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5CrNiMo钢齿轮热锻模具的热处理工艺研究

发布者:江苏稳升发表时间:2021-08-11

  5CrNiMo钢齿轮热锻模具的热处理工艺研究

  1 序言

  5CrNiMo钢热锻模造价高、用量大,因此提高其使用寿命具有重要的经济价值。影响模具使用寿命的因素很多,最主要的是模具的热处理质量与模具材料的选择。本文通过分析总结影响模具热处理质量的有关因素,为满足某公司生产组织需要,设计与制定模具的生产组织方案,科学合理确定模具的选材、模具的热处理工艺参数等,达到满足综合力学性能的要求。

  2 模具的选材和失效原因分析

  2.1 工件材料和性能要求

  某公司拟生产小批量中间常啮合齿轮,为提高生产效率,保证产品质量,制定了用热模锻压力机设备和5CrNiMo钢制造模具(见图1)的生产方案。设计锻模高度336mm,模面硬度38HRC,尾部硬度 32HRC,锻模重量3t。

  5CrNiMo钢为合金元素含量较低的合金工具钢。该钢具有良好的韧度、强度和耐磨性。它在室 温和500~600℃时的力学性能几乎相同。在加热到 500℃时,仍能保持300HBW以上的硬度。由于钢中含有钼,因而对回火脆性不敏感。从600℃缓慢冷 却下来以后,冲击韧度稍有降低。5CrNiMo钢有良好的淬透性。此钢广泛用来制造各种类型的大中型锻模。且此钢易形成白点,需严格控制冶炼工艺及锻轧后的冷却工艺制度。选用炉号为019-0147,5CrNiMo热锻模具钢的化学成分见表1

  2.2 模具的失效原因分析

  模具质量的好坏,特别是使用寿命,在很大程度上决定于制造材料的最佳选用和热处理的质量好坏。通过对模具失效的原因进行统计,得出的数据见表2。从表2中可以看出,因模具热处理问题造成的失效占整个失效原因的50%。模具热处理几乎又是模具加工工艺过程中的最终工序。若热处理不良造成报废,则将“前功尽弃”。

  3 模具的热处理工艺参数

  5CrNiMo钢锻模在使用过程中承受复杂的应力,因而形状复杂的锻模,必须具有尽可能均匀的组织和性能,而冶金厂供给的钢材具有纤维组织,其各项性能不同。为了消除钢坯纤维的方向性,使其性能尽可能地一致,并获得所需要的尺寸,必须进行锻造。锻造后必须缓冷以防止产生“白点”。具有白点的钢材,其纵向抗拉强度与弹性极限降低得并不多,但伸长率则显著降低,尤其是截面收缩率与冲击韧度降低得更多,有时可能接近于零,且这种钢材的横向力学性能又比纵向的低得更多。因此,具有白点的钢材一般是不能使用的。

  3.1 热锻模钢的退火

  5CrNiMo钢毛坯经锻造后,为了消除锻造时所 产生的内应力并细化晶粒,得到均匀的组织(铁素 体+珠光体),以及为了降低硬度以改善切削加工 性能,锻坯必须进行退火处理。

  3.2 热锻模钢的调质

  为了消除锻模在机械加工的加工应力,并且 避免因急剧加热而产生的热应力,装炉后,通常 在600~650℃下进行预热。从预热温度升至淬火温 度,所需最短保温时间:τ=ah 式中 a——系数(min/mm),采用盐浴炉时a = 0.4min/mm; h ——模具高度(mm)。而 此 模具高度为 365mm ,由上式计算得 τ≈2.5h,淬火加热保温时间6h,因为锻模钢的奥氏 体比较稳定,为了减少锻模冷却过程中所产生的热 应力,减少模具的变形和开裂,将出炉的锻模在空 气中预冷至≤780℃。模具淬入油中约5min后,将 尾部提出油面,停留数分钟,使燕尾温度回升,待 油迹烧干,再浸入油中,3~5min后再提出,如此反 复3~5次,待整个模具冷至150℃左右时提出,然后 立即转入回火。为了消除因淬火而产生的内应力,降低淬火后 的硬度,增加韧性,得到均匀的屈氏体组织,锻模 必须立即进行回火,回火在箱式炉中进行,根据工 艺原则,大型锻模需保温5~6h。其具体的热处理工 艺(退火、调质)曲线如图2所示。

  3.3 模具的燕尾回火

  为了增加锻模的使用寿命,特别是为了防止磨损锤头和折断锤杆,规定锻模燕尾硬度应低于工作型面的硬度,因此模具需进行燕尾回火。盐浴炉加热回火,锻模淬火、回火后,其燕尾的回 火置于低温盐浴炉中进行。对于大中型模具,燕尾需加热至620~650℃,硬度达到286~321HBW (30.5~35HRC)。至于加热时间,一般根据锻模工作面的回火颜色决定。当工作面的颜色是蓝灰色甚至是灰色时(此时工作面部分已达400℃左右),即停止加热。燕尾加热后可油冷,为了减少热应力,油冷至约100℃后提出空冷。燕尾经处理后,可得到均匀的索氏体组织。

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