冷挤压模具选材及热处理.docx

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第一章装配图 错误!未定义书签。
第二章工件的服役条件 2
2
错误!未定义书签。
第三章材料的选取 4
4
第四章零件的加工工艺路线 6
第五章热加工过程及分析 7
冷挤压凹模的热处理工艺 7
冷挤压凸模的热处理工艺 8
第六章性能检测方法及分析 10
10
、组织及微观形貌检验 10
第七章结论与建议 14
参考文献 15
第一章装配图
图1-1带导柱导套实心件正挤压模装配图
1—螺杆2—弹簧垫圈3—调节螺母4—拉杆5—顶杆6—凸模 7—活动
护套
第二章工件的服役条件

冷挤压是在常温下对金属材料进行塑性变形,其单位挤压力相当大,同时由于金属材料的激烈流动所产生的热效应可使模具工作部分温度高达200°C以上,加上剧烈的磨损和反复作用的载荷,模具的工作条件相当恶劣。因此冷挤压模具应具有以下特点:
模具应有足够的强度和刚度,要在冷热交变应力下正常工作;
模具工作部分零件材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性,并有一定的韧性;
凸、凹模几何形状应合理,过渡处尽量用较大的光滑圆弧过渡,避免应力集中;
模具易损部分更换方便,对不同的挤压零件要有互换性和通用性;
为提高模具工作部分强度,凹模一般采用预应力组合凹模,凸模有时也采用组合凸模;
模具工作部分零件与上下模板之间一定要设置厚实的淬硬压力垫板,以扩大承压面积,减小上下模板的单位压力,防止压坏上下模板;
上下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成,应有足够的厚度,以保证模板具有较高的强度和刚度[1]。
2、失效方式:常因尺寸磨损和表面产生沟槽而报废。常见的失效方式是疲劳破坏,大多数发生在反行程时,冲头上作用着导致断裂的拉伸和弯曲复合应力。回程开始时,冲头处于弯曲状态,因而在其危险截面上弯曲应力继续起作用。此外,为了将冲头从挤压件中拔出还要附加一个力。因此回程时冲头危险截面上承受的是拉应力与弯曲应力之和。这种失效往往发生在台肩处,由于圆角半径太小。经五千至一万件产品冷挤后,应进行去应力热处理。
另一种是所谓的“缝衣针”式裂纹,最终导致冲头破断。这是一种连续发展的裂纹。由于模具材料压缩屈服而致,引起冲头墩粗变短特别是在工件端部。
性能要求:由于冲头反程时的疲劳破坏往往是主要的,因此模具材料应具有尽可能高的弯曲疲劳强度。为了防止冲头墩粗产生“缝衣针”式裂纹,材料必须具有尽可能高的抗压屈服强度和剪切抗力。
热挤压模具
1、工件的服役条件:热挤压模具与冷挤压模具有相似的一面,既承受压缩应力和弯曲应力,脱模时也承受一定的拉应力,但也有不同的一面,由于模具与炽热的毛坯相接触,需要水冷,因而承受冷热应力引起的热疲劳和热冲刷。因此,热挤压冲头在整个工作过程中的受力状况是承受带弯曲的挤压(大压、小拉)交变应力(拉压疲劳),同时也承受一定的多次冲击压缩负荷。另一方面在冷、热应力作用下,冲头又经受热疲劳和冲刷(又称热磨损)。
2、性能要求:要求模具材料有高的强度(拉压疲劳强度和弯曲疲劳强度)、高硬度和高的耐磨性,同时要求有高的抗热烧蚀性(包括高的热疲劳抗力、抗氧化性、热强性)、抗热冲刷能力以及高的淬透性和良好的导热性[2]。
根据设计任务的要求,选择冷挤压模具。
第三章材料的选取

