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40Cr的热处理工艺和金相组织综合分析
毕业设计(论文)中文摘要
随着中国经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求,因而模具材料选择及其热处理工艺的选择已在模具制造业中引起广泛的重视。
模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。
它对模具的制造精度,模具的强度,模具的制造成本,模具的工作寿命有着直接的影响。
本文在分析模具材料和40Cr钢热处理及金相实验基础上,根据模具的选材条件、试样的材料性质,以及40Cr的热处理工艺和金相组织综合分析,根据实际制订出合理的热处理工艺,并根据实验得出数据进行分析。
这样,能使模具达到良好的使用性能和寿命要求的。
同时,满足经济性要求,降低成本。
关键词:
模具材料;热处理;热处理工艺;金相组织;
毕业设计(论文)英文摘要
Abstract:
WithChina'srapideconomicdevelopmentofthemoldindustryhasever-increasingdemands,whichmoldmaterialselectionandheattreatmentprocessofchoicehasbeeninthemoldmanufacturingindustryhasarousedwidespreadattention.Diedieheattreatmentistoensurethattheimportantpropertiesoftheprocess.Itsmanufactureofprecisionmolds,moldstrength,themanufacturingcostofmold,moldofhisworkinglifehasadirectimpact.Basedontheanalysisofmoldmaterialsandheattreatmentandmetallographic40Crsteelonanexperimentalbasis,inaccordancewiththeconditionsofmoldmaterial,thenatureofthesamplematerial,aswellasthe40Crmicrostructureheattreatmenttechnologyandcomprehensiveanalysis,basedontheactualformulationofareasonableheattreatmentprocess,andAccordingtoananalysisofexperimentaldata.Inthisway,makegooduseofmoldperformanceandliferequirements.Atthesametime,meettherequirementsoftheeconomyandreducecosts.
Keywords:
moldmaterial;heattreatment;heattreatmentprocess;microstructure;
第二章40Cr感应淬火工艺参数
2.3试样40cr
第五章热处理实验总结47
第一章绪论
1.1模具制造概况
在现代机械制造业中,模具工业已成为国民经济中一个非常重要的行业,它已成为衡量一个国家产品制造水平高低的一个重要标志。
模具技术水平的高低,是衡量制造业水平高低的重要标志。
在日本,模具被称为“进入富裕社会的原动力”;在德国,模具则被称为“金属加工业中的帝王”。
模具所形成的最终商品的产值是模具自身产值的上百倍。
用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比拟的。
因而,模具又被称为“效益放大器”。
有人还把模具比作“印钞机”。
随着我国加入WTO,我国模具工业的发展将面临新的机遇和挑战。
1.2我国模具的发展与现状
1.2.1我国模具的发展
我国考古发现,早在2000多年前,我国已有冲压模具被用于制造铜器,证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面的成就就在世界领先。
1953年,长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间,该厂于1958年开始制造汽车覆盖件模具。
我国于20世纪60年代开始生产精冲模具。
在走过了温长的发展道路之后,目前我国已形成了300多亿元(未包括港、澳、台的统计数字,下同。
)各类冲压模具的生产能力。
1.2.2我国模具制造业现状概况
中国经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求,也为其发展提供了巨大的动力。
近10年来,中国模具工业的一直以每年15%左右的增长速度快速发展。
