W18Cr4V挤压杆热处理工艺的设计

------------------------------------------------------------------------W18Cr4V挤压杆热处理工艺的设计目录1绪论---------------------11引言----------------------------------21热处理工艺课程设计的目的--------------------32零件的技术要求及选材------------------------42.1技术要求-------------------------------42.2材料的选择-----------------------------52.3化学成分及合金元素的作用---------------63热处理工艺课程设计的内容及步骤-------------83.1相变点的确定---------------------------83.2热处理工艺-----------------------------83.2.1工艺流程-------------------93.2.2热处理工艺参数的制定-------------113.2.3所选热处理工艺的目的-------------143.2.4热处理工艺卡片填写---------------173.2.5操作过程中的注意事项-------------183.3热处理设备的选择-----------------------193.4夹具的设计或选用以及零件的摆布---------223.5组织特点和性能的分析-------------------234收获和体会---------------------------------285参考文献-----------------------------------326附表1热处理工艺卡-------------------------341热处理工艺课程设计的目的热处理工艺课程设计是高等学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：（1）培养学生综合运用所学热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、零件绘图和学习使用设计资料、手册、标准和规范。因此，本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。要求我们设计工艺流程，这需要翻查大量的文献典籍。如何灵活使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手册的查找规范和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。材料热处理工艺课程设计是培养材料专业学生在热处理原理方面能力的重要环节，纸上谈兵是经不起考验的，扎实的理论唯有通过实践才能够证明，且科学的实践能够有效巩固甚至发展原有的理论，因此，本课程设计通过给出20余种不同牌号的材料，要求学生以个人（允许讨论）或组队的方式完成热处理工艺的设计，对学生巩固已学热处理知识、学习使用工具书、增强团队合作意识等是大有裨益的。2零件的技术要求及选材2.1技术要求冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。显然，冷挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产中。与热锻、温锻工艺相比，可以节材30%～50%，节能40%～80%而且能够提高锻件质量，改善作业环境。目前，冷挤压技术已在紧固件、机械、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、军工等工业部门中得到较为广泛的应用，已成为金属塑性体积成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。2.2材料的选择本课程设计所要求的挤压杆为重载冷挤压模的凸模，挤压模主要用于材料体成形，工作应力大，钢件承受的挤压力为：2000～2500MPa。材料在型腔中剧烈变形同时产生热量，模具在反复的应力和温度约300℃挤压杆是冷作模具的凸模部分，工作时主要承受着拉压、冲击、疲劳、摩擦等多种机械力的作用，使模具发生脆断、堆塌、磨损、咬合、啃伤、软化等现象而失效。