1、湖 南 科 技 大 学金属材料专业综合设计题目 Cr12MoV 钢的热处理工艺设计作者 学院 机电工程学院专业 金属材料工程学号指导教师 二一四年六月三日目录前 言 .1一、课程设计的任务与性质 .2二、课程设计的目的 .2三、设计内容与基本要求 .2四、热处理基本知识介绍 .2五、Cr12MoV 钢的基本知识 .45.1、化学成分 .45.2、 主 要 特 性 及 性 能 .45.3、主要用途 .5六、Cr12MoV 钢热处理工艺设计过程 .56.1、方案确定及材料的选择 .56.2、加工工艺路线 .66.3、热处理工艺流程及目的 .66.4、参数确定 .76.5、组织性能分析 .76.5.
2、1、表层化学成分 .76.5.2 表面层组织结构分析 .86.6、热处理缺陷及防止 .86.7、操作应注意的问题： .10七、热处理后材料性能的检测 .107.1、硬度检测 .107.2、金相检验 .12八、实验设备 .13九、心得体会 .13参考文献 .140前 言 Cr12MoV 钢是从 Cr12 钢发展而来的 Cr12 型莱氏体冷作模具钢，由于成分中添加了 Mo、V，并适度降低了 C 含量，使其具有更高的淬透性、硬度高、耐磨性好、热处理变形小等优点,常用于制作承受重负荷、生产批量大、形状复杂的冷作模具。由于 Cr12MoV 钢属于莱氏体钢，钢中碳化物的形态和分布将对钢的韧性产生很大影响，
3、 因此如何改善钢中碳化物的形态和分布，从而达到提高材料韧性、降低脆性成为研究的热点之一。钢经真空热处理后，表面不氧化、脱碳，淬火变形小，表面硬度均匀，断裂韧性有一定的提高，从而使得真空热处理技术得到广泛的应用。试验分别采用球化退火和调质处理作为 Cr12MoV 钢的预备热处理，而后将材料在相同的工艺参数下进行真空热处理，研究热处理对钢的组织和性能的影响。1一、课程设计的任务与性质金属热处理原与工艺课程是一门重要的专业课程，金属材料的热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺的金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，应用热处理的基本
4、原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于学生解决问题、分析问题的能力。二、课程设计的目的1、课程设计属于金属热处理原理与工艺课程的延续，进一步学习掌握金属 热处理工艺设计的一般规律和方法。2、培养综合运用金属学、材料性能血、金属工艺学、金属材料热处理及结构工 艺等相关知识，进行工程设计的能力。3、培养使用手册、图册、有关资料及设计标准范围的能力。4、提高技术总结及编制技术文件的能力。5、是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。三、设计内容与基本要求1、设计内容：独立完成 Cr12MoV 钢的热处理工艺设计，包括工艺方法、路线、参数的确定，热处理设备及操作，材料性能检测，金相组织的
5、分析等。2、基本要求：1、课程设计必须独立的进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。2、合理确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。3、正确利用 TTT、CCT 图等设计工具，认真进行方案分析。4、正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。5、课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图表清晰。四、热处理基本知识介绍1、热处理的基本概念所谓钢的热处理，就是对于固态范围内的钢，给以不同的加热、保温和冷却，以改变它的性能的一种工艺。钢本身是一种铁碳合金，在固态范围内，随着加温和冷却速度
6、的变化，不同含碳量的钢，其金相组织发生不同的变化。不同金相组织的钢具有不同的性能。因此利用不同的加热温度和冷却速度来控制和改变钢的组织结构，便可得到不同性能的钢。例如，含碳量为 0.77%的钢称为共析钢，在 727oC 以上时为奥氏体，如果将它以缓慢的速度冷却下来，它便2转变成为珠光体。但如果用很快的速度把它冷却下来，则奥氏体转变成为马氏体。马氏体和珠光体在组织上截然不同，它们的性能差别也悬殊，如马氏体具有比珠光体高的多的硬度和耐磨性。因此，钢的热处理在钢的使用和加工中，占有十分重要的地位。2、调质钢常用的热处理概念 1、退火：是将工件加热到一定温度（根据退火类型而定）保温一定时间，然后缓慢冷
7、却（炉冷或者空冷）下来，获得接近平衡组织的一种热处理工艺方法。2、正火：将钢材或钢件加热到临界点 AC3 或 Acm 以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火适用于碳钢及低、中合金钢；不适用于高合金钢。 3、淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。 4、回火：将经过淬火的工件加热到临界点 Ac1 以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺 。 5、调质处理：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。高温回火是指在 500-
