熱鍛模具鋼的熱處理工藝設計

1、攀枝花學院學生課程設計（論文）題 目： 熱鍛模具鋼的熱處理工藝設計 學生姓名： 學 號： 所在院(系)： 材料工程學院 專 業(yè)： 級材料成型及控制工程 班 級： 材料成型及控制工程一班 指 導 教 師： 職稱： 講 師 2012年12月28日攀枝花學院教務處制攀枝花學院本科學生課程設計任務書題目熱鍛模具鋼的熱處理工藝設計1、課程設計的目的使學生了解、設計熱鍛模具鋼的熱處理工藝，融會貫通相關專業(yè)課程理論知識，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識、分析問題和解決問題的能力。2、課程設計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）內(nèi)容 ：（1）明確設計任務（主要包括模具體積、模面硬度、模尾硬度、材料的選擇

2、）（2）繪出熱處理件零件圖（3）給出設計方案（4）寫出設計說明（5）設計質(zhì)量檢驗項目（6）設計熱處理工藝卡片（7）熱鍛模具鋼的熱處理缺陷及預防或補救措施要求：（1）設計出一熱鍛模具鋼件(中小型模具：300300300毫米)的熱處理工藝,制定出工藝流程,并對其進行分析。（2）通過查找資料充實、完善各項給定的設計內(nèi)容。（3）分析熱處理過程中可能出現(xiàn)的缺陷，針對這些缺陷提出預防措施或補救措施。（3）提交設計說明書（報告），2千字以上。報告格式請參照“畢業(yè)論文（設計）”格式。3、主要參考文獻1 夏立芳主編. 金屬熱處理工藝學. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 20052 中國機械工程學會熱處理分會熱

3、處理工程師手冊機械工業(yè)出版社2003第一版.3 張玉庭主編熱處理技師手冊機械工業(yè)出版社2006第一版4 中國機械工程學會熱處理學會熱處理手冊機械工業(yè)出版社2003第三版.4、課程設計工作進度計劃第十六周：對給定的題目進行認真分析，查閱相關文獻資料，做好原始記錄。第十七周：撰寫課程設計說明書，并進行修改、完善，提交設計說明書。指導教師（簽字）日期年 月 日教研室意見：年 月 日學生（簽字）： 接受任務時間： 年 月 日課程設計（論文）指導教師成績評定表題目名稱評分項目分值得分評價內(nèi)涵工作表現(xiàn)20%01學習態(tài)度6遵守各項紀律，工作刻苦努力，具有良好的科學工作態(tài)度。02科學實踐、調(diào)研7通過實驗、試驗

4、、查閱文獻、深入生產(chǎn)實踐等渠道獲取與課程設計有關的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規(guī)定的任務，工作量飽滿。能力水平35%04綜合運用知識的能力10能運用所學知識和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實際問題，能正確處理實驗數(shù)據(jù)，能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。05應用文獻的能力5能獨立查閱相關文獻和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實施方案；有收集、加工各種信息及獲取新知識的能力。06設計（實驗）能力，方案的設計能力5能正確設計實驗方案，獨立進行裝置安裝、調(diào)試、操作等實驗工作，數(shù)據(jù)正確、可靠；研究思路清晰、完整。07計算及計算機應用能力5具有較強的數(shù)據(jù)運算與處理能力；能運用計算機進行資料搜集、加工、

5、處理和輔助設計等。08對計算或實驗結果的分析能力（綜合分析能力、技術經(jīng)濟分析能力）10具有較強的數(shù)據(jù)收集、分析、處理、綜合的能力。成果質(zhì)量45%09插圖（或圖紙）質(zhì)量、篇幅、設計（論文）規(guī)范化程度5符合本專業(yè)相關規(guī)范或規(guī)定要求；規(guī)范化符合本文件第五條要求。10設計說明書（論文）質(zhì)量30綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；實驗正確，分析處理科學。11創(chuàng)新10對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。成績指導教師評語指導教師簽名： 年月日摘 要本課設計了5CrMnMo鋼制造汽車制動板熱處理工藝設計。主要的工藝過程包括鍛造、預備熱處理（完全退火）、淬火+高溫回火等過程。通過各種不同的

