1、遼 寧 工 業 大 學 工藝 課程設計（論文）題目：45模具鋼熱處理工藝探究院（系）：光伏學院專業班級：材料工程技術102學號：101802039學生姓名：白云鶴指導教師：教師職稱：教 授起止時間：2010-7-52010-7-16課程設計（論文）任務及評語院（系）：材料科學與工程學院 教研室：材料物理教研室學 號學生姓名專業班級材料物理071課程設計（論 文）題 目20CrNiMo主動錐齒輪滲碳淬火-回火熱處理工藝課程設計（論文）要求與任務一、課設要求熟悉設計題目，查閱相關文獻資料，概述相關零件的熱處理工藝，進行零件的服役條件與失效形式分析，提出硬度、耐磨性、強度等要求。完成工藝設計。闡述2

2、0CrNiMo滲碳淬火、回火熱處理工藝理論基礎，選擇設備、儀表和工夾具，闡述主動錐齒輪熱處理質量檢驗項目、內容及要求；闡明主動錐齒輪熱處理常見缺陷的預防及補救方法；給出所用參考文獻。二、課設任務1.主動錐齒輪材料的選擇（要求在滿足工件使用性能的前提下，兼顧經濟性和工藝性，合理選擇材料）；2.給出20CrNiMo的C曲線；3.給出20CrNiMo主動錐齒輪冷熱加工工藝流程圖；4.制定20CrNiMo主動錐齒輪滲碳淬火-回火熱處理工藝。三、設計說明書要求設計說明書包括三部分：1）概述；2）工藝設計；3）參考文獻。設計說明書結構見工藝設計模板。工作計劃集中學習0.5天，資料查閱與學習，討論1.5天，

3、設計7天：1）概述0.5天，2）服役條件與性能要求0.5天，3）失效形式、材料的選擇0.5天，4）結構形狀與熱處理工藝性0.5天，5）冷熱加工工序安排0.5天，6）工藝流程圖0.5天，7）熱處理工藝設計2天，8）工藝的理論基礎、原則0.5天，9）設計工夾具0.5天，10）可能出現的問題分析及防止措施0.5天，11）熱處理質量分析0.5天，設計驗收1天。指導教師評語及成績成績： 指導教師簽字： 年 月 日前 言鋼鐵材料作為現代工業的基礎材料，隨著現代化工業及科學技術（如航天技術，空間技術，海洋技術）的飛速發展，人們對鋼材性能的要求也越來越高。為了滿足這一點，一般可以采用倆種方法：（1） 研制新鋼

4、種（改變化學成分，改進合金體系）；（2） 對鋼剛進行熱處理（主要利用合金體系中存在的相變）。冷作模具鋼大多屬于過共析鋼和萊氏體鋼，熱加工和冷加工性能都不太好，因此必須嚴格控制熱加工和冷加工的工藝參數，以避免產生缺陷和廢品。另一方面，通過提高鋼的純凈度，減少有害雜質的含量，改善鋼的組織狀態，以改善鋼的熱加工和冷加工性能，從而降低模具的生產成本。為改善模具鋼的冷加工性能，自20世紀30年代開始，研究向模具鋼中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或導致模具鋼中碳的石墨化的元素，發展了各種易切削模具鋼，以進一步改善其切削性能和磨削性能，減少刀具磨料消耗、降低成本。鋼的熱處理總體而言是為了改善鋼的力

5、學性能或加工性能。具體如下：1.鋼的退火 將鋼加熱到一定溫度并保溫一段時間，然后使它慢慢冷卻，稱為退火。鋼的退火是將鋼加熱到發生相變或部分相變的溫度，經過保溫后緩慢冷卻的熱處理方法。退火的目的，是為了消除組織缺陷，改善組織使成分均勻化以及細化晶粒，提高鋼的力學性能，減少殘余應力；同時可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。所以退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內應力，又為后續工序作好準備，故退火是屬于半成品熱處理，又稱預先熱處理。 2.鋼的正火 正火是將鋼加熱到臨界溫度以上，使鋼全部轉變為均勻的奧氏體，然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。它能消除過共析鋼的網狀滲碳體，對于亞共析鋼

6、正火可細化晶格，提高綜合力學性能，對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經濟的。 3.鋼的淬火 淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后很快放入淬火劑中，使其溫度驟然降低，以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度，但要減少其塑性。淬火中常用的淬火劑有：水、油、堿水和鹽類溶液等。此設計是通過在課堂學習熱處理理論知識后的探索和嘗試，其內容討論如何設計圓板牙鋼的熱處理工藝，重點是制定合理的熱處理規程，并按此完成9SiCr圓板牙鋼的熱處理工藝設計。目 錄（小二號黑體，段前段后1行，1.25倍行距，居中排列）1 低合金刃具鋼熱處理工