8、650之间进行回火。 调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200350 之间。 3、热处理的作用机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。拒初步统计，在机床制造中，约60%70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达 70%80%，而工模具及滚动轴承，则要 100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的
9、热处理才能使用。材料的热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。通过这个相变与再相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能变化。例如碳素工具钢 T8 在市面上购回的经球化退火的材料其硬度仅为 20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到 6063HRC，这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火加低温回火后的回火马氏体。同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大。热处理工艺（或制度）选择要根据材料的成份，材料内部组织的变化依赖于材料热处理及其它热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化，材料成份加工工艺组织结构3材料性能这四者相互依成的
10、关系贯穿在材料加工的全过程之中。4、热处理的基本要素：热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种，一种是在临界点 A1 以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在 A1 以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一是热处般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不
11、同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。 图 1 加热和冷却速度对钢的临界温度的影响五、Cr12MoV 钢的基本知识5.1、化学成分由表 1 可以看出,Cr12MoV 钢含有较高的 C 和相对多的 Cr,还有少量的 Mo和 V。5.2、 主 要 特 性 及 性 能4Cr12MoV 钢 具 有 淬 火 变 形 小 、 淬 透 性 好 、 耐 磨 性 高 等 特 点 ,被 广 泛 地 用 于制 造 生 产 批 量 大 、 耐 磨 性 要 求 高 、 热 处 理 变 形 量 要
12、 求 小 、 形 状 复 杂 、 负 荷 大 的模 具 。 Cr12MoV 钢 是 一 种 应 用 广 泛 的 冷 作 模 具 莱 氏 体 钢 ,组 织 中 有 大 量 共 晶 碳化 物 。 为 了 碎 化 、 细 化 共 晶 碳 化 物 ,把 粗 大 的 枝 晶 状 共 晶 碳 化 物 打 碎 、 提 高 碳化 物 分 布 的 均 匀 性 ,细 化 碳 化 物 的 粒 度 ,一 般 在 使 用 中 都 需 要 进 行 锻 造 和 预 先 热处 理 ,以 减 少 碳 化 物 的 不 均 匀 分 布 ,为 后 续 淬 火 、 回 火 提 供 优 良 的 原 始 组 织 。Cr12MoV 钢 中
13、的 主 要 碳 化 物 是 (Cr、 Fe)7C 型 碳 化 物 ,其 中 溶 有 少 量 的 Ti、 Mo和 V。 这 些 碳 化 物 在 高 温 淬 火 时 溶 于 奥 氏 体 ,增 加 钢 的 淬 透 性 。 高 温 回 火 后(500e 左 右 ),又 从 马 氏 体 中 析 出 ,产 生 二 次 硬 化 和 增 加 回 火 稳 定 性 ,从 而 使 钢 具有 高 的 硬 度 和 耐 磨 性 。 此 外 ,由 于 高 温 淬 火 加 热 后 奥 氏 体 中 合 金 元 素 含 量 增 多 ,使 马 氏 体 开 始 转 变 点 Ms(见 图 1)大 大 下 降 ,使 得 淬 火 组 织