目前,中国约有模具生产厂点2万余家,从业人员有50多万人,全年模具产值达534亿元人民币。
近年来,模具行业结构调整步伐加快,主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度;塑料模和压铸模比例增大;面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。
随着经济体制改革的不断深入,“三资”及民营企业的发展很快。
中国模具工业的发展在地域分布上存在不平衡性,东南沿海地区发展快于中西部地区,南方的发展快于北方。
模具生产最集中的地区在珠江三角和长江三角地区,其模具产值约占全国产值的三分之二以上。
1.3模具选材
1.3.1满足工作条件要求
1.耐磨性:
坯料在模具型腔中塑性变性时,沿型腔表面既流动又滑动,使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦,从而导致模具因磨损而失效。
所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。
硬度是影响耐磨性的主要因素。
一般情况下,模具零件的硬度越高,磨损量越小,耐磨性也越好。
另外,耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。
2.强韧性:
模具的工作条件大多十分恶劣,有些常承受较大的冲击负荷,从而导致脆性断裂。
为防止模具零件在工作时突然脆断,模具要具有较高的强度和韧性。
模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。
3.疲劳断裂性能:
模具工作过程中,在循环应力的长期作用下,往往导致疲劳断裂。
其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。
4.高温性能:
当模具的工作温度较高进,会使硬度和强度下降,导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。
因此,模具材料应具有较高的抗回火稳定性,以保证模具在工作温度下,具有较高的硬度和强度。
5.耐冷热疲劳性能:
有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态,使型腔表面受拉、压力变应力的作用,引起表面龟裂和剥落,增大摩擦力,阻碍塑性变形,降低了尺寸精度,从而导致模具失效。
冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一,帮这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。
6.耐蚀性:
有些模具如塑料模在工作时,由于塑料中存在氯、氟等元素,受热后分解析出HCI、HF等强侵蚀性气体,侵蚀模具型腔表面,加大其表面粗糙度,加剧磨损失效。
1.3.2满足工艺性能要求
模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。
为保证模具的制造质量,降低生产成本,其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性;还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。
1.可锻性:
具有较低的热锻变形抗力,塑性好,锻造温度范围宽,锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。
2.退火工艺性:
球化退火温度范围宽,退火硬度低且波动范围小,球化率高。
3.切削加工性:
切削用量大,刀具损耗低,加工表面粗糙度低。
4.氧化、脱碳敏感性:
高温加热时抗氧化怀能好,脱碳速度慢,对加热介质不敏感,产生麻点倾向小。
5.淬硬性:
淬火后具有均匀而高的表面硬度。
6.淬透性:
淬火后能获得较深的淬硬层,采用缓和的淬火介质就能淬硬。
7.淬火变形开裂倾向:
常规淬火体积变化小,形状翘曲、畸变轻微,异常变形倾向低。
常规淬火开裂敏感性低,对淬火温度及工件形状不敏感。
8.可磨削性:
砂轮相对损耗小,无烧伤极限磨削用量大,对砂轮质量及冷却条件不敏感,不易发生磨伤及磨削裂纹。
1.3.3满足经济性要求
在给模具选材是,必须考虑经济性这一原则,尽可能地降低制造成本。
因此,在满足使用性能的前提下,首先选用价格较低的,能用碳钢就不用合金钢,能用国产材料就不用进口材料。
另外,在选材时还应考虑市场的生产和供应情况,所选钢种应尽量少而集中,易购买。
1.4、合金元素对钢性能的影响
在现代工业生产中,含合金元素的钢已被广泛的采用,这是因为他们不但有较好的物理、化学性质,更重要的是它的机械性能也大为改善,特别是强度、韧度等有显著的增加。
而且它具有优越的热处理性能;同时,热处理能十分显著的改善和加强他的机械性能。
因此,我们必须详细的了解各个合金元素对钢在热处理时的影响。