7、藝概述12 圓板牙鋼的熱處理工藝設計22.1 圓板牙鋼的服役條件、失效形式22.2 圓板牙技術要求及示意圖22.3 圓板牙鋼的材料選擇42.4 圓板牙 9SiCr鋼的C曲線52.5 圓板牙9SiCr鋼加工工藝流程圖62.6 9SiCr圓板牙(M12)鋼退火-淬火-回火熱處理工藝62.7 9SiCr圓板牙鋼退火、淬火、回火熱處理工藝理論112.8 選擇設備、儀表和工夾具122.9 圓板牙熱處理質量檢驗項目、內容及要求142.10 圓板牙熱處理常見缺陷的預防及補救方法153 參考文獻181 45模具鋼熱處理工藝探究概述45鋼是中碳結構鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，且價格低，來源廣，所以廣泛

8、應用，它的最大弱點是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。45鋼淬火溫度在A3+（3050），在實際操作中，一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少，且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化，就需要足夠的保溫時間。對在不同的終軋溫度和不同的正火溫度下45模具鋼的性能和組織進行了探討。結果表明,終軋溫度分別為1070和860的鋼板性能相差不大,采用850 ×1h正火處理后鋼板可得到最佳性能。45號鋼的搓火溫度在820840度左右。因為45鋼淬透性低，故采用冷卻速度大的10%鹽水溶液，45號鋼水容易有軟點。 本文重點討論45模具鋼熱處理工藝的探究。2 45

9、 模具鋼的熱處理工藝設計2.1 45模具鋼服役條件、失效形式 服役條件熱作模具鋼的服役條件主要包括：承受較大的沖擊載荷和擠壓應力；承受強烈的塑性磨擦與磨損；承受劇烈不均勻的熱應變與熱應力；承受高溫氧化；承受高溫腐蝕。 失效形式 (1)塑性變形 在模具失效的因素中,材料與熱處理是影響使用壽命的主要因素,其比例約占70 %。選 擇材料不當或熱處理工藝不合理會造成模具工作部 位強度偏低,從而產生塑性變形。模具材料在很高 溫度范圍內長期工作,致使模具表面受到不同程度 的過度回火而被軟化,引起強度降低。當模具型腔 表面軟化到某一硬度值時,就容易產生塑性變形。 (2)熱疲勞 熱疲勞是熱作模具(特別是壓鑄模

10、) 的主要失效 形式之一。工作時,由于模具型腔表面存在較大的 溫度梯度層和急冷急熱作用,使模具表面產生較大 的熱應力,當溫度反復變化時這種熱應力也反復變 化,加之模具工作時承受機械載荷,當超過疲勞極限 的時候,則在模具表面產生網狀或放射狀的疲勞裂 紋。 (3)熱磨損 熱作模具型腔內的磨損和冷作模具材料的磨損 形成因素不同,熱作模具的磨損主要以表面疲勞磨 損為主。對模具磨損有較大影響的因素是模具材料 的成分、模具的溫度和硬度。通常對于同樣的材料, 模具的硬度越低或模具的溫度越高,磨損量越大。 模具與被加工的紅熱金屬坯料之間的摩擦得不到潤 滑,被紅熱的金屬坯料氧化,型腔表面層被回火軟 化,同時氧化

11、又加劇了磨損。 214 (4)斷裂 斷裂和開裂失效在熱鍛模中約占總失效的 20 %25 % ,壓鑄模中占5 %10 %左右。由于斷 裂往往具有突發性,導致使用壽命低,危害大,所以 受到廣泛重視和研究。造成模具斷裂和開裂的原因 很多,除了模具安裝和操作不當外,與載荷過大、模 具設計、材質以及熱處理均有密切的關系。 2.2 圓板牙技術要求 圓板牙的技術要求圓板牙屬于手工切削或低速切削的工，要求齒部有較高的耐磨性，同時齒部不能太脆，因此要有較高的韌性且變形要小，因此不能脫碳。硬度：6063HRC。金相組織：馬氏體針3級，殘留碳化物網3級。尺寸：螺紋中徑應控制在12mm、厚度為14mm、外圓直徑34m

12、m的范圍內。裝爐量：5件。 圓板牙的平面圖圖1 圓板牙平面圖 圓板牙的剖面圖圖2 圓板牙剖面圖2.3 圓板牙鋼的材料選擇圓板牙屬于薄刃工具，其刃部所受的沖擊力不大，制造的材料組織中含有均勻分布的9SiCr鋼為常見的合金工具鋼，為過共析低合金工具鋼，其主要化學成分和臨界溫度如下表1和表2所示。表1 9SiCr鋼的化學成分（GB/T 12992000）W/%CSiMnCrSP0.850.951.201.600.300.600.951.250.0300.0302.4 圓板牙9SiCr鋼的C曲線對于“C”曲線的變化來講，奧氏體晶粒粗大，成分均勻性提高，奧氏體穩定性增加，“C” 圖2 9SiCr鋼奧氏體