冷挤压时,模具型腔中单位挤压力可高达2000〜2500MPa,还要经受
着极高的摩擦阻力和温度变化,因此冷挤压模具的工作条件是十分恶劣的。合理的选择冷挤压模具的材料比其他模具显得更为重要[3]。
对冷挤压工作零件材料的要求
1) 必须具有高强度和高硬度,这样在挤压中可以避免工作零件本身的塑性变形、破坏和磨损。
2) 应具有相当高的韧性,可以避免由于冲击、偏心载荷,疲劳应力集中而引起的折断和开裂破坏。
3) 应具有较高的耐磨性,使模具具有较高的使用寿命,以保证挤压件的尺寸精度。
4) 具有足够的耐热性能。在冷挤压时,模具工件的局部温度可高达
300°C左右,有时甚至更高,因此要求材料在这样的高温状态下硬度保持不变。
5) 材料必须有良好的加工性能,如在热加工时,锻造性能要好;机加工时要容易进行切削;热处理时,应有较宽的温度区间,变形和热裂倾向小[4]。
冷挤压工件零件选用的材料
%的高合金工具钢,是冷挤压模具材料中普遍采用的高碳高铬钢种。Cr12、Cr12Mo和Cr12MoV是经常使用的钢种。该类钢热处理变形小,淬透性好,耐磨性较好,韧性优良,适宜制作冷挤压凹模[5]。不过这类钢的碳化物偏析较为严重,尤其是大尺寸的材料,在制造模具之前要进行改锻,使碳化物分布均匀(1〜3级),否则在使用过程中会严重影响模具的使用寿命,因此比较适宜于作为有预应力圈的内凹模材料,硬度为60〜62HRC。
。该类钢种具有很高的强度、良好的耐磨性和韧性,尤其是高温硬度高、热硬性极好,抗软化变形能力好,是制造凸模的优良材料。但是高速工具钢的碳化物分布不均匀,这种不均匀性随着钢材截面尺寸的增大而提高,使其力学性能下降。在模具结构允许的前提下,应尽量选用小尺寸的高速工具钢原始棒料来制造模具零件。如果原始棒料钢中碳化物分布不均匀,可采用锻造将其破碎,使碳化物呈细小均匀分布
[6]。
表3-1几种模具钢的机械性能比较
钢 专
抗压莊廈
MPa
MPa
冲击愉性
J/cm1
斷裂初惟MPa-in
Crl2MoV
IIRC51
2<]3Q
19
WlBCrjV
HEC61
31S6—32&4
2160-^2969
24
424—514
WeMoSCrlVa
IlRCei—63
2740
4500
21
e5Cr4W^Mo2VKb
J.〜63
4113
40
7dr71Mo2V2Si
3^65—3020
>590
从上述表格中可以看出,高碳高铬钢Cr12MoV和高速工具钢
W18Cr4V的硬度、抗弯强度、抗压强度、冲击韧性和断裂韧性都是比较好的,其综合性能由于其他钢种,因此选用Cr12MoV作为凹模材料和选用W18Cr4V作为凸模材料是可行的。
第四章零件的加工工艺路线
模具材料为Crl2MoV,其加工工序路线为:锻造毛坯—860°+730°Cx4h炉冷至500C以下出炉空冷—铳各面—磨基准面—数控铳床预加工型腔f钳工加工各固定孔、线切割工艺孔f热处理f磨削f退磁处理—线切割加工型腔—抛光—检验。
Cr12MoV钢合理的锻造工艺如下:
预热温度:750〜850C;加热温度:1080〜1120C;始锻温度:1050〜1100C;终锻温度:850〜900C;冷却方式:缓冷(坑冷或砂冷)
Cr12MoV钢种其导热性较差,因而在锻造过程中,加热和冷却的速度不宜过快,以免在模具坯料截面上造成温差过大而开裂。要严格控制锻造温度,如果停锻温度过高,引起晶粒长大粗化,发生碳化物聚集,则可能使钢的机械性能降低;而停锻温度过低,则因钢的塑性较差,应力增大,易导致坯料开裂而报废。
为了改善Cr12MoV钢的碳化物分布不均匀性,在锻造过程中务必注意采用正确的方法。一般采用多方向、多次数的反复镦粗与拔长,例如三镦三拔或不少于三镦三拔的锻造方法,还有二轻一重、二均匀的锻造经验。二轻一重是指锻造开始时(1050C以上范围)轻打,锤击力度要小,在中间温度段(950〜1050C)之间重打,以保证击碎碳化物,950C以下再度轻打,以防止开裂。所谓的二均匀是指变形均匀、温度均匀。
对于使用性能不同的模具,其锻造后所允许的碳化物分布不均匀性级别也有时不同。一般对冲击韧性和变形要求较高的模具,应控制在3级以下,若对硬度、强度、耐磨性、冲击韧性和变形均要求较高时,其碳化物分布不均匀性级别应严加控制,一般要求在2级以下,对冷挤压模最好控制在1〜。
第五章热加工过程及分析


