现的萘状断口。其工艺规范如表4表4去应力退火工艺碳素工具钢及合金工具钢加热至630650保温12h高合金工具钢加热至680700保温13h（2）球化退火的目的是获得满意的机械加工性能，并做好淬火前的组织准备。球化退火组织对最终热处理后的强韧性、畸变、开裂倾向、耐磨性、断裂韧度有显著地影响。球化退火以选在Ac1以上2050为宜。保证能加速球化过程和形成均匀的球化体。要避免在退火中温度过低出现残留的后片状碳化物，温度过高出现新的片状及菱角碳化物。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、球化混合组织，并有合适的球化速度范围为宜。5.2 淬火工艺原理模具淬火

22、处理时的脱碳、氧化、内应力及组织不均匀性对磨损、开裂、疲劳强度及抗咬合性能均有显著地影响。对要求耐磨或随后进行电加工的模具，应采用上线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。（1）淬火加热，箱式炉加热时，对于小型模具或淬火后采用电加工成形的模具一般可直接放入淬火温度或稍低于淬火温度的炉中加热，对中型模具或已经加工成形的模具一般采用装箱加热，对大型模具不能装箱时可采用涂料保护加热，并应进行预热。（2）保温时间，在盐炉或箱式炉内不装箱加热的模具，其加热时间按下列公式计算t=aKD式中a加热系数，min/mm；K装炉修正值，一般取11.5；D有效厚度，mm。表

23、5 冷作模具钢的常用加热系数钢种加热温度/加热系数K/min mm-1盐浴炉电阻炉碳素工具钢5506201-7608400.40.511.5低合金模具钢5506201-8209500.50.611.5中、高合金模具钢5506201-8008500.511.595011000.30.40.60.89501100（不预热）-11.3（3）冷却，冷却剂及冷却方式对变形的影响一般规律是：冷油搓火型腔趋向缩小，热油、硝盐、空冷淬火型腔趋向涨大，硝盐温度高又趋向涨大，温度低趋向缩小。因此要根据模具几何形状，对变形的趋向来合理地选用和搭配冷却剂。5.3 回火工艺理论及原则冷作模具淬火后应立即回火，回火温度要

24、根据钢种和对模具的硬度要求选定。挥霍时间根据模具的钢种和尺寸大小而定，一般碳素工具钢与低合金工具钢为90180min，高合金模具刚为120180min；冷作模具钢应避免在回火脆性范围内回火；对于高精度、高合金钢制模具，为提高硬度，稳定尺寸，减少磨裂倾向和提高使用寿命，再淬火后可采用-40-80（干冰+究竟冷却剂）或-180(液氮冷却剂)的冷处理。冷处理时间为30120min。为减少冷处理的内应力可分级冷却。冷处理后立即进行回火处理。5.4 渗氮工艺原理6Cr4W3Mo2VNb钢在NH3流量为0.5L/min、炉内真空度为533667Pa时进行离子氮化1h后测得的氮化温度与深度的变化曲线。在氨流

25、量和真空度一定得情况下，氮化温度越高保温时间越长，化合层和总深度也越大，但对渗层表面硬度的影响不大，其表面硬度大约为950HV左右。通常控制渗层深度在0.050.08mm为宜。经氮化能使钢的抗压强度提高38%左右，模具表面产生较高的残余应力对提高承受压力大的模具寿命是有益的。5.5选择设备、仪表和工夹具为了获得优良性能的模具，正确的进行热处理是非常重要的。而合理的工艺必须用用一定的设备和仪器来实现。5.5.1设备1）1200高温箱式电阻炉这类电阻炉主要供合金钢在1200以下加热使用。其结构与中温箱式电阻炉基本相同，炉衬用高铝砖砌内层，轻质粘土砖砌中间层，外层为保温填料，炉底板用高铝砖或碳化硅制