14、中 存 在 大 量 残 余 奥 氏体 ,从 而 可 以 保 证 微 小 的 体 积 变 形 。 但 这 类 钢 中 的 碳 化 物 不 均 匀 性 比 较 严 重 ,尤其 是 含 碳 较 高 的 Cr12钢 ,在 Cr12基 础 上 加 入 Mo、 V,除 了 进 一 步 提 高 钢 的 回 火稳 定 性 、 增 加 淬 透 性 以 外 ,还 能 细 化 组 织 ,改 善 韧 性 。5.3、主要用途Cr12MoV 模具钢淬透性、淬火回火后的硬度、强度、韧性比 CR12高，直径为300400mm 以下的工件可完全淬透，淬火变形小，但高温塑性较差。Cr12MoV多用于制造截面较大、形状复杂、工作负
15、荷较重的合种模具和工具。如冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板等。 六、Cr12MoV 钢热处理工艺设计过程6.1、方案确定及材料的选择Cr12MoV 钢是广泛用于模具行业的冷作模具钢, 具有高淬透性、高耐磨性5和热处理变形小的特点, 截面在 300400 mm2 以下可完全淬透, 在 300400时仍可保持良好的硬度和耐磨性。因此适用于制造截面大、形状复杂、经受大冲击负荷的各种模具。用 Cr12MoV 钢制作的模具一般型腔结构较复杂且精度要求较高, 不能采用简单的冷加工工艺完成, 必须采用线切割方式加工。但长期以来,Cr12MoV 模具都存在比较严重的线切割开裂问题, 导致巨大的损失。针对这一问题
16、, 本文从热处理工艺方面着手, 提出了一种模具的热处理工艺,并对线切割加工后的 Cr12MoV 模具表面层质量进行分析。 6.2、加工工艺路线模具材料为 Cr12MoV, 其加工工序路线为:锻造毛坯 8603.5 h+7304 h 炉冷至 500以下出炉空冷 铣各面 磨基准面 数控铣床预加工型腔 钳工加工各固定孔、线切割工艺孔 热处理(6062 HRC) 磨削 退磁处理 线切割加工型腔 抛光 检验。经该工艺热处理后, Cr12MoV 模具的淬火硬度为 55.5 HRC, 回火硬度为 60.8 HRC, 符合 60-62 HRC 的设计要求。6.3、热处理工艺流程及目的1、预先热处理：调质齿轮坯
17、料经热变形加工后，必须经过预先热处理以降低硬度，改善切削加工性能及因锻、轧不适当所导致的晶粒粗大与带状组织，消除热变形加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。对于碳钢与合金元素含量较低的钢，其预先热处理可以采用正火或退火。正火(或完全退火）：细化晶粒，调整硬度。正火的目的是使上一道工序中产生的非正常组织( 如铁素体晶粒粗大、魏氏组织、带状组织和非铁素体+ 珠光体等产物等亚共析钢组织缺陷) , 通过结晶转变为正常组织( 对低碳钢为细小等轴铁素体+ 均匀分布的块状珠光体组织) 。因此, 对组织不正常的亚共析钢材进行正火, 是为消除其组织缺陷, 以改善其力学性能和工艺性能。2、最终
18、热处理调质处理（即淬火+高温回火以获得具有良好综合力学性能的回火索氏体组织）：调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。调质处理后得到回火索氏体。回 火索氏体(tempered sorbite)是马氏体于回火时形成的，在在光学金相显微镜 下放大 500-600 倍以上才能分辨出来，其为铁素体基体内分布着碳化物（包括 渗碳体）球粒的复合组织。它也是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化 物。常温下是一种平衡组织。 Cr12MoV 钢调质后硬度为 55.5-60.8HRC。调质处
19、理的特点归纳如下：1） 、淬火加热：应充分考虑提高钢的淬透性，在不使奥氏体晶粒长大前提下应6选择足够高的加热温度，保温时间必须使碳及合金元素充分固溶于奥氏体中并力求奥氏体均匀化。2） 、淬火冷却：选择合适的冷却介质，保证工件淬透，又不致严重变形和开裂。对于合金调质钢可采用油冷。3） 、高温回火：要考虑防止回火脆性。碳素调质齿轮件没有第二类回火脆性，其高温回火后采用空气冷却即可。合金调质齿轮件有第二类回火脆性，其高温回火保温时间不宜过长，而且回火后应在水或油中快冷。 3、高频淬火：提高表面硬度。预备热处理改善了基体组织与渗碳体的形态、大小及分布状态，为最终热处理作组织准备，而淬火则不仅使渗碳体这
20、脆硬相消失（或部分消失） ，而且改变了钢的基体组织，获得高强度、硬度（与含碳量有关） 。碳在- Fe 中的过饱和固溶体马氏体；或在马氏体的基体上分布着细粒状的渗碳体。4、低温回火：消除淬火应力。40CrNiMoA 钢经过淬火后所获得的马氏体是高度不稳定的，淬火后试板需立即进行回火，回火保温时间为 100 min。由于钢中Mo、V 元素的加入抑制了钢的回火脆性，通常选择水冷。随着回火温度的升高，从马氏体中析出的碳化物与基体脱离共格关系后，由最初的片状或短棒状逐渐转变成细粒状; 当回火温度进一步升高，细粒状的碳化物继续聚集长大而球化，同时在整个过程中伴随着铁素体的回复和再结晶。从而在宏观上表现出强度逐渐降低，韧性和塑性逐渐升高。6.4、参数确定3 次分级等温淬火（600400200）+3 次回火（520）6.5、组织性能分析6.5.1、表层化学成分