现将本实验试样40Cr(化学成分见下表1-1)各个元素对钢在热处理时的影响分述如下:
40Cr钢的化学成分(GB/T3077-1999)ω/%
C
Si
Mn
Cr
S
P
Ni
Cu
0.37~0.45
0.17~0.37
0.50~0.80
0.80~1.10
≤0.030
≤0.030
≤0.25
≤0.030
表1-140Cr钢的化学成分
(一)碳(C)的影响
从铁碳平衡图中,我们能清楚的看到,钢随着含碳量的增加,钢的基本组织不同,而且在加热与冷却时,组织转变的温度也不相同。
纯铁在加热与冷却过程中,仅发生晶格的变化(同素异形转变)。
所以热处理时其机械性能几乎不发生影响。
但是随着含碳量的增加,热处理将发生显著地作用。
如亚共析钢随着含金量的增高,淬火后强度、硬度都有显著提高;同时含碳量的多少也确定了钢的热处理工艺。
例如亚共析钢随着含碳量的增加,它的A3逐渐降低,因而退火、正火、淬火的加热温度都随之降低。
而过共析钢的正火温度随着含碳量的增高而增高,但淬火温度都是在Ac1以上30-50摄氏度。
而且随着钢中含碳量的增加,淬透性也有所提高,工件淬火后引起的变形也就越大,增加淬火时的困难;同时含碳量增加,使马氏体点下降残余奥氏体的数量增加。
如低碳钢淬火后几乎不含残余奥氏体,而高碳钢则含大量残余奥氏体。
(二)铬(Cr)的影响
铬为碳化物形成元素。
它能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性;阻止晶粒长大,增加钢的淬透性,降低钢的临界冷却速度。
因而,使钢在热处理时,退火、正火、淬火的加热温度与所提高。
并使它在油中便能淬硬。
但他降低了钢的马氏体点,因而增加了钢残余奥氏体量。
使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500℃和400-250℃。
提高了钢的硬度和强度,增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。
(三)镍(Ni)的影响
Ni能强化铁素体,降低钢的Ac1和Ac3点,从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度有所降低。
增加了奥氏体的稳定性,降低了钢的临界冷却速度,对钢的淬透性略有增加;但它降低了钢的马氏体点,增加了钢的残余奥氏体量。
对钢的强度和硬度有所提高,但阻止晶粒长大的作用不明显。
(四)硅(Si)的影响
Si能升高Ac1和Ac3点,从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度增高。
能增加奥氏体的稳定性,降低临界冷却速度,增加钢的淬透性很多,故能使Si合金钢在油中淬硬。
对钢的马氏体区域有什么影响,增加残余奥氏体数量不多。
对钢的强度、硬度增加不多,但却增加了钢的回火脆性和过热与脱碳的敏感性。
(五)锰(Mn)的影响
Mn为碳化物形成元素。
他降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。
增加奥氏体的稳定性,降低钢的临界冷却速度,同时增加钢的淬透性,但它使残余奥氏体量增加。
可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。
使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。
(六)硫(S)的影响
硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055%,优质钢要求小于0.040%。
在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。
(七)铜(Cu)和硼(B)的影响
(1)铜在合金钢中,使钢的Ac3下降,即使热处理的加热度降低;铜还能增加钢的淬透性和增加钢的强度。
硼为钢中的微量元素,一般仅在0.001-0.005%之间,它能增加钢的淬透性,提高钢的热处理温度,而且能提高钢的强度与硬度。
1.5实验目的及意义
1.5.1、实验目的
1、熟悉钢的常用热处理方法及工艺要点;
2、掌握使用热处理的各种器材仪器;
3、在淬火温度及变量相同的情况下回火温度对硬度的影响;
4、认识合金元素对钢的热处理的影响;
5、了解金相试样的制备过程及方法,学会正确使用显微镜观察试样的显微组织;
6、通过金相试样制备、显微观察得出微观组织;对组织进行分析研究。
1.5.2、实验意义
1.5.2.1、热处理实验的意义
热处理是将材料在固态下采用适当的方式进行加热,保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺方法。
1、通过适当的热处理能显著提高钢的力学性能,以满足零件的使用要求和延长零件的使用寿命;
2、通过热处理能改善钢的加工工艺性能(如切削加工性能、冲压性能等),以提高生产率和加工质量;