6、工藝過程進行恰當?shù)奶幚砜梢垣@得各種性能良好的材料并且滿足各項性能的要求。5CrMnMo屬于中碳低合金鋼，具有良好的韌性、強度和高耐磨性。其含碳量Wc為0.5%0.6%，既保證淬火后獲得一定的硬度，同時也具有良好的淬透性和導熱性。 汽車制動板是重型汽車的車軸配套關鍵零件汽車制動板的材料為5CrMnMo，,形狀復雜，設計要求批量模鍛生產(chǎn)，切削加工余量小、強度高。關鍵詞：5CrMnMo鋼，完全退火，高溫回火，汽車制動板目 錄摘 要1目 錄21、設計任務31.1設計任務31.2設計的技術要求32、熱處理零件圖43、設計方案53.1 汽車制動板設計的分析53.1.1工作條件53.1.2失效形式63.1.

7、3性能要求73.2鋼種材料84、設計說明94.1加工工藝流程94.2具體熱處理工藝104.2.1預備熱處理工藝114.2.2淬火+高溫回火熱處理工藝115、分析與討論166、結束語187、熱處理工藝卡片19參 考 文 獻201 設計任務1.1設計任務熱鍛模具鋼的熱處理工藝設計1.2設計的技術要求 熱作模具鋼工作時與熱金屬相接觸，模膛表面會受熱升溫至500-800，因此熱作模具鋼應具有足夠的高溫硬度和高溫強度，即要求鋼具有高的耐會回火性；熱做模具在工作時還承受很大的沖擊力和較大的摩擦、磨損，因此熱作模具鋼必須具備良好的耐磨性和一定的韌性。熱作模具在每次使金屬成型之后都需要用水、油或空氣冷卻，模膛

8、表面金屬由于反復急冷急熱產(chǎn)生交換熱應力作用而引起熱疲勞現(xiàn)象。因此熱作模具鋼應具有高的抗熱疲勞性能和抗氧化能力。此外，熱作模具鋼還應具有高的淬透性和較小的熱處理變形。為滿足以上性能要求，熱作模具鋼一般采用中碳鋼，即含碳量為0.3%-0.6%,既保證鋼的塑形、韌性和導熱性，又不降低鋼的硬度、強度和耐磨性。加入合金元素Cr、W、Mo、Si等能提高鋼的高溫硬度、強度和回火穩(wěn)定性。 2、熱處理零件圖 由5CrMnMo鋼制造汽車制動板零件的零件圖如圖1所示：圖1 汽車制動板零件圖 汽車制動板是重型汽車的車軸配套關鍵零件，汽車制動板的材料為5CrMnMo，形狀復雜，設計要求批量模鍛生產(chǎn)，切削加工余量小、強度

9、高。其鍛件形狀、尺寸見圖一。圖一中除2個60mm、144mm、70mm內(nèi)孔及平面需切削加工外，其他都是黑皮表商鍛件，不再進行切削加工。3、 設計方案3.1變速箱設計的分析3.1.1工作條件由于是制造汽車制動板，模具是在高溫、高壓、磨損和熱疲勞等惡劣條件下服役的。其工作環(huán)境較為惡劣，特別要求要由 特別高的抗擠壓和沖擊能力。3.1.2失效形式主要失效形式為偏軟、制動遲滯、冒煙和背板脫落等。在更換新的制動摩擦片后可能會出現(xiàn)制動偏軟的現(xiàn)象，其可能有原因有：制動摩擦片安裝不符標準，制動盤表面有污染而未清潔，制動管路存在故障或制動液不足，制動液壓缸內(nèi)排氣不徹底，制動盤過度磨損且表面不平整，以及制動摩擦片質(zhì)