因此，挤压杆作为冷作模具应具备高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳、不咬合等能力。因此凸模选用高速钢W18Cr4V，工作硬度可达62HRC以上。在W18Cr4V钢中碳化物分布的均匀性较差，并易产生粗大角状碳化物颗粒，钢的韧性和塑形也较差。该钢不适宜用来生产大断面钢材，也不宜进行冷轧或冷拔加工，因为粗大角状碳化物易在冷加工过程中使钢开裂产生微裂纹，从而使钢的性能变差。W18Cr4V钢可用于制造各种切削工具，例如车刀、刨刀、铣刀、铰刀、拉刀、滚刀、插齿刀、锯条、丝锥、板牙和钻头等，不适宜制造大截面和热塑性成形刀具。此外，W18Cr4V钢还用于制造高温轴承、模具和耐磨机零件等。2.3化学成分及合金元素的作用W18Cr4V为常用的钨系高速钢的一种，属于莱氏体钢，是高速钢应用最长久的一种。和其它高速钢一样，常被称为“白钢”、“锋钢”或“风钢”（空冷即可淬火）。W18Cr4V钢化学成分（%）钢号CSiMnCrW18Cr4V0.70~0.800.20~0.400.10~0.403.80~4.40MoWVP,S≤0.3017.50~19.001.00~1.40≤0.030W18Cr4V钢的热导率温度/℃20200500700900λ/W·m-1·K-127.2125.9625.9625.1225.12W18Cr4V钢的热导率比碳含量相同的铸钢低温时热导率小很多，高温时略小。W18Cr4V所含元素的作用：碳主要与铬、钨、钼和钒(碳化物的形成元素)等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及红硬性。钨是提高红硬性的主要元素，它在钢中形成碳化物。加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其他合金元素、有很高回火稳定性的马氏体。在回火时，一部分钨以碳化物的形式弥散析出，造成二次硬化。在加热时，未溶的碳化物则起到阻止奥氏体晶粒长大的作用。铬铬的碳化物（Cr23C6）在淬火加热时几乎全部溶于奥氏体，从而提高过冷奥氏体的稳定性和钢的淬透性，同时还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。钒能显著地提高高速钢的红硬性、硬度及耐磨性。钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，造成二次硬化而提高钢的红硬性。钴也能显著提高钢的红硬性及硬度。3热处理工艺课程设计的内容及步骤3.1相变点的确定Fe-18%W-4%Cr-C系的变温截面图高速钢属于高合金莱氏体钢，其相图较复杂。由上示Fe-18%W-4%Cr-C系的变温截面图，并查找资料，可确定W18Cr4V的相变点：项目Ac1Ac3Ar1Ms温度/℃8208607602103.2热处理工艺3.2.1工艺流程用W18Cr4V制作挤压杆的工艺流程为：淬火及回火示意图：W18Cr4V制作挤压杆的最终热处理采用分级淬火+三次回火的工艺，在淬火加热过程中采用二次预热，温度分别为550℃和820℃，奥氏体化温度定为1260℃；在淬火冷却过程中采用二级分淬，温度分别取600℃和230℃。最后采用560球化退火为往复球化退火，去应力退火是为了去除由于粗加工所引起的及铸件内存在的残余应力（但不引起组织的变化）而进行的退火，由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同，以及去除程度的不同，去应力退火的加热温度范围很宽，应根据具体情况决定，例如：对于W18Cr4V高速钢制作的模具，在粗加工及半精加工之间，淬火之前，常进行600～700℃、2-4h的去应力退火。去应力退火后，均应缓慢冷却，以免产生新的应力。球化退火、去应力退火、回火等工艺过程中均需使用煤油作为保护气，以防止工件被氧化。3.2.2热处理工艺参数的制定根据时间计算公式τ=a×K×D【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料，将工艺参数制表如下：热处理工艺参数表工艺温度/℃时间/saKD加热加热+保温球化退火加热8603h保温740去应力退火6504h烘干预热5500.41.3257801560二级预热8200.351.325682.51365奥氏体化12600.181.325351351一级预冷6000.41.325780780二级预冷230600空冷20空冷至20三次回火560每次1h注：球化退火，去应力退火，一级预热，二级预热、奥氏体化加热和回火均采用到炉加热，加热时先在炉口预热，后放入炉中加热。