金属材料工程课程设计说明书设计题目：冷冲凹槽模具的材料选用及热处理工艺专业材料科学与工程班级材料115学生寸敏敏指导教师陈文革时惠英2014 年秋季学期设计任务冷冲凹槽，如图所示技术要求：硬度HRC58-62，变形允许双面间隙0.02-0.04mm，请选用适合的材料并通过适宜的热处理工艺达到技术要求。
本课题主要根据设计任务书的要求研究冷冲凹槽模具的材料选用及热处理工艺，即为了达到工件所要求的性能，而选用合适的材料，采取正确的热处理工艺。
目前常用的冲压模具钢材有碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。
综合服役条件、性能要求及失效形式选用了Cr4W2MoV高碳中铬钢，含碳量一般为1.2%左右，主要合金元素为铬，钨，钼，钒等，由于铬，钼的适当配比，使钢的过冷奥氏体稳定，获得良好的淬透性和力学性能，钒可以细化奥氏体晶粒，钼还可以有效改善钢的热强性并能够抑制回火脆性的产生。
钼和钒形成碳化物形成的碳化物，对钢的强度和耐磨性也有改善作用。
本文选择了合适的冷冲凹槽模具材料（Cr4W2MoV），并研究其经过高温淬火后三次高温回火的热处理工艺，确定了其预先经过球化退火以降低硬度，改善切削加工性能，为后续淬火做组织上的准备。
最终热处理工艺是淬火温度1020-1040℃（高温淬火），回火温度500-540℃（高温回火），回火三次，每次1-2h，硬度58-62HRC。
并对其进行性能检测，使得其得到设计任务书所要求的性能，并应用于实际中。
一.工役条件及所受载荷、性能要求、失效形式分析 (1)1.1. 工件的服役条件及所受载荷分析 (1)1.2工件的失效形式 (1)1.3.工件的性能要求 (2)二.选材及原因分析 (2)2.1.材料选择 (3)2.2.选材原因分析 (4)三、零件加工工艺路线制定及原因分析 (5)3.1冷冲模具制造的要求 (5)3.2零件生产加工工艺路线制定 (6)3.3.零件加工路线分析 (7)3.3.1下料 (7)3.3.2锻造 (7)3.3.3 球化退火 (8)3.3.4淬火 (8)3.3.5车削 (9)3.3.6高温回火（三次） (9)四.零件热加工过程及分析 (9)4.1热处理工艺确定 (10)4.1.1淬火温度的确定及原因 (10)4.1.2回火温度及时间的确定及原因 (10)4.2工件的热处理工艺曲线 (11)4.3工件热处理过程可能出现的缺陷 (11)五.性能检测方法及分析 (13)5.1冷冲凹槽模主要检测项目 (13)5.1.1在原材料进厂或锻件锻后，需要检测的项目 (13)5.1.2在热处理后，需要检测的项目 (13)5.2力学性能检测 (13)5.2.1硬度检测 (14)5.2.2强度和塑性检测 (14)5.2.3冲击韧性检测 (14)5.2.4疲劳极限检测 (15)5.2.5耐磨性检测 (15)5.3成分、组织及微观形貌检测 (15)六.总结 (16)参考文献 (16)一.工件的服役条件及所受载荷、性能要求、失效形式分析1.1. 工件的服役条件及所受载荷分析冲压加工是借助于常规或专用冲压设备的动力，使板料在模具里直接受到变形力并进行变形，从而获得一定形状,尺寸和性能的产品零件的生产技术。
板料，模具和设备是冲压加工的三要素。
按冲压加工温度分为热冲压和冷冲压。
前者适合变形抗力高，塑性较差的板料加工；后者则在室温下进行，是薄板常用的冲压方法。
它是金属塑性加工（或压力加工）的主要方法之一，也隶属于材料成型工程技术。
①承受较大的冲击载荷和挤压压力由于该工件为冷冲凹模，其原理是在压力作用下是板材冲压成型，型腔在服役过程中须承受一定吨位的压力，故导致在服役时要承受高的冲击载荷和挤压应力。
[01]②承受强烈的摩擦和磨损凹模和凸模联合作用, 将单片或粘合在一起的多片钢板冷冲剪成零件形状，由于在压力和冲击力作用下，钢制板材必会对模具内表面产生冲刷作用，导致模具承受强烈的摩擦和磨损冷冲模刃口承受很大的冲击力和摩擦作用。
[02]1.2工件的失效形式失效是产品丧失功能的现象。
失效模式是指失效的宏观表现形式和过程，可理解为失效的性质和类型。
而失效机理是指失效的物理，化学变化本质，其微观过程可追溯至原子，分子尺度和结构的变化，它是对失效内在本质，必然性和规律性的研究，以及应力，温度和环境等外部因素对失效过程的影响。
模具的失效又分为正常失效和早期失效。
冷作模具未达到设计的使用期限或寿命，即产生崩刃、碎裂和折断等早期破坏，严重的局部磨损或因塑性变形而无法继续使用，称之为早期失效。
对于早期失效的模具，主要表现有如下3种失效类型：①断裂失效。
包括塑性断裂失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效及低应力脆断失效等。
②变形失效。
包括过量的弹性和塑性变形失效。
③表面损坏失效。
包括磨损失效、腐蚀失效及表面疲劳（点蚀或剥落）失效等。
正常失效主要为磨损。
但常因结构或热处理不当而产生刃口剥落、镦粗折断等现象，造成模具早期失效。
对冷冲凹模的失效分析可得到失效模式如下：①磨损失效磨损失效是一个多种因素相互影响的复杂过程。
冷冲模由于在机械，热和化学介质作用下，模具的型腔内会变得粗糙，产生损伤，磨损与腐蚀等，会引起黏着磨损，磨粒磨损，微动磨损，腐蚀磨损等，从而使冲裁出来的工件表面不光滑，或尺寸精度不准确，导致模具报废。
②疲劳失效金属零件产生疲劳失效的原因不相同，但归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。