10、量不合格。制動遲滯的現(xiàn)象，可能原因有：制動器回位彈簧失靈，制動摩擦片與制動盤間隙不當或裝配尺寸過緊，制動摩擦片熱膨脹性能不合格，以及駐車制動回位不良。制動摩擦片中含有20左右的有機物，溫度過高時會發(fā)生分解并冒煙，并在摩擦片表面形成一層油狀物質(zhì)，影響制動效果。而發(fā)生這種現(xiàn)象可能的原因有：在下坡時頻繁制動，引起溫度過高而冒煙；制動摩擦片的配方中有機物含量不合格，超標。制動摩擦片的背板脫落有兩種情況，一是背板與摩擦材料之間產(chǎn)生裂紋；二是摩擦材料自身產(chǎn)生裂紋。而可能的原因有：背板的前期處理工藝差，摩擦材料的穩(wěn)定性差，壓制工藝不合格，粘合劑質(zhì)量差，使用溫度過高，不正確的安裝、撞擊和敲打。3.1.3性能要

11、求一、氣源系統(tǒng)的性能要求1 .空壓機的出氣率應選擇適當目前,一世界各國汽車制動法規(guī)中對空壓機出氣率指標都是用充氣時間來衡量的(指空壓機滿足達到規(guī)定壓力所需要的時間)。我國及其他國家和地區(qū)這方面的具體規(guī)定列于表1 。美國采用經(jīng)驗公式計算的方法規(guī)定充氣時間為: 當發(fā)動機在最高轉速下, 空壓機在下式確定的時間(s) 內(nèi)將供氣貯氣筒和主貯氣筒的壓力從6k g f/c m Z (8 5 磅/ 英寸“) 升7 k g f/c m Z (1 0 0 磅/ 英寸2 ):充氣時間成貯氣筒的實際容積要求的貯氣筒容積X 2 5空壓機的出氣率一定要按上述規(guī)定選擇, 過高會增大發(fā)動機的功率消耗, 過低會延長充氣時間,

12、甚至達不到標準工作壓力, 影響汽車運輸, 降低行駛安全性。2 . 貯氣筒容積的選擇貯氣筒在汽車上起貯能和穩(wěn)壓的作用, 多按用氣設備的容積限制其容積的下限, 而按充氣時間規(guī)定其容積的上限。一些國家和地區(qū)的汽車制動法規(guī)對貯氣筒容積的規(guī)定列于表2 。貯氣筒容積也必須按規(guī)定適當選擇。過大, 會使空壓機充氣時間加長, 影響出車, 并增加燃料消耗和發(fā)動機磨損; 過小, 會使每次制動弓!起的壓力降增大, 致使發(fā)動機停止運轉后的有效制動次數(shù)減少, 影響汽車行駛安全性。3 . 應具有防凍能力在這方面我國及E E C、E C E 等都沒做任何規(guī)定, 只是瑞典的汽車制動法規(guī)中作了如下規(guī)定: “在氣壓制動系中應裝有一

13、個自動地向制動系統(tǒng)的空氣中加防凍液的裝置, 防凍液可以是含水量不超過5 % 的甲醇或乙醇, 或者其他由制造廠規(guī)定的物質(zhì)?！?對于寒冷地區(qū)使用的汽車, 可以根據(jù)這一要求, 在氣路系統(tǒng)中配置國內(nèi)近期生產(chǎn)的防凍泵(防凍液為酒精或甲醇),降低制動系內(nèi)水份的冰點溫度, 防止結冰。4 . 應具有低壓報警性能在管路系統(tǒng)設計時, 雖然嚴密地考慮了管路系統(tǒng)的可靠性, 但失效還是可能發(fā)生的。因此, 一些國家和地區(qū)在這方面也做了明確規(guī)定(表3 )。5. 應采取氣源壓力保護措施對于氣源的壓力保護, 除了在牽引車上采用雙腔或三腔制動閥, 使之構成各自獨立的回路, 以及使用單向閥將各貯氣筒隔開, 使之各自獨立而互不影響外