一级预冷和二级预冷采用到炉冷却。各参数确定如下：装炉修正系数K的确定：在W18Cr4V挤压杆热处理时在吊篮中间隔为50mm，所以装炉修正系数K取1.3。2）由钢种决定的加热系数a（min/mm）的确定：所需数据为：项目一级预热二级预热奥实体化一级预冷温度/℃5508201260600加热系数0.40.350.180.43）工件有效厚度的确定：下表为不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数表，有此可计算出工件的有效厚度为：D=直径×形状系数=25×1.0=25mm。3.2.3所选热处理工艺的目的（1）锻造W18Cr4V属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C，大大降低钢的力学性能，特别是韧度。这些碳化物不能用热处理来消除，只能依靠锻打击碎，并使其均匀分布。因此W18Cr4V作为高速钢，它的锻造具有成形和改善碳化物的两重作用，是非常重要的加工过程。为了得到小块均匀的碳化物，高速钢需经反复多次镦拔。高速钢的塑性、导热性较差，锻后必须缓冷。（2）球化退火球化退火的目的是获得满意的可加工性，为淬火作好组织准备，即球化退火可降低硬度，改善切削加工性能和获得均匀的组织，改善热处理工艺性能。W18Cr4V毛坯成批球化退火采用往复球化退火的工艺，这是一种周期退火，目的是加速球化过程。加热温度取860℃，保温温度取740℃，加热温度+保温时间是2～4h，因为冷挤压杆有效厚度为25mm，较小，故取球化退火时间为3h。退火后随炉冷却到（3）去应力退火去应力退火的目的是消除模具淬火或精加工前的残余应力，避免高速钢在加工过程中出现裂纹。对于精度要求的模具在粗加工之前，常进行600-700℃的去应力退火，时间为2-4h。因为冷挤压杆工作条件苛刻，精度要求高，故采用650℃去应力退火4h的工艺。冷却过程采用随炉冷却到（4）淬火淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而赋予工件以需要的综合机械性能。二次预热保温目的：高合金的高速钢导热性差，为防止工件加热时变形、开裂和缩短加热的保温时间以减少脱碳。预热温度分别为550℃（介质为31BaCl2+48CaCl2+21NaCl）和820奥实体化加热温度选择为1260℃。W18Cr4V钢的奥氏体化温度很高，是因为M23C6：900℃开始溶解，1090℃全部溶解；M6C：1037℃开始溶解；MC：在淬火冷却过程中采用分级淬火。分级淬火是把加热好的工件先投入温度稍高于Ms点的盐浴或碱中快速冷却停留一段时间，待其表面与心部达到介质温度后取出空冷，使之发生马氏体转变。它比双液淬火进一步减少了应力和变形，操作较易。但由于盐浴、碱浴的冷却能力较小，故只适用于形状较简单、尺寸较小的工作。（5）回火高速钢对热硬性的要求较高，在淬火后，材料里还有大量的残余奥氏体存在，其硬度较低（40～50HRC),后经560℃选用三次回火是因为高速钢淬火后大部分转变为马氏体，残留奥氏体量是20—25%，甚至更高。第一次回火后，又有15%左右的残留奥氏体转变为马氏体。还有10%左右的残留奥氏体，15%左右新转变未经回火的马氏体，还会产生新的应力，对性能还有一定的影响。为此，要进行二次回火，这时又有5—6%的残留奥氏体转变为马氏体，同样原因为了使剩余的残留奥氏体发生转变，和使淬火马氏体转变为回火马氏体并消除应力，需进行第三次回火。经过三次回火残留奥氏体约剩1—3%左右。W18Cr4V钢球化退火、去应力退火和一级预热之前需进行烘干，防止表面残留水分，导致氧化脱碳。在W18Cr4V钢淬火空冷之后需经过清洗，去除表面残留的盐类，然后烘干，并及时回火。工艺最后按要求还可选择精加工，在此不作详细叙述。3.2.4热处理工艺卡片填写见附表1热处理工艺卡片。3.2.5操作过程中的注意事项1锻造后必须经过球化退火后才能进行加工。2球化退火时应注意加热温度和保温温度之间的区别，并保证足够的球化退火时间。3球化退火后先炉冷后空冷，减少残余应力。4去应力退火注意温度及保证足够的保温时间。5去应力退火后先炉冷后空冷，减少残余应力。6球化退火和去应力退火都应先将工件放在炉口缓慢升温后才能放入炉内。7淬火加热时应注意控制加热速度。8淬火预热时应保证足够的预热时间，使工件温度均匀化。9严格控制奥氏体化温度和加热时间。10控制分级冷却的时间，减少奥氏体稳定化。