热处理工艺设计

1 5CrNiMo热作模具钢热处理工艺概述

模具是机械、冶金、电子、轻工、国防等部门的重要工艺设备，是保证高效率生产、高产品质量和降低生产成本的重要手段。随着工业技术的迅速发展，各部门都广泛的采用新的高精度、高效率的模具成型工艺代替传统的切削加工工艺。目前，机械工业大约70%的零件采用模具成型。

模具根据工作条件可分为冷作模具和热做模具。热作模具在工作时，承受着巨大的冲击力、压应力、张应力、弯曲应力，模具型腔与高温（有时可达1150~1200℃）金属接触后，本身温度可达300~400℃，局部高达500~600℃。还经受着空气、油、水等的反复冷却。在时冷时热的苛刻条件下工作的模具，其型腔表面极易产生热疲劳裂纹。由此，对热模具钢提出了第一个基本使用性能要求．即具有高的热疲劳抗力。一般说来，影响钢的热疲劳抗力的因素之一是钢的导热性。钢的导热性高，可使模具表层金属受热程度降低，从而减小钢的热疲劳倾向性。一般认为钢的导热性与合碳量有关，含碳量高时导热性低，所以热作模具钢不宜采用高碳钢。在生产中通常采用中碳钢（C0.5%～0.6%）含碳量过低．会导致钢的硬度和强度下降，也是不利的。另外一个因素是钢的临界点影响。通常钢的临界点越高，钢的热疲劳倾向性越低。因此．一般通过加入合金元素Cr、W、Si、引来提高钢的临界点。从而提高钢的热疲劳抗力。此外，炽热金属在模具型腔中变形所产生的强烈摩擦、容易因磨损而降低精度。为此，对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力，实际上反映了钢的高回火

稳定性。由此便可以找到热模具钢合金化的第二种途径，即加入Cr、W、Si．等合金元素可以提高钢的回火稳定性。

根据热作模具钢的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择的模具钢材料为5CrNiMo钢；在设计退火--淬火加高温回火热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理工程师手册》，《钢的热处理》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5CrNiMo钢满足热作模具钢的质量要求。通过对经典5CrNiMo钢热处理工艺的分析，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。

2 5CrNiMo热作模具钢的热处理工艺设计

2.1 5CrNiMo热作模具钢的服役条件、失效形式

2.1.1 服役条件

5CrNiMo热作模具钢多是用来做锤锻模，要求在高温下保持高强度和高韧性，优良的热疲劳性、耐磨性、热稳定性和淬透性，适当硬度，良好的导热性和抗氧化性。

2.1.2 失效形式

1）断裂开裂或机械疲劳裂纹。

2）磨损包括粘着磨损、热疲劳磨损、氧化磨损。此外，当锻件的氧化皮没有清除时，也会发生磨粒磨损。

3）塑性变形锤锻模冲击力大，工作温度高，环境恶劣型腔中水平面和凸台面易发塑性变形。

2.2 5CrNiMo热作模具钢技术要求及零件示意图

2.2.1技术要求

磨具类型零件名称和工作条件

高度小于275mm（小型）

锤锻模高度275—325mm（中型）

高度325—375mm（大型）

使用硬度HRC 38—42（模面） 33—38（模尾） 34—40（模面）

锤锻模由于其工作环境特点，需具备如下基本要求：

1.具有高的热强性与足够的韧性；

2.具有高的热硬性与高温耐磨性；

3.具有高的抗氧化性和耐高温腐蚀性；

4.具有高的热疲劳抗力；

5.具有高的淬透性与导热性；

6.具有良好的热、冷加工性与表面质量。

2.2.2 零件示意图

1－锤头 2－上模 3－飞边槽 4－下模 5－模垫

图1 锤锻模平面图

2.3热作模具钢的材料选择

锤锻模服役的过程中受到比较高的单位压力和冲击负荷，以及炽热金属对锻模型腔的磨擦作用。锤锻模的型腔表面经常和1100-1200℃的金属接触而被加热到400-500℃。这类钢因要求有一定的硬度，又要求有高的冲击韧性，故碳元素含量不宜过高，一般在0.3%—0.6%范围内，材料趋向多元合金化，大量采用铬、钨、钼、镍、钒、硅等元素，以提高钢的淬透性、热稳定性、抗氧化性和耐热疲劳性。

选用三种材料进行比较1）5CrNiMo 2)5CrMnMo 3)5CrMnSiMoV 化学成分：如表 1

表1 三种材料的成分W/%

钢种

5CrNiMo 5CrMnMo

C

0.50~0.60

Si

≤0.40

Mn P S Cr Ni V

Mo

0.15~0.30 0.15~0.30

0.50~0.80 ≤0.030

≤0.030

≤0.030 0.50~0.80 1.40~1.80 ≤0.030 ≤0.030

0.60~0.90 1.30~1.50

≤0.25

0.50~0.60 0.25~0.60 1.20~1.60

5CrMnSiMoV 0.45~0.55 0.80~1.10 0.80~1.10 ≤0.030 0.20~0.40 0.40~0.60

力学性能：

5CrNiMo钢在840℃淬火后450—600℃回火硬度HRC45—37，伸长率39%—52%，强度极限1450—1160MPa。

5CrMnMo钢在850℃油淬后450—650℃回火伸长率8%—16%，强度极限1620—1250MPa。 5CrMnSiMoV钢在860℃淬火后400—600℃回火硬度HRC46—26，伸长率36%—41%，强度极限1780—1320MPa.

加工性能：

5CrNiMo、5CrMnMo钢软化退火温度在650—680℃，5CrMnSiMoV钢软化退货温度为720℃ 成本：

5CrNiMo市场价一般在11200.00元/吨左右，5CrMnMo市场价在4800.00元/顿左右，而5CrMnSiMoV市场价格在20000.00元/吨左右。

由上述综合性能和成本因素的条件下，在保证质量和满足技术要求的同时，为了降低成本所以选择5CrNiMo钢作为锤锻模的使用用钢。

2.4 5CrNiMo热作模具钢的C曲线

对于“C”曲线的变化来讲，奥氏体晶粒粗大，成分均匀性提高，奥氏体稳定性增加。