14、, 目前, 一些國家根據(jù)法規(guī)的要求, 在氣源系統(tǒng)各回路中設置了氣壓保護閥。該閥分雙回路、三回路、四回路式三種, 除了起單向閥作用外, 還能保證當任一條回路失效后其它回路正常充氣和供氣。二、控制系統(tǒng)性能要求1 . 牽引車總質(zhì)量超過1 2t 時應采用兩個回路以上的制動系。2 . 牽引車與掛車之間的氣路聯(lián)接必須是雙回路型式這方面我國未作法規(guī)性要求, E E C、E C E 及瑞典的法規(guī)中作了明確規(guī)定, 要求充氣管路和控制管路各自獨立, 互不影響, 以保證掛車正常充氣。15 0 1 7 2 8 和瑞典汽車制動法規(guī)(F1 8) 中還明確地規(guī)定了兩條管路的布置和安裝尺寸, 即“ 從汽車行駛方向看, 充氣管

15、路的掛車制動接頭應置于控制管路掛車制動接頭的右邊。3 . 當牽引車與掛車之間的總輸氣管路損壞或受意外脫開時, 牽引車制動應仍然有效,掛車應自行制動。此時牽引車制動應由控制氣路的多回路控制來保證, 掛車的自行制動可由掛車分配閥來實現(xiàn), 4 .行車制動器、停車制動器、應急制動器的控制回路必須各自獨立目前, 很多國家的汽車制動法規(guī)中明確規(guī)定汽車必須具有這三種制動功能。三種功能有保證各自的制動功能。另外, 行車制動與停車制動的控制回路必須從貯氣筒開始就各自獨立。三、制動系工作性能要求1 . 制動滯后時間和解除制動滯后時間要短制動滯后時間是評價制動管路系統(tǒng)部件的選擇和配置優(yōu)劣的一個綜合指標, 直接影響車

16、輛的制動效能。氣為制動力尸由零增長到最大值的時間, 即制動滯后時間;九為制動力尸由最大值變?yōu)榱愕臅r間, 即解除制動滯后時間。某些國家和地區(qū)的汽車制動法規(guī)對制動滯后時間和解除制動滯后時間都作了相應的規(guī)定(表4、5 ), 前者長了會增大制動距離, 后者長了會影響汽車加速性, 并加劇輪胎磨損和制動器的磨損。因此, 設計管路系統(tǒng)時應按法規(guī)規(guī)定, 盡力縮短滯后時間?！? . 牽引車、掛車要同步制動為了保證車輛制動時的穩(wěn)定性, 要求掛車和牽引車嚴格同時制動, 或使掛車略先開始制動, 否則易增大牽引裝置的動載荷, 甚至造成牽引車與掛車的碰撞或列車折疊。作為保證的辦法, 一是設置加速閥, 加快掛車制動動作;

17、二是通過合理選擇制動閥、氣路管徑及合理配管路, 使掛車制動提前, 一般應使掛車壓力提前升高。.A鋼其塑性、韌性高，但強度、硬度較低，鍛造、焊接和冷沖壓性能良好，冷變形塑性高，但切削加工時不易得到光潔的表面。用于制造受力不大、韌性要求高的零件和滲碳件，緊固件和沖模鍛件以及不經(jīng)熱處理的低負荷零件。A鋼力學性能：抗拉強度 b (MPa)：375，屈服強度 s (MPa)：225，伸長率 5/（%）：27，斷面收縮率 /（%）：55。3.2鋼種材料5CrMnMo鋼具有良好的韌性、強度和高耐磨性。含有較多的易形成碳化物的鉻、鎢元素。在高溫下有較高的強度和硬度，在650時硬度達HB-300，但其韌性和塑形

18、較差。含碳量在0.5%0.6%，既保證淬火后得到一定的硬度，同時也具有良好的淬透性和導熱性。加入Cr可提高鋼的淬透性、沖擊韌度和耐回火性；Mo能細化晶粒，提高韌性、耐回火性，減小過熱傾向和回火脆性，一般用來制造中小型熱鍛模（邊長為400mm以下）。該鋼是熱作模具鋼，除淬透性,耐熱疲勞性稍差外，5CrMnMo鋼具有與5CrNiMo鋼類似的性能，淬透性稍差。此鋼適于制作要求具有較高強度和高耐磨性的各種類型鍛模，要求韌性較高時，可采用電渣重熔鋼。4 設計說明4.1加工工藝流程5CrMnMo鋼制造機床B熱處理工藝設計的熱加工工藝流程經(jīng)過許多次改進形成如下的工藝流程: 下料鍛造預備熱處理(完全退火)機械

