材料工程课程设计报告

目 录

模具服役条件及失效分析………………………………………………2

选材及材料介绍…………………………………………………………3

零件加工及热处理 ……………………………………………………4

分析讨论…………………………………………………………………8

课程设计心得体会……………………………………………………13

参考文献………………………………………………………………14

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硅钢片冲制凹模选材及工艺分析

模具服役条件及失效分析

冷作模具主要用于金属或非金属材料的冷态制作。在服役过程中承受拉伸、弯曲压缩冲击疲劳等不同应力作用，一般的冲压模具都要求有较高的硬度,良好的耐磨性,抗腐蚀性,良好的冲击韧性等基本要求,在服役过程中主要会发生以下失效形式： 1．过载失效

这类失效是指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷(包括随机波动载荷)作用引起的失效。若材料韧性不足易脆断、开裂失效， 若强度不足易变形、镦粗失效。特别是脆断开裂失效是最主要的一种失效方式。发生过载失效的原因有两种，一种是材料韧性不足的失效这是一种失稳态下的断裂失效， 常见到的如折断、开裂，甚至产生爆炸。其特征为断裂时很突然，没有明显宏观征兆和塑性变形， 宏观断口没有剪切唇、比较平坦。通常造成模具不可修复的永久失效。产生这种失效与棋具承受过高工作应力和材料韧性不足有关。另一种强度不足失效，由于模具材料抗压 弯曲抗力不足， 下凹、弯曲变形等失效。这种情况在新产品研制时易出现， 这与工作载荷大、材料硬度偏低有关。这种失效表明材料强度不足，塑性有余， 有韧性潜力可以发挥。 2．磨损失效

对于表面质量和公差尺寸要求严格的模具，在保证做够承载能力不致脆断的前提下，提高使用寿命就取决于材料的抗磨损能力。模具磨捅是工作部位与被加工材料之间相对运动产生的损耗， 包括均匀磨损、不均匀磨损和局部脱落掉块等。非均匀磨损是外来质点、碳化物及磨损中形成的硬质点引起的磨粒磨损，而局部脱落掉块是一种磨损疲劳，在剪切应力作用下局部磨损疲劳而萌生微裂纹， 最终扩展至脱落。冷作模具的磨损抗力随材料硬度提高而增加。而同时硬度提高更会要降低材料韧性， 单纯增加硬度会出现未磨损先断裂的过早失效。较理想状态是“里韧外碾”采用局部表面强硬化等工艺是提高抗磨损能力的有效办法。 3．多冲疲劳失效

冷作模具承受的裁荷都是以一定冲击速度， 一定能量作用周期性施加的，因此改善材料表面应力状态是提高多冲疲劳抗力的有效途径。

不过，其工作部位主要是凹模的刃口。模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形式是磨损失效。

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选材及材料介绍

为了满足要求也就是说要求硬度，强度和韧性都较好，减少以上失效的发生，延长模具寿命，减低生产成本经综合考虑选用Cr12MoV作为加工该模具的材料。

其化学成份为：碳C：1.45～1.70、硅Si：≤0.40、锰Mn：≤0.40、硫S：≤0.030、磷P：≤0.03、铬Cr：11.00～12.50、镍Ni：允许残余含量≤0.25、铜Cu：允许残余含量≤0.30、钒V：0.15～0.30、钼Mo：0.40～0.60

其力学性能为：硬度：退火,255～207HB,压痕直径3.8～4.2mm;淬火,≥58HRC。 Cr12MoV 钢是目前国内广泛使用的冷作模具钢之一也是国际上较广泛采用的模具钢，属莱氏体钢。Cr12MoV钢是一种高碳、高铬的莱氏体钢，具有大量的游离碳化物。在退火状态其碳化物可多达28%，在淬火、回火状态其游离碳化物也多达21%。钢中的Cr大部分形成碳化物，只有极少部分固溶于基体中。

Cr12MoV钢中碳化物为M7C3型碳化物，维氏硬度为2100HV，因此其耐磨性较好。冲压性能高，淬透性好。在实际使用该钢制造的冷冲模，如果冲压操作正确，韧性不成为模具的关键，而耐磨性直接决定模具的寿命。