11控制回火温度，回火保温时间和回火次数，保证碳化物的析出，从而保证硬度和红硬性。12回火冷却时应空冷至室温后再进行下一次回火，得到较多的回火马氏体。13淬火加热时，遇到突然停电，盐浴炉不能正常工作时，应立即从炉中去除工件，空冷。重新加热淬火前必须经过退火，否则，将出现萘状端口。14盐浴炉中的工件冷却到室温后，必须经过清洗，烘干后才能进行回火。15淬火后应及时回火。16回火出炉工件应随吊篮一起空冷，不能将工件堆放进行空冷。17中温预热和高温加热的盐浴应严格校正。18在生产中要经常检查控温仪表，常用光学高温计核对炉温的准确性。19加热工件与电极，炉底和炉壁应保证足够的距离。20大批工件进行淬火时必须进行试淬，淬火后检查淬火晶粒度，调节炉温。21在球化退火，去应力退火和回火过程中应注意添加足够的保护剂，减少工件表面的氧化脱碳。3.3热处理设备的选择①球化退火设备：中温井式电阻炉RJ2-40-9。型号额定功率/kW额定电压/V相数额定温度/℃炉膛尺寸（直径X深度）/mm在890℃空炉损耗功率/kW空炉升温时间/h最大装载量/kgRJ2-40-9403803950600X800≤9≤2.5350②去应力退火设备：中温井式电阻炉RJ2-40-9。RJ系列自然对流井式电阻炉均有一个井式炉膛，且炉内不设风扇的电阻炉。它主要用于长杆工件在空气介质中加热，或加密封措施用作通保护气体保护加热。③一级预热（550℃④二级预热（820℃⑤奥实体化（1260℃项目RDM-45-6RDM-70-8RDN-90-13额定功率/kW457090电源电压/V380380380电极电压范围/V14.48~30.5916.15~3416.25~34.55额定电极电压/V25.12828.14相数333额定温度/℃6508501300空炉损耗功率/kW<12<24<50炉膛尺寸/mm长450450450宽350350350深700700700外形尺寸/mm长131013101410宽101010101110深107010701070重量/kg163016401770配套变压器型号ZUSG3-50-3ZUSG3-75-3ZUSG3-100-3埋入式电极盐浴炉的电极从浴槽侧壁插入，埋在浴槽砌体中。本淬火分级加热方案中的三种埋入式电极盐浴炉采用相同的炉膛尺寸，均为450×350×700（长×宽×深/mm），保证了加热过程中夹具的一致性和炉膛的使用率，可提高能源利用率和简化操作。⑥一级预冷（600℃⑦二级预冷（230℃项目溶剂功率/kW电压/V相数接线方法最高温度/℃升温时间/hNS-85-63硝盐383803Y550≤1.2空载功率/kW炉膛尺寸/mm外形尺寸/mm重量/kg长宽深长宽深6Φ6008001580142017102050低温盐炉广泛用于马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、工件回火、形变铝合金热处理等。⑧清洗设备：废水池。⑨烘干设备：烘箱。⑩回火（560℃3.4夹具的设计或选用以及零件的摆布3.4.1夹具的设计盐浴炉吊篮井式电阻炉吊篮夹具为自行设计，均采用吊篮形式。长方体形吊篮适用于盐浴炉，圆柱形吊篮适用于井式电阻炉。长方形吊篮为320X240X250（长X宽X深/mm），圆柱形吊篮直径为400mm，高度为250mm。顶部均采用吊环，可使用行车移动，可将吊篮从顶部竖直放入炉中。吊篮上面向下数第一层和第二层正方形间隙边长为300m，第三层间隙为100m，可方便地将工件放入竖直吊篮中，并不从底部掉出或移动。3.4.2零件的摆布零件竖直放入吊篮的正方形间隙中，并使用吊篮移动和放入炉中。3.5组织特点和性能的分析高速钢的组织是由碳化物和基体两大部分组成，其中的每一部分都复杂多变。大量合金碳化物的存在是高速钢组织的重要特征。高速钢是典型的莱氏体钢，在冶炼浇注时，在钢水凝固的最后阶段，莱氏体从钢水中析出，共晶碳化物存在于莱氏体之中。在随后的锻造开坯等加工过程以及热处理过程中，共晶碳化物经历了种种变化，最后以颗粒形状分布在钢的基体之中，通常把这种来自共晶碳化物的颗粒称之为一次碳化物，其数量、类型、分布、尺寸大小和形状等因素与钢的化学成分和生产工艺有关，并对钢的质量和性能产生重要的影响。除了一次碳化物外，从奥氏体等基体中析出的细小碳化物被称为二次碳化物，它们对钢的质量和性能同样产生重要影响。3.5.1铸态组织高速钢在实际铸锭凝固时的冷却速度大于平衡冷却，合金元素来不及扩散，在结晶和固态相变过程中的转变不能完全进行。