3、通过热处理还能消除钢在加工(如铸造、焊接、切削、冷变形等)过程中产生的残余应力,以稳定零件的形状和尺寸。
此外,有时还采用表面强化技术,以进一步提高钢的表面硬度和耐磨寿命。
1.5.2.2、磨片实验的意义
我们研究金属材料的力学性能就是在研究其内部组织,金属材料的微观组织决定了材料的各种性能,改变金属材料的化学成分或通过各种热处理工艺方法,能改变金属材料的组织结构,从而可以达到改变其性能的目的。
因此,了解金属材料的组织结构及其变化规律对于掌握金属材料及其性能有着必要的意义。
1.6研究方案技术路线
通过对实验材料(40Cr钢)进行分析研究,得出实验方案(如图1-2)
试样:
40Cr钢
图1-2研究技术图
本研究报告严格按照此技术图进行实验,并对实验结果进行分析总结。
第二章40Cr感应淬火工艺参数
2.曲轴服役条件和性能指标
2.1服役条件
曲轴工作过程中,往复的惯性力和离心力使之承受很大的弯曲和扭转应力,轴颈表面容易磨损。
疲劳断裂是曲轴的主要破坏形式,裂纹源多发生在轴颈与曲臂的过渡圆角处。
除曲轴的材质、加工因素外,如果由于工作条件(温度、环境介质、负荷特性)的变化,特别是曲轴在工作运转中所受的弯曲应力或扭转应力超出了损坏界(真实应力>σ-1,τ-1),在圆角过渡处的薄弱部位就会出现裂纹而发展为弯曲疲劳断裂或扭转疲劳断裂。
2.2技术要求
2.2.1调质技术要求
调质曲轴试样硬度及机械性能。
硬度:
290~330HB
机械性能:
b≥1000Mpas≥800Mpa
≥12%≥45%
AKu≥45J(u型缺口)
2.3实验试样:
40Cr
图2-140Cr
直径30mm、高为15mm的圆柱坯料5个
2.3.1.40Cr钢的物理性能
40Cr钢的弹性模量和切变模量
弹性模量E(20℃)
/MPa
200000~211700
切变模量G(20℃)
80800
表2-2
40Cr钢的线(膨)胀系数
温度/℃
20~200
20~300
20~400
20~500
20~600
20~700
备注
线(膨)胀系数/C-1
(11.9~12.0)×10-6
(13.3~13.4)×10-6
(14.3~14.4)×10-6
(15.0~15.1)×10-6
(15.3~15.4)×10-6
(15.4~15.5)×10-6
1
2
表2-3
1用钢成分(%):
0.37C,0.30Si,0.66Mn,0.95Cr,0.18Ni,0.016P,0.028S;
2用钢成分(%):
0.42C,0.29Si,0.69Mn,0.87Cr,0.14Ni,0.010P,0.013S。
40Cr钢的热导率
温度/℃
100
200
300
400
500
600
热导率λ/W·(m·K)-1
32.6
30.9
29.3
28.0
26.7
25.5
表2-4
2.3.2.40Cr钢的化学成分
40Cr钢的化学成分(GB/T3077-1999)ω/%
C
Si
Mn
Cr
S
P
Ni
Cu
0.37~0.45
0.17~0.37
0.50~0.80
0.80~1.10
≤0.030
≤0.030
≤0.25
≤0.030
表2-5
2.3.3.40Cr钢的调质处理
Cr能增加钢的淬透性,提高钢的强度和回火稳定性,具有优良的机械性能。
截面尺寸大或重要的调质工件,应采用Cr钢。
但Cr钢有第二类回火脆性。
40Cr工件调质的淬回火,各种参数工艺卡片都有规定,我们在实际操作中体会是:
(一)40Cr工件淬火后应采用油冷,40Cr钢的淬透性较好,在油中冷却能淬硬,而且工件的变形、开裂倾向小。
但是小型企业在供油紧张的情况下,对形状不复杂的工件,可以在水中淬火,并未发现开裂,只是操作者要凭经验严格掌握入水、出水的温度。
(二)40Cr工件调质后硬度仍然偏高,第二次回火温度就要增加20~50℃,不然,硬度降低困难。
(三)40Cr工件高温回火后,形状复杂的在油中冷却,简单的在水中冷却,目的是避免第二类回火脆性的影响。
回火快冷后的工件,必要时再施以消除应力处理。
2.4感应加热技术参数
感应加热技术作为一种新的技术被广泛应用到机械工程当中,其是利用电磁感应使被加热的材料(即工件)的内部产生电流,依靠这些涡流的能量来达到加热的目的。
感应加热系统的基本组成包括感应线圈、交流电源和工件。
根据加热对象的不同,可以把线圈制作成不同的形状。
线圈和电源相连,电源为线圈提供交变电流,流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场,该磁场使工件产生涡流来加热。
感应加热是伴随着汽车工业和拖拉机工业的诞生而起步的。
由于其具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化和自动化等优点。
目前常用的最有效的热处理工艺,具有下列多种应用:
表面淬火、透热淬火、回火和消除应力(低温)、退火和正火(高温)、焊缝退火、粉末金属烧结等。
已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业广泛应用。