Cr12MoV钢含碳量较高,最常用的预先热处理是球化退火(见图5-
1)。以便获得细小的均匀的球形碳化物分布,但是由于钢材的质量并不是完全理想的组织,有的球化好,有的球化差,当常规球化退火工艺效果不理想时,可采用调质取代。增加一道调质工序效果显著。

图5-1Cr12MoV钢的球化退火工艺
退火之后其组织为细粒状珠光体和碳化物,其硬度在255HBS以下。如果希望进一步降低硬度,可以补充一次高温回火,在760〜790°C温度范围内保温2〜3小时。
图5-2Cr12MoV钢高温调质工艺

由冷挤凹模的工作条件和使用性能可知,〜1030°C加热,分级淬火的方式,再在160〜180C的温度下进行两次回火。为防止开裂,模具表面未冷至室温即进行第一次回火,第一次回火应冷至室温再进行第二次回火。
经该工艺热处理后,,,符合60〜62HRC的设计要求。

W18Cr4V钢是一类高速钢,它属钨系高速钢,这类钢有钨系高速钢的优点,既有较高的红硬性和耐磨性,较小的脱碳倾向与过热敏感性,同时碳化物较细、分布较均匀,热塑性及韧性较高。由于它便于机械加工,通用性强,使用寿命高,价格便宜,因此得到了应用。
表5-1W18Cr4V高速钢的化学成分表
C
Un
§L
Cr
* V
a涨
180*4■做
5*6翩
1.^
W:造成红硬性的主要元素。但是会使钢的导热性变差。
Cr提高淬透性,也增加耐蚀性、切削性能和抗氧化能力。
V细化晶粒,提高回火稳定性和热硬性。
高速钢的热处理包括机械加工前的球化退火处理和成形后的淬火回火处理。高速钢***所要求的硬度、强度、热硬性以及耐磨性是通过正确的淬火和回火获得的。所以淬火、回火工艺的好坏决定了***的使用性能和寿命,这是热处理的关键。
球化退火:高速钢的塑性、导热性较差,锻后必须缓冷或立即进行球化退火来消除内应力和不平衡组织,获得较细小的晶粒便于切削加工,降低硬度以免开裂,并为以后淬火提供良好的原始组织。其球化退火加热温度在820〜870°C之间,经2〜3小时保温后以20〜25°C/h的速度随炉冷却,当冷至500〜600C后再空冷。
淬火:高速钢的淬火需经过两次预热再高温淬火。第一次预热温度在600〜650C之间,可烘干工件上的水分。第二次预热温度在800〜820C之间。
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图5-3高速钢的热处理工艺规范图
回火:为了消除淬火应力,稳定组织,使残余奥氏体大部分转变达到所
〜570C的高温回火处理,三次回火平均
每次一小时。在回火过程中,马氏体和残余奥氏体发生变化。从马氏体和
残余奥氏体中析出弥散的合金碳化物,这样可使钢的硬度明显上升⑺。
第六章性能检测方法及分析