1 前言
熱處理工藝課程設計是學生對熱處理工藝的基礎知識、原理及方法的綜合應用及全面訓練，進一步提高學生技能，達到本學科基本要求的重要教學環節。通過課程設計，可以培養學生初步的設計思想、分析問題和解決問題的能力，了解設計的一般方法和步驟；初步培養學生的設計基本技能和對工程技術問題的嚴肅認真和負責的態度。
熱處理工藝課程設計可以增強同學對基礎知識的理解，通過《金屬熱處理工藝學》、《固態相變原理》學科的學習，學生掌握了一些常用材料的組織的轉變過程及熱處理方法，通過課程設計能夠讓同學們更好地理解材料成分、組織、結構和效能它們相互之間的內在聯絡；通過本課程設計之後，我們對所學習過的知識有乙個系統的、健全的結構把握，能夠有效地訓練學生的邏輯思維能力，分析問題和解決問題的能力；課程設計有利於學生嚴謹治學的培養，雖然與工程實際有一定的距離，但它也是我們走向社會前一次重要的鍛鍊，它要求我們在課程設計中從使用效能、成本要求、加工工藝效能等多方面考慮乙個零件的熱處理工藝。
通過本次課程設計，學生能夠正確地對區域性與整體的把握，能培養我們對細節注重的能力，同時掌握整體學習、工作以及研究的本領。
2 零件圖分析
圖1熱處理凹模工件圖
2.1 零件形狀
該零件圖是乙個凹模的零件圖，它由四個螺紋孔（分布在模具的四個角上）和靠近螺紋各有乙個模具導桿孔；在靠近**位置有乙個呈倒e字形的型孔，此為材料加工成型的重要部分；在型孔上下兩側右邊的相對位置各有乙個矩形型孔，在矩形型孔之間對稱分布著許多小孔。從形狀看來，這個凹模是乙個相對比較複雜的模具，從而導致在機械加工上也變得相對複雜。
2.2 零件尺寸
該凹模的總體尺寸為200×150×35mm，所以這是乙個尺寸較小的凹模，因而其工作時所受的載荷也相對較低。
2.3 技術要求
該凹模的技術要求是在熱處理完成之後，使用時的整體硬度為61～63hrc，所以它的使用狀態時的硬度很高。
綜合對該零件的形狀、尺寸、技術要求這三方面的分析，這個模具屬於乙個小型的冷作模具。因為熱作模具是在高溫下工作的，因此需要具有一定的高溫強度與高溫硬度，良好的淬透性與衝擊韌度，足夠的耐熱疲勞效能和抗氧化能力。所以其絕大部分使用的最高硬度也不超過60hrc。
作為乙個小型的冷作凹模，則其工作時主要承受拉壓、彎曲、衝擊、疲勞、摩擦等多種機械力的作用，其主要時效形式有：過載失效、磨損失效、咬合失效以及多沖疲勞失效等。但是對其作用的載荷都相對比較小。
為了滿足冷作模具高應力、高耐磨和使用壽命的需要，因此這個小型冷作模具應具備較高的硬度和耐磨性，一定的抗衝擊能力，較高的變形抗力，斷裂抗力，耐磨損，抗疲勞和不咬合等使用效能。
3 材料選擇
通過給出的技術要求（61～63hrc），所以要選擇淬透性和淬硬性都比較好的材料作為該凹模的製作材料，經查閱相關資料有很多材料都適合作為冷作模具的材料，如9sicr、cr12mov、9mn2v、crwmn等。下面對這四種不同的材料的比較如下：
（1）化學成分（質量百分數：%）：
表1四種不同的材料化學成分表
（2）物理常數（近似值：℃）：
表2四種材料物理常數表
（3）淬透性：
表3四種材料淬透性表
綜合以上所列出的各項資料顯示，這些材料均能達到該零件的使用效能要求。但是根據實際成本和材料的化學成分來看，9mn2v在符合要求的同時具有整體優勢。因為從熱處理特點來看，9mn2v的化學成分相對簡單，且合金元素含量也不高，便於熱處理；另外，從上述四種材料的物理引數看來，9mn2v的臨界點相對較低，應用到大批量生產上可以減少一部分能源的使用，這是一方面的優勢。
此外，對9mn2v進行回火的時候還可以不用通過介質來進行加熱。所以，在均能滿足效能要求的前提下，9mn2v非常符合製作這個凹模。
9mn2v的化學成分（質量百分數：%）如下表：
表4 9mn2v的化學成分（質量百分數：%）表
9mn2v的相關物理引數(攝氏度：℃)如下表：
4 確定加工工藝路線
表5 加工工藝表