冷冲凹模在服役过程中不仅受到疲劳磨损，而且由于模具与钢板摩擦接触，会使得模具整体产生热疲劳，长期会导致模具报废。
在模具的使用过程中，模具的寿命受冲压设备、模具设计及冲压工艺等多方面因素的影响。
选择正确的冲压设备，制定合理的冲压工序等对提高模具寿命有着重要的意义。
[03]1.3.工件的性能要求冲压模具工作时要承受冲击、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷，甚至在较高问的温度下工作（如冷挤压），工作条件复杂，易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。
因此，对模具工作零件的要求比普通零件高。
要求高的弯曲和抗压强度，高的耐磨性和足够的韧性，同时希望热处理变形小。
对于薄板冲裁模具的工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度，而对厚板冲裁模具除了要求具有较高的耐磨性、抗压屈服点外，为防止模具断裂或崩刃，还应具有高的断裂抗力、较高的抗弯强度和韧性。
本次设计零件还要求0.02-0.03的双面间隙（高精度），以及HRC58-62的高硬度。
二.选材及原因分析2.1.材料选择制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。
目前制造冲压模具的材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。
①.碳素工具钢在模具中应用较多的碳素钢为T8A、T10A等，优点未加工性能好，价格便宜。
但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。
其中T8A为碳素工具钢，虽然淬透性、韧性比T10A钢有所改善，但易残存网状碳化物、热硬性差，只能用于工作批量较小的中厚冲裁模。
②.高碳高铬钢Cr12和Cr12MoV为高碳高铬钢，Cr12为传统的冷冲压模具材料，耐磨性较高，淬火时变形很小，透水性很好，可用于大批量生产的模具，如硅钢片冲裁模。
但该类钢种存在碳化物不均匀性，易产生碳化物偏析，冲裁时易出现崩刃或断裂。
其中，Cr12含碳量较高，碳化物分布不均比Cr12MoV严重，脆性更大一些。
③.高碳中铬钢Cr4W2MoV钢也是高耐磨微变形高碳中铬钢，替代Cr12型钢而研制的钢种，碳化物的均匀性较好，耐磨性高于Cr12MoV，是与制作形状复杂、尺寸精度要求高的冲压模具，可用于硅钢片冲裁模。
④.新钢种9Cr6W3Mo2V2（代号GM）钢为高耐磨高强韧合金钢，各项工艺性能良好，其耐磨性、强韧性、加工性能均优于Cr12型钢，能够用于高速压力机冲压下的多工位级进模等精密模具，是较理想的耐磨，精密冲压模具用钢。
但此钢种相对于其他钢种价格较贵，本设计冷冲模考虑到经济性因素，不选用此钢种。
[04] 工模具钢与结构钢不同，工模具钢是用来制造刃具、模具和量具的。
工模具钢大多数是在受很大局部压力和磨损条件下工作的。
一般来说，正确的使用工具钢，意味着需要在韧性-耐磨性之间，进行优化处理。
而工具钢这两个相互矛盾的基本性能取决于马氏体的成分与硬度以及碳化物的性质、数量、形态及分布。
为了使工模具钢获得高的硬度、热稳定性和耐磨性以及足够的强度和韧性，在化学成分上应具有高的含碳量（通常为0.6-1.3%C),因为马氏体的硬度和切断抗力是随马氏体的含碳量的增加而升高的。
此钢种高的含碳量，可以保证淬火后获得高碳马氏体，从而得到高的硬度和切断抗力，这对减少和防止模具损坏时有利的。
此外，高的含碳量可以形成足够数量的碳化物，以保证高的耐磨性。
所加入的合金元素主要是使钢具有高硬度和高耐磨性的一些碳化物形成元素，如Cr 、W 、Mo 、V 、等。
有时也加入一些Mn 和Si ，其目的主要是减少模具在热处理时的变形，并增加钢的淬透性和回火稳定性，使其硬度值随回火温度的上升而下降的慢一些。
由于工模具钢的含碳量较高，其塑性较差为了改善工模具钢的塑性变形能力，并减轻热处理时淬裂的可能性，其对钢材的纯洁性要求较严，对P 、S 含量一般均限制在0.02-0.03%以下。
[05]冷冲模属于冷作模具钢，要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性，以保证冲压过程的顺利进行，又由于形状复杂且存在90度的直角易于产生应力集中，所以要求具有较高的韧性；模具精度要求高、形状复杂．所以要求较高的淬透性、较小的变形及开裂倾向性。
在此处选择钢种为：Cr4W2MoV 。
Cr4W2MoV 钢的化学成分示于表1。
表1-Cr4W2MoV 钢的化学成分（GB/T 1299—2000）ω/%[06]2.2.选材原因分析①C ：碳含量 1.12%-1.25%，碳是决定钢性能的主要元素，此碳含量保证其具有较高的强度和硬度。
②Cr:含量大约为 3.50%-4.00%，铬的主要作用是增强钢的淬透性，促使淬火及回火后整个截面上获得较均匀的组织。
部分Cr 存在于渗碳体中，增大其回火稳定性，使淬火加热时奥氏体晶粒不易长大，碳化物较细小均匀分布。
溶入奥氏体中的Cr ，又可以提高马氏体的回火稳定性。
C Si MnCr W Mo V P S 1.12~ 1.250.40~0.70 ≤0.40 3.50~ 4.00 1.90~ 2.00 0.80~ 1.20 0.80~ 1.10 ≤0.030 ≤0.030③W：含量为0.2%左右,为了防止回火脆性，加入W可减小回火脆性。