19、加工滲碳淬火+高溫回火精加工組裝。5CrMnMo鋼屬于中碳鋼，其成分1如下表1.表1 A鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）CMnPSCrMoSi0.500.601.201.600.0300.0300.600.900.150.30 0.250.60成分分析：Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑。它能消除或減弱由于硫所引起的鋼的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。Mn和Fe形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度，經(jīng)固溶處理后有良好的韌性，當受到?jīng)_擊而變形時，表面層將因變形而強化，具有高的耐磨性；同時又是碳化物形成元素，進入滲碳體中取代一部分鐵原子。Si能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強度。硅能提高鋼的彈性

20、極限、屈服強度和屈服比(s/b),以及疲勞強度和疲勞比(-1/b)等。 硅能促使鐵素體晶粒粗化，降低矯頑力。4.2具體熱處理5CrMnMo鋼5CrMnMo鋼的熱處理工藝分析：由于5CrMnMo鋼的含碳量較低，對于齒輪這種要求剛強度和高耐磨的特性，那么A鋼的最重要的就是提高其硬度和耐磨性。通過鍛造和隨后的退火，形成硬度較低的原始坯料，為后續(xù)的切削加工提供有利的方便和減少對于車床的磨損。滲碳是通過對其表面更加的硬度能夠更大程度的提升，保證質(zhì)量。A鋼CrMnMo鋼退火工藝曲線如圖2所示760780770Ac3 24h溫度爐冷710Ac1時間/h 圖2. 5CrMnMo鋼退火工藝曲線 5CrMnMo時

21、間/h圖3 5CrMnMo鋼的淬火規(guī)范表見下表2表2 5CrMnMo鋼的淬火規(guī)范 方案淬火溫度/冷卻硬度（HRC）介質(zhì)溫度/冷卻820-850油150-180至150-180后模具立即回火。52-58高溫回火回火是將淬火鋼加熱到A1以下某一溫度，經(jīng)過保溫，然后以一定的冷卻方法冷至室溫的熱處理操作。其目的在于：a.降低脆性，消除內(nèi)應力。工件淬火后存在著很大的內(nèi)應力和脆性，若不及時回火，零件會產(chǎn)生變形或開裂。b.得到對工件所要求的力學性能。工件淬火后，硬度高，脆性大，為了了獲得對工件要求的性能，可以用回火溫度調(diào)整硬度，減小脆性，得到所需要的塑性、強度和硬度。c.穩(wěn)定工件尺寸。淬火后的組織是馬氏體和

22、殘余奧氏體，這兩種組織都是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地逐漸地發(fā)生組織轉變，因而引起工件尺寸和形狀的改變。通過回火，可以促使這些組織轉變。達到較穩(wěn)定狀態(tài)，以便在以后的使用過程中不發(fā)生變形8。表3.5 CrMnMo回火規(guī)范表5CrMnMo6-9h約400約100空冷HRC38-411-1.5h時間/h 圖4 CrMnMo鍛?；鼗?60-580油冷3h溫度約100空冷時間/h 圖5CrMnMo鍛模燕尾回火經(jīng)過上述各種熱處理后5CrMnMo鋼的熱穩(wěn)定性高溫強度和耐熱疲勞性能都有所甚至很大的提升。目前， 國內(nèi)汽車制動盤的出口市場已經(jīng)形成一定規(guī)模，僅就鑄件來說，出口量估計在20萬t左右。同時國外市場對制動盤的技術要