26、底板。电热元件采用0Cr27Al7Mo2高温铁铬铝电阻丝绕成螺旋状，分别置于炉膛两侧及底部。此炉用于退火和淬火。2）井式回火设备为周期式热处理设备，带有热风循环系统，最高使用温度为650，主要用于各种金属材料进行高温回火、退火。3）渗氮设备气体它一般由渗氮炉、供氨系统、氨分解测定系统和测温系统组成。渗氮炉有井式电阻炉、钟罩式炉及多用箱式炉等多种形式，均应具有良好的密封性。5.5.2仪表炉温的测量一般都采用电热式高温计，例如用动圈式仪表或电子电位差计，或温电源式热电偶。中温箱式电阻炉的热电偶，一般都是垂直安装在炉顶上。且位于中心线偏后的地方，以使其处于炉腔温度的均匀区。但高温箱式电阻炉的热电偶插

27、入孔多位于后墙壁上，热电偶需水平安装。5.5.3设计工夹具常用工夹具的主要用途，以便加热，冷却；减小或限制加热、冷却时的变形；对已变形的工件校正等。热处理常用的工夹具为淬火架，淬火挂（吊）具，渗碳吊具、淬火篮筐等。本设计选择如图17所示的两种挂具作为工夹具加热。图8 拉刀淬火夹具5.6冷模具热处理质量检验项目、内容及要求5.6.1表面缺陷检查1）模具表面的型孔及沟槽各处不允许有裂纹、碰伤、烧伤和明显的氧化腐蚀痕迹。2）留有磨削量的模具表面氧化与腐蚀深度一般不允许超过磨削量的1/3，以保证磨削后无斑痕。3）火焰淬火模具表面应无烧熔、氧化及裂纹等缺陷。4）必要时，表面可以用磁力探伤检查。5.6.2

28、硬度检查1）模具淬、回火后应100%进行硬度检查。2）冲裁模具在离刃口5以内硬度必须达到要求，不得有软点。冷镦、冷挤、拉延及压弯类模具主要受力、工作面及圆角处的硬度必须达到要求。3）碳素工具钢小凸模尾部固定部分硬度应控制在3050HRC，其余部分硬度应达到图样要求。4）火焰表面淬火的大型模具工作面硬度应大于规定值的上限，一般不允许有回火带及硬度不均匀区。形状特别复杂，硬度值可低于规定下限值的5HRC。5.6.3变形检查1）模具热处理后的畸变量不得超过规定留磨余量的2/3。2）冷作模具热处理允许畸变量应该在规定范围内。3）成型模具热处理允许畸变量应该在规定范围内。5.6.4金相组织检查1）模具预

29、备热处理后的金相组织检查要求金相组织的等级不得超过规定等级的上限。 2）模具淬火、回火后的金相组织检查要求金相组织的等级不得超过规定等级的上限。3）模具表面强化后的金相组织要求金相组织的等级不得超过规定等级的上限。6 冷模具热处理常见缺陷的预防及补救方法模具热处理中常见的缺陷、产生原因以及防止措施如表6。表6 冷模具常见缺陷、产生原因及防止措施缺陷类型产生原因防治措施球化组织粗大不均，球化不完善，组织中有网状、带状和链状碳化物1）锻造工艺不佳，如锻造加热温度过高，变形量小，停锻温度高，锻后冷速缓慢等，使锻造组织粗大，并有网、带及链状碳化物存在，球化退火时难以消除。2）球化退火工艺不佳，如退火加

30、热温度过高或过低、等温温度或等温时间短等，可造成退火组织不均或球化。1）改进锻造工艺或采用正火预备热处理，消除网状和链状碳化物及碳化物不均匀性。2）采用双重热处理，快速均细球化退火工艺。3）正确制定球化退火工艺规范。4）合理装炉保证炉料温度的均匀性。5）采用以调质处理代球化退火。淬火过热或过烧，淬火组织粗大化1）球化组织不良。2）淬火加热温度过高，或高温保持时间过长。3）工件放置位置不当，再靠近电极或加热元件区产生过热。4）对截面变化较大的模具，淬火工艺参数选择不当，在薄截面和尖角出产生过热。1）正确制定淬火工艺，严格控制淬火温度和加热时间。2）定期检测和校正测温仪表，保证仪表的正常运行。3）工件与电极或加热元件间应保持足够的距离。硬度低或不均1）原始组织中的碳化物偏析严重、或球化组织粗大不均。2）模具表面残留有退火脱碳层或淬火加热时产生脱碳。3）工件截面大，淬透性差。4）淬火温度过高，残留奥氏体量多，或淬火温度低，加热时间不足，相变不完