5 熱處理工藝方法選擇
5.1 模具的預備熱處理
為了消除毛坯的殘留組織缺陷，有利於後續冷熱處理，提高使用效能和壽命。冷作模具的預備熱處理採用球化退火，因為球化退火可以獲得滿意的機械加工效能，並做好淬火前組織上的準備，球化退火組織對最終獲得熱處理後的強韌性、畸變、開裂傾向、耐磨性以及斷裂韌度有顯著的影響。
球化溫度應選在ar1以上20～50℃為宜，要避免在退火過程出現有殘存的原片狀碳化物或新的片狀及稜角狀碳化物，應保留許多未溶的細小碳化物顆粒以作為球化的結晶核心，保證能加速球化過程和形成均勻的球化體。球化退火的等溫溫度和保持時間要選擇在不出現片狀或片、球狀混合組織，並有合適的球化速度範圍為宜，保證能加速球化過程和形成均勻的球化體。
5.2 模具的最終熱處理
冷作模具的最終熱處理是淬火＋低溫回火。在冷作模具的熱處理工藝過程中最重要的就是淬火和回火的處理，淬火是為了使冷作模具具有高的強度、硬度和耐磨等效能；回火主要是消除工件淬火時所產生的殘餘內應力，提高材料的塑性和韌性，獲得良好的綜合力學效能，穩定工件尺寸，使鋼的組織在工件使用過程中不再發生變化。淬火與低溫回火相結合，則可以使模具具有高的強度、耐磨性、足夠的強度和韌性以及一定的衝擊性的配合，這使得冷作模具應具備高的變形抗力、斷裂抗力、耐磨損、抗疲勞和不咬合等能力。
淬火一般是把鋼加熱到臨界點ac1或ac3以上，保溫並隨之以大於臨界冷卻速度冷卻，以得到介穩狀態的馬氏體或下貝氏體組織，而低溫回火一般是指在低於250℃的情況下進行回火，同時還要根據鋼種注意要避免各種鋼的回火的脆性溫度區間。低溫回火可以使工具、量具獲得高硬度、耐磨、足夠的強度和韌性。
6 制訂熱處理工藝制度
6.1 預備熱處理工藝制度的制訂
表6預備熱處理工藝表
6.1.1 加熱速度
加熱速度主要與鋼的成分、工件的尺寸和形狀等因素有關。為防止變形開裂，應該適當控制加熱速度。碳鋼和低合金鋼的中、小件的加熱速度一般控制在100～200℃/h；中、高合金鋼形狀複雜的或截面大的工件一般應進行預熱或採用低溫入爐進行隨爐公升溫的加熱方式，在溫度低於600～700℃是的加熱速度為30～70℃/h，高於此溫度後控制在80～100℃/h。
根據本設計中零件尺寸及形狀的實際情況，採用低溫入爐加熱，加熱速度為90～100℃/h能夠達到目的。
6.1.2 加熱溫度
球化退火主要應用於共析、過共析鋼，使鋼中的碳化物球化以降低硬度，改善組織，提高淬火鋼的效能及減少淬火缺陷等。加熱溫度對鋼中碳化物的球化效果有著很大的影響。球化退火加熱溫度不宜太高，一般控制在稍高於ac1，如ac1+（20～30）℃，可獲得不均勻奧氏體和大量細小的殘留碳化物，作為碳化物球化的非自發核心，以促進球化。
所以根據9mn2v的ac1點的溫度（730℃）得到球化溫度為750～760℃。
6.1.3 加熱時間
加熱時間主要與鋼的成分、工件的尺寸與形狀、加熱溫度、加熱介質、加熱方式、裝爐量及熱處理目的有關，採用公式（min）來計算，其中k表示與加熱條件有關的綜合物理因素，而w=v/f（mm）表示與工件的尺寸和形狀有關的幾何因素（v為工件的體積，f為工件的面積）。根據本設計中零件的尺寸確定加熱時間為：(0.
6～2)×（35+5+5）＝（27～90）min。所以取加熱時間為60min。
kw使用時間係數見下表：
表7 kw使用時間係數表
注：d為有效厚度；b為板厚；δ為管壁厚。
金屬材料熱處理課程設計說明書 凹模
熱處理工藝設計 課程設計報告 報告題目 9mn2v凹模熱處理工藝設計 作者所在系部 模具技術系 作者所在班級 專接本132 作者學號 20911323 作者姓名 沈亞鋒 指導教師姓名 劉明全 完成時間 2013 9 25 1 材料選擇 通過給出的技術要求 61 63hrc 所以要選擇淬透性和淬硬性都...
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