如包晶反应不能进行完毕，仍有部分高温铁素替体δ相被保留下来，再继续冷却时发生共析分解δ→γ＋M6C，随后γ相再发生共析反应。这种转变产物金相形态呈黑色，称为“黑色组织”。γ相的共析反应也可能被抑制而过冷到低温，转变为马氏体M和残留奥氏体Ar，形成所谓的“白亮组织”。这样，高速钢的铸态组织常常由鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织（δ共析体等）和白亮组织（M+Ar）组成。高速钢锻造后，共晶莱氏体网络被破碎，碳化物不但细小，而且分布均匀，从而显著地提高了钢材组织的均匀程度及其力学性能。3.5.2碳化物在高速钢中碳化物数量多、类型多、变化复杂、对钢性能的影响很大，也很复杂。各种碳化物的硬度如下表：碳化物类型硬度HV（Fe,W）6C1870（Fe,Mo）6C61890（Fe,W,Mo,Cr,V）6C62060Mo2C2240W2C2740（V,Fe,W,Cr）C2840（Cr,Fe）23C61620（Cr,Fe）7C323003.5.3退火组织W18Cr4V锻造后经球化退火，使钢中的碳化物球状化。球化退火可降低硬度，改善切削性能；获得均匀组织，改善热处理工艺性能；可经淬火、回火后获得良好的综合机械性能。钢件经粗加工后需进行去应力退火处理，可去除由于粗加工所引起的及铸件内存在的残余应力（但不引起组织的变化）。铸件由于铸造应力的存在，可能发生几何形状不稳定，甚至开裂；尤其是在机械加工后，由于应力平衡的破坏，常会造成变形超差，使工件报废，因此各类铸件在机械加工前应进行消除应力处理。3.5.4淬火组织高速钢的淬火组织是由淬火马氏体、残余奥氏体和剩余碳化物组成。高速钢的淬火温度很高，接近钢的熔点，这是高速钢热处理的最重要特征，淬火温度与高速钢的使用性能密切相关。在淬火高温加热过程中，基体转变成奥氏体，细小的碳化物颗粒逐渐向基体中溶解。这种溶解过程与加热温度和保温时间有关，其中加热温度的影响最大；还与碳化物的类型和碳化物的颗粒度有关，尺寸小的碳化物易溶解。M23C6碳化物溶解温度最低，在W18Cr4V钢中，M23C6在900℃时开始溶解，至1100℃时基本溶解完毕。M6C碳化物在1100℃时溶解的很少，至1150℃以上时溶解量才逐渐增加。MC碳化物在1200℃之下几乎不溶解，在淬火钢的奥氏体晶粒度与淬火温度密切相关。随淬火温度升高，碳化物溶解，钢的奥氏体晶粒逐渐长大，具体的长大情况与钢的化学成分有关。当淬火温度更高时，碳化物会在晶界聚集产生过热，甚至局部熔化过烧。过冷奥氏体在冷却过程中的转变很复杂。通常希望在淬火之后获得淬火马氏体组织，由于高速钢的淬透性很高，故在空冷条件下就能淬透，但即便是这样，冷却速度仍需要控制得快一些。这是因为在淬火加热时，由于大量碳化物溶入基体，故使基体中的碳和合金元素的过饱和度很高。在冷却过程中，先共析碳化物会从基体中首先析出，冷却速度愈慢，析出则愈多，使基体中的碳和合金元素的过饱和度降低，因而使淬火马氏体中的过饱和度也降低，最终影响了二次硬化效果，降低了淬火、回火硬度。另外，由于先共析碳化物多在奥氏体晶界上析出，弱化了晶界，会降低钢的韧性。由此可见，在高速钢淬火加热之后应当快冷，否则对钢的硬度和韧性都会产生不良影响。当冷却到马氏体点Ms之下时，过冷奥氏体即发生马氏体相变。马氏体相变也分形核及成长两个阶段，但成长速度很快，形核后不到万分之一秒即生长完毕，因此马氏体转变速度几乎完全是由形核速度所控制。马氏体转变量只与温度有关，随温度下降转变量增加；与保温时间无关，恒温停留不会使马氏体量增加，反而会带来其他的问题。马氏体点Ms与奥氏体的化学成分有关。其中碳的影响最大，碳含量增加，Ms点降低；合金元素W、Mo、Cr、V均使Ms点降低。淬火温度高，保温时间长，使奥氏体中的碳和合金元素含量增加，因而高速钢淬火后的基体组织中除了马氏体之外，还有相当多的残余奥氏体。残余奥氏体的数量与Ms点有关。钢中的碳含量愈高，淬火温度愈高，则使残余奥氏体量愈多。在淬火时中断冷却，也会使残余奥氏体量增加，并且中断冷却的温度愈高，则残余奥氏体量也愈多。3.5.5回火组织高速钢淬火之后需及时回火，其目的一是消除淬火应以，避免产生裂纹；二是使钢在回火后产生二次硬化，即经过回火钢的硬度非但不降低，反而能提高，同时强韧性也会提高，这是高速钢的一个重要特征。下左图为高速钢在淬火之后的回火过程中，硬度与组织变化的示意图；右图为回火二次硬化曲线：W18Cr4V的回火过程可分为四个阶段。第一阶段，淬火马氏体分解，钢的硬度下降。1）从室温至270℃左右，过饱和的正方马氏体变