13、等溫轉變曲線（奧氏體化溫度875）2.5 圓板牙9SiCr鋼加工工藝流程圖毛坯鍛造球化退火機械加工淬火檢查檢查回火清洗外觀處理發黑處理 圖3 工藝流程圖2.6 9SiCr圓板牙(M12)鋼退火-淬火-回火熱處理工藝制造9SiCr圓板牙（M12）采用的熱處理工藝包括預備熱處理德球化退火和最終熱處 鍛造工藝曲線 圖4 9SiCr圓板牙(M12)熱處理全過程工藝曲線制造圓板牙的毛坯要經過鍛造后獲得基本的形狀。鍛造是利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產生塑性變形，以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工方圖5 鍛造工藝曲線查閱熱處理工藝規范數據手冊可以找出9SiCr鋼的鍛造工藝的加熱溫度、

14、始鍛溫度冷卻方式，本設計具體的鍛造工藝參數如表3所示。表3 9SiCr鋼的熱加鍛造工藝規范項目加熱溫度/開始溫度/終止溫度/冷  卻鋼錠1150120011001150880800緩冷（砂冷或坑冷）鋼坯1100115010501100850800緩冷（砂冷或坑冷） 球化退火工藝曲線圓板牙屬于低合金刃具鋼。低合金刃具鋼的預先熱處理是球化退火，目的是降低硬度，改善鍛造組織和切削加性能，為最終熱處理作組織準備。9SiCr圓板牙球化退火前的組織要求是細片狀珠光體，經等溫球化退火后為球狀珠光體，其經淬-回火后的力學性能與原始組織為片狀珠光體相比，在強度、硬度相同情況下，其塑韌性都要高，且對淬火

15、溫度的敏感性也相對較小。 Acm 870Ac1 770Ar1 730 30h 爐冷500出爐空冷8007102h4h溫度T時間th100h 圖6 9SiCr等溫球化退火工藝曲線 淬火工藝曲線本設計采用等溫淬火。因為等溫淬火除了有消除內應力、提高力學性能和耐磨性等作用外，還可使組織應力和熱應力減至最小，并大大減少工件的變形，適合要求變形小、形狀復雜的刃具，所以對圓板牙這類要求變形較高的工件，宜采用等溫淬火工藝。A cm 870630860鹽浴爐19021minA c1 77011min45min油冷溫度T時間th圖7 9SiCr等溫淬火工藝曲線 低溫回火工藝曲線由于鋼中 Cr、Si的加入，提高了

16、9SiCr圓板牙鋼的回火穩定性，因此可采用低溫回火。圖8 9SiCr回火工藝曲線2.7 9SiCr圓板牙鋼退火、淬火、回火熱處理工藝理論2.7.1 退火原理將組織偏離平衡狀態的金屬或合金加熱到適當的溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻2.7.2 淬火工藝原理把鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上一定溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉變為馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火方法2.7.3 回火工藝原理回火是指將淬火鋼加熱到臨界點A1以下某一溫度，保溫一定時間，使淬火組織轉變為2.8選擇設備、儀表和工夾具2.8.1設備加熱爐為主要的設備。按工作介質分：空氣爐、鹽浴

17、爐、保護氣氛爐、流動離子爐、圖9 插入式電極鹽浴爐結構圖10 埋入式電極鹽浴爐結構2.8.2儀表熱處理中溫度是一個很重要的參數，實現精確的測量與控制，對提高熱處理質量十分2.8.3工夾具圓板牙的特點是厚度與直徑相比顯得薄，淬火時內孔易漲大，除了用等溫淬火來消除具加熱。圖11 淬火掛（吊）具2.9 圓板牙熱處理質量檢驗項目、內容及要求1）變形檢查 圓板牙在熱處理過程中加熱、冷卻，并便隨有相變發生，所以會產生變形，如彎曲或翹曲變形超過圖紙技術或工藝要求范圍，必須校正。2）外觀檢查 表面淬火后不能出現過燒、熔化、裂紋等缺陷。硬度合格后應進行發黑處理，處理后的顏色為棕色或棕黑色。3）硬度檢查 為保證圓

18、板牙熱處理后達到技術或工藝要求，待檢件選取應有代表性，通常從熱處理后的零件中選取能反映零件的工作部位或零件的工作部位硬度的其他部位，對每一個待檢件的正時試驗點數一般應不少于3個點。用洛氏硬度準確測量HRA再換算成HRC。圓板牙檢驗部位如下圖12所示。 圖12 圓板牙硬度檢查部位示意圖表4 淬火回火硬度偏差范圍4）金相組織檢查 圓板牙球化退火后應該為珠光體25級，網狀碳化物3級。按GBT12992000評定。低溫回火后的金相組織為：馬氏體 + 下貝氏體 + 殘余奧氏體 + 碳化物。組織檢驗應注意殘余奧氏體和針狀碳化物，都按國家標準評定。2.10圓板牙熱處理常見缺陷的預防及補救方法2.10.1圓板牙球化退火的缺陷及其預防、補救圓板牙球化退火后易產生組織缺陷為球化組織粗大不均、球化不完全、組織中有網狀2.10.2圓板牙球化淬火的缺陷及其預防、補救圓板牙對變形的要求非常高，所以應特別注