在铸造方面,正在迅速发展双联熔炼工艺,即利用中频炉保温改性,进行球墨铁或合金钢的精密浇铸;在锻造方面,利用敢于加热实现快速透热热锻,不仅减少了氧化皮损耗而且大大地增加了锻模的寿命,其材料利用率可达85%,锻件表面粗糙度可小于50μm;在焊接、淬火方面,国外一方面致力于开发大功率全固态高频电源,一方面致力于开发高度自动化热处理成套处理系统。
我国目前每年大约需要1000万t铸件,而铸造行业仍以冲天炉熔炼、一般铸铁的铸造为主,吨位较小,导致温度及成份波动大,废品率高。
较好的铸造业废品率也在6%~15%间,而一般铸造厂的废品率则高达30%。
2.4.1感应淬火工艺
随着工业的迅速发展,我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。
目前我国零件感应淬火用材料包括:
45#、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、35#、ZG45、球铁、合金铸铁等。
感应加热淬火介质包括:
水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介质、UCON、豪富顿251等。
所采用的加热方式及应用主要包括:
横向磁场静止一次加热淬火(销轴类零件、凸轮轴);横向磁场连续加热淬火(减振器杆、变速叉轴、扭杆等);横向磁场多段连续加热淬火(起动机轴、空压机轴等);纵向磁场整体一次加热淬火(半轴等);仿形感应器零件旋转加热淬火(球头销);感应接触加热淬火(转向齿条);内孔的一次及连续加热淬火(输出法兰、钟型壳内腔);阶梯轴类零件的旋转加热淬火(小红旗后轮毂轴、转向节);平面类零件的一次及连续加热淬火(钢板弹簧横向限位板);薄壁类复杂零件一次及连续加热淬火(前轮毂、滑动轴叉);复杂形状零件的一次加热淬火(钟型壳变截面轴);槽口一次淬火(变速叉);复杂回线工件旋转一次加热淬火(曲轴)等。
2.4.1.1淬火加热温度
淬火加热温度根据钢的成分、组织和不同的性能要求来确定。
亚共析钢是AC3+(30~50℃);共析钢和过共析钢是AC1+(30~50℃)。
亚共析钢淬火加热温度若选用低于AC3的温度,则此时钢尚未完全奥氏体化,存在有部分未转变的铁素体,淬火后铁素体仍保留在淬火组织中。
铁素体的硬度较低,从而使淬火后的硬度达不到要求,同时也会影响其他力学性能。
若将亚共析钢加热到远高于AC3温度淬火,则奥氏体晶粒回显著粗大,而破坏淬火后的性能。
所以亚共析钢淬火加热温度选用AC3+(30~50℃),这样既保证充分奥氏体化,又保持奥氏体晶粒的细小。
过共析钢的淬火加热温度一般推荐为AC1+(30~50℃)。
在实际生产中还根据情况适当提高20℃左右。
在此温度范围内加热,其组织为细小晶粒的奥氏体和部分细小均匀分布的未溶碳化物。
淬火后除极少数残余奥氏体外,其组织为片状马氏体基体上均匀分布的细小的碳化物质点。
这样的组织硬度高、耐磨性号,并且脆性相对较少。
过共析钢的淬火加热温度不能低于AC1,因为此时钢材尚未奥氏体化。
若加热到略高于AC1温度时,珠光体完全转变承奥氏体,并又少量的渗碳体溶入奥氏体。
此时奥氏体晶粒细小,且其碳的质量分数已稍高于共析成分。
如果继续升高温度,则二次渗碳体不断溶入奥氏体,致使奥氏体晶粒不断长大,其碳浓度不断升高,会导致淬火变形倾向增大、淬火组织显微裂纹增多及脆性增大。
同时由于奥氏体含碳量过高,使淬火后残余奥氏体数量增多,降低工件的硬度和耐磨性。
因此过共析钢的淬火加热温度高于AC1太多是不合适的,加热到完全奥氏体化的ACm或以上温度就更不合适。
在生产实践中选择工件的淬火加热温度时,除了遵守上述一般原则外,还要考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及中频加热设备、冷却介质等诸多因素的影响,对加热温度予以适当调整。
如合金钢零件,通常取上限,对于形状复杂零件取下限。
强韧化新工艺选用的淬火加热温度与常用淬火温度有所区别。
如亚温淬火是亚共析钢在略低于AC3的温度奥氏体化后淬火,这样可提高韧性,降低脆性转折温度,并可消除回火脆性。
如45、40Cr、60Si2等材料制成的工件亚温淬火加热温度为AC3-(5~10℃)。
2.4.1.3淬火介质
工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质(或淬火介质)。
理想的淬火介质应具备的条件是使工件既能淬成马氏体,又不致引起太大的淬火应力。
这就要求在C曲线的“鼻子”以上温度缓冷,以减小急冷所产生的热应力;在“鼻子”处冷却速度要大于临界冷却速度,以保证过冷奥氏体不发生非马氏体转变;在“鼻子”下方,特别是Ms点以下温度时,冷却速度应尽量小,以减小组织转变的应力。
常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。
●水
水是冷却能
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