23、求較高， 給國內(nèi)生產(chǎn)出口制動盤企業(yè)的生產(chǎn)技術管理和質(zhì)量控制提出了更高的要求。氣孔缺陷是制動盤生產(chǎn)中最常見的缺陷，直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益和出口業(yè)務。相對于其它鑄件，制動盤壁薄，頸部、盤片和中心處由砂芯形成，砂芯多，由于采用覆膜砂芯，發(fā)氣量大，澆注過程中產(chǎn)生大量的氣體，當鐵液將砂芯包裹后， 如果砂芯產(chǎn)生的氣體不能順利排出，就會出現(xiàn)氣孔缺陷。 在鑄件澆注位置的底部很少發(fā)現(xiàn)氣孔， 而在鑄件澆注位置的頂部，特別是一些氣眼針的根部，比較容易產(chǎn)生氣孔13，如圖1。這是由于鐵液進入砂型后，鐵液很快淹沒盤片砂芯，鑄型、砂芯、涂料等在高溫下氣化、分解或燃燒生成大量的氣體， 正常狀態(tài)下應通過芯砂間隙向外或向上流動排

24、出， 在鑄型不能及時將其排出的情況下，由于氣眼針同時也在向外排氣，形成局部負壓，有利于氣體向氣眼針根部聚集，而又由于頂部壁厚較薄，流程相對較長，溫度降低較多，鐵液冷卻較快，粘度也相應增大，該處氣泡上浮排出的有效時間短，未等到氣體完全排出時鐵液就會凝固， 在鐵液和上型下表面之間鋪展成氣體層，形成氣孔。有時呈單個氣孔裸露在外，有時在噴丸清理掉氧化皮之后暴露出來，有時在機械加工后才能發(fā)現(xiàn)。澆注過程中產(chǎn)生大量的氣體， 一方面采取氣眼針和出氣片相結合的方式，有利于氣體的排出，可以有效降低氣體壓力，減少氣孔產(chǎn)生的概率。另一方面采取增大型砂粒度提高型砂的透氣性， 也可以增加型腔的排氣能力?？紤]到砂芯排氣時充

25、分利用砂芯的結構與鑄型的形狀，設計一個利于砂芯排氣的通道。排氣通道越多，氣體壓力越低，排氣越通暢。采取發(fā)氣量較小的覆膜砂， 減少因砂芯而產(chǎn)生的氣體。將制作完成的砂芯靜置存放一定的時間后再使用，同樣可以減少澆注過程產(chǎn)生的氣體。但生產(chǎn)廠家由于生產(chǎn)進度的安排，無法做到這一點時，可以采取在形成鑄件輪廓的砂芯表面涂刷屏蔽性涂性， 使砂芯產(chǎn)生的氣體沿著砂芯排氣通道排出型外。型腔的排氣主要是在澆注前期排氣， 澆注后期鐵液進入后，排氣的作用不太顯著，氣孔主要集中在鑄件頂部，產(chǎn)生氣孔缺陷。因此，可以在澆注末端或鑄件頂部，采用溢流槽，存放前期進入型腔的冷鐵液，防止鐵液過早的結殼，有利于氣體的排出。鑄件頂部的氣孔缺

26、陷提高澆注溫度可以有效降低氣孔缺陷產(chǎn)生的幾率， 但不能無限制的提高澆注溫度， 因為澆注溫度過高，會相對提高其它鑄造缺陷如粘砂、縮松等產(chǎn)生的幾率。另外，通過在澆注系統(tǒng)上層開設內(nèi)澆道，增加澆道的進鐵量，同樣可以在不影響澆注溫度的情況下有效的解決氣孔缺陷。6 結束語 這次5CrMnMo鋼制造汽車制動板熱處理工藝設計。主要的工藝過程包括鍛造、預備熱處理（完全退火）、淬火+高溫回火等過程。通過各種不同的工藝過程進行恰當?shù)奶幚砜梢垣@得各種性能良好的材料并且滿足各項性能的要求。5CrMnMo屬于中碳低合金鋼，具有良好的韌性、強度和高耐磨性。其含碳量Wc為0.5%0.6%，既保證淬火后獲得一定的硬度，同時也具有良好的淬透性和導熱性。 汽車制動板是重型汽車的車軸配套關鍵零件汽車制動板的材料為5CrMnMo，,形狀復雜，設計要求批量模鍛生產(chǎn)，