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模具钢及其热处理马鹏飞江苏大学机电培训学院2010年7月2日2019/8/15江苏大学机电培训学院2第一章钢的热处理第一节概述第二节退火与正火第三节钢的淬火第四节钢的回火第五节钢的表面淬火与化学热处理2019/8/15江苏大学机电培训学院3第一节概述1.热处理：是将金属在固态下加热、保温和冷却，使其内部的组织结构发生变化，以获得所需性能的工艺方法。2.热处理的作用：热处理是机械制造工艺中一个不可缺少的组成部分。它是充分发挥金属材料潜力，改善零件加工工艺性能，提高材料的使用性能，延长零件使用寿命的有效手段。3.热处理的基本过程：包括加热、保温、冷却三个阶段，右图为热处理工艺曲线。2019/8/15江苏大学机电培训学院44.热处理工艺方法热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热(高、中、低频)渗碳氮化碳氧共渗其他形变真空其他2019/8/15江苏大学机电培训学院5第二节退火和正火退火和正火主要是消除前一道工序(如铸造、锻造、轧制、焊接等)所带来的各种组织和性能上的缺陷，并为后一道工序(如切削加工、热处理)做组织准备，故也称为预备热处理。一、退火：将钢加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（一般采用随炉冷却的方法）至室温，以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺方法。（一）退火的目的1.降低钢的硬度，提高钢的塑性和韧性，以利于切削加工和冷变形加工。2.细化晶粒，均匀组织和成分，改善钢的性能，为以后的热处理做组织准备。3.消除钢中的残余应力，防止变形和开裂。（二）常用的退火方法按照钢的成分和处理目的的不同，常用的退火方法可分为：完全退火、球化退火和去应力退火等。1.完全退火：是将工件加热至完全奥氏体化，随后缓慢冷却，获得接近于平衡状态组织的退火工艺。主要用于共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接件等。亚共析钢完全退火后的组织为铁素体加珠光体。过共析钢在缓慢冷却时，钢中会析出网状渗碳体，使钢的力学性能和切削加工性能变坏，故不宜采用完全退火。2.球化退火：使钢中碳化物球化而进行的退火称为球化退火。球化退火组织是呈球状小颗粒的碳化物(或渗碳体)均匀地分布在铁素体基体中。可以降低硬度，改善工件的切削加工性，减少淬火时变形和开裂的倾向，淬火回火后能获得细针马氏体加粒状渗碳体，提高工件力学性能。因此，工具钢、轴承钢等锻轧后必须进行球化退火。球化退火的加热温度只略高于Ac1以上20℃～30℃，例如T8～T13钢为750℃～770℃，保温足够时间后缓慢冷却至500℃以下出炉空冷。2019/8/15江苏大学机电培训学院63.去应力退火：为了消除工件因塑性变形加工、焊接、铸造等工艺造成的残余应力而进行的退火称为去应力退火。去应力退火的工艺是：将钢加热到略低于A1的温度（一般为500～600℃），经保温后缓慢冷却即可。在去应力退火中。钢的组织不发生变化，只是消除内应力。4.均匀化退火：均匀化退火也叫扩散退火。目的是为了消除晶内的偏析，使成分均匀。均匀化退火的实质是使合金元素的原子充分扩散，所以均匀化退火的工艺特点足温度高、时间长。如高合金铸件的退火温度可达1100～1250℃，而保温时间可达10～15h。二、正火：是将钢加热到Ac3或Accm以上，进行完全奥氏体化后，然后在空气中冷却，以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺方法。从实质上讲，正火是退火的一个特例。两者只是转变的过冷度不同，正火的冷却速度快。正火只适用于碳素钢及低、中合金钢，而不适用于高合金钢。正火的目的：1.细化组织，消除热加工中造成的缺陷，使组织正常化。2.用于低碳钢，可以提高硬度，改善切削加工性能。3.用于中碳钢，代替调质处理，为高频淬火做组织准备，以减少调质淬火时造成的变形，并且大大降低成本。