Cr12MoV 钢属于高耐磨微变形冷作模具钢,其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度,仅次于高速钢,是冷冲裁模、冷镦模等冷作模具的重要材料，由于加入了适量的Mo和V，碳化物不均匀有所改善。Mo能减轻碳化物偏析并提高淬透性，V能细化晶粒。 Cr12MoV在300～400℃时仍可保持良好硬度和耐磨性，韧性也高，淬火时体积变化最小。可用来制造形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具。其消耗量在冷作模具钢中居于首位. 该钢虽然强度、硬度高,耐磨性好,但其韧性较差,对热加工工艺和热处理工艺要求较高,处理工艺不当,很容易造成模具的过早失效。常用于制作那些承受重负荷、 生产批量大、形状复杂的冷作模具, 如冷冲、 压印、 冷镦、 冷挤压模、冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板等。但该钢的显著缺点是脆性大, 常常导致模具的早期失效。模具失效分析表明, 热处理因素影响最大, 约占 50%。因此, 如何提高其强韧性, 防止模具过早断裂失效, 是该钢用户经常遇到且需要解决的问题。

经分析该钢种经合理的热处理后可完全满足模具要求，故选用其作为加工该模具的材料。

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零件加工及热处理

通过查看模具生产的技术资料知,该模具的加工工艺路线为：下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火+ 低温回火→平磨→线切割加工→成型组装。 锻造：

由于Cr12MoV这类材料属于高碳高合金钢，在轧制过程中会产生严重的C偏析，即所谓的网状渗碳体。大家知道，渗碳体硬度高而脆，没有韧性。以前对此类材料的C偏析有严格的级别控制。由于材料存在网状渗碳体，造成在以后的热处理中，会沿着渗碳体网状开裂。因此，材料在制作模具之前必须进行反复的锻打（不只是简单的改变形状），以使网状渗碳体打碎，改善材料性能。

Cr12MoV钢锻造加热曲线

球化退火：

球化退火，以细化组织，减少淬火变形和防止淬火开裂！

Cr12MoV 属于高碳高铬莱氏体钢。碳化物含量高, 且常呈带状或网状不均匀分布, 其形状、 大小及分布对钢的性能影响很大, 尤其大块状尖角碳化物对钢基体的割裂作用较大, 往往成为疲劳断裂的策源地。经过改锻, 碳化物被击碎, 偏析状况得到有效改善, 但其形态还不理想, 且锻后硬度也偏高。因此Cr 12MoV 钢锻后常采用球化退火作为预备热处理, 以获得均匀、 细小的球形碳化物, 降低硬度, 改善切削加工性能, 同时为后续淬火做好组织准备，让奥氏体回复和开始再结晶。Cr12MoV钢形成网状碳化物，而且在最终的淬火、回火过程中仍能保持，这将使其脆性增加而不能使用。球化退火后的组织为索氏

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体型珠光体+粒状碳化物，硬度为207～255HB。

Cr12MoV钢球化退火工艺

淬火：

第一次预热：300～500℃； 第二次预热：840～860℃； 淬火温度：1020℃；

冷却介质：油，介质温度：20～60℃； 冷却至油温；随后，空冷，HRC=60～62。

淬火是冷冲模热处理的关键工序，对冷冲模的质量有着非常密切的关系。在淬火过程中要考虑加热方式、升温方式、淬火温度、保温时间、冷却方法以及变形等多种因素的影响。

为了防止氧化，热处理设备选用盐浴炉。Cr12钢是一种高碳高铬合金钢，其导热性较差，易形成温差应力，巨大的热应力有造成变形开裂的危险，因此我们采用300～500℃; 840～860℃两次预热，然后随炉升温至淬火温度。

Cr12MoV钢具有良好的淬透性。可以采用油冷或分级淬火。从模具情况考虑，采用油冷。

淬火温度 1020℃，回火温度180℃～200℃，硬度可达 HRC60～62，模具可保证具有

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