4.用于高碳钢，可消除网状渗碳体，便于球化退火。5.对于性能要求不高时，可作为最终热处理。2019/8/15江苏大学机电培训学院7三、退火与正火的选择1.从切削加工方面考虑：一般认为，硬度在170～230HB范围内的钢材，其切削加工性最好。作为预备热处理，低碳钢正火优于退火，而高碳钢正火后硬度过高，必须采用退火。2.从使用性能上考虑：对于亚析钢制的零件，正火处理比退火具有较好的力学性能。如果零件性能要求不高，可用正火作为最终热处理。3.从经济上考虑：正火比退火的生产周期短，成本低，操作方便，应优先采用正火。2019/8/15江苏大学机电培训学院8第三节钢的淬火一、淬火的概念及目的1.淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的冷却速度冷却至室温的热处理工艺方法。2.淬火的目的：主要是获得马氏体组织，为回火做组织准备；获得高硬度和耐磨性以及提高弹性和韧性，以达到强化材料的目的；使之具有某些特殊的物理和化学性能，如永磁性、耐蚀性和耐热性等。二、淬火加热温度的选择淬火加热温度选择应以得到成分均匀和晶粒细小的奥氏体；碳和其他合金元素充分溶解以保证较高的硬度和耐磨性；尽可能地降低氧化和脱碳以及淬火后变形和开裂的倾向；以获得高的力学性能等为原则。1.亚共析钢：Ac3＋（30～50℃），为了得到细小的奥氏体，以便在淬火后得到细小的马氏体组织。2.共析钢、过共析钢：Ac1＋（30～50℃），为了淬火后能形成在细小马氏体基体上均匀分布着细小渗碳体的组织。这种组织不仅耐磨性好，而且脆性也小。2019/8/15江苏大学机电培训学院9三、淬火介质1.常用的淬火冷却介质有水、盐类水溶液以及油、熔盐、空气等。2.对于临界冷却速度较大的碳钢，必须采用冷却能力较强的水及盐类水溶液等介质作为淬火介质；而对于临界冷却速度较小的合金钢，一般采用油作为冷却介质，以获得最佳的淬火效果。2019/8/15江苏大学机电培训学院10四、钢的淬透性及淬硬性1.钢的淬透性a.淬透性：是指钢在规定条件下淬火，所能获得淬透层深度的能力。它反映了钢在淬火时过冷奥氏体转变成马氏体的难易程度。b.淬透性通常可用临界淬透直径来表示。临界淬透直径是指钢在某一种介质中淬火，从表面到心部全部能淬透的最大直径，用D0表示。c.临界冷却速度越低，钢的淬透性越好。如合金钢的淬透性比碳钢好。d.淬透性是钢的重要的热处理性能之一，其主要表现在两个方面：①淬透性好的钢，淬火后截面上的组织均匀一·致，综合力学性能好。②淬透性好的钢，冷却时可以采用冷却能力较弱的介质淬火，以减少工件的变形和开裂，保证淬火质量。2.钢的淬硬性钢的淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火，能达到最大硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于含碳量，钢的含碳量越大．其淬硬性越高。2019/8/15江苏大学机电培训学院11六、冷处理工件淬火冷却到室温后，继续在o℃以下的一般制冷设备或低温介质中冷却的热处理工艺叫做冷处理。冷处理的目的主要是为了提高硬度和组织的稳定性，以及提高钢的磁性。七、淬火缺陷1.氧化和脱碳避免氧化和脱碳的方法主要有：预留足够的加工余量；采用脱氧良好的盐浴加热；采用保护气氛加热；采用高温短时间加热等。采用可控气氛加热或在氮和惰性气体等中性气氛中加热也是防止氧化脱碳的有效方法。2.过热及过烧钢在淬火加热时，由于加热温度过高或高温停留时间过长，造成奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为过热。若加热温度达到固相线附近，晶界氧化并开始部分熔化的现象叫过烧。出现过热的工件可以通过正火加以纠止，出现过烧，工件只能是报废。2019/8/15江苏大学机电培训学院123.淬火冷却变形和开裂由于淬火时产生的淬火应力，使工件的尺寸、形状发生人们不希望的变化叫做淬火变形。当应力过大，越过强度极限时，在工件上会产生裂纹，称为淬火开裂。4.硬度不足和软点钢件淬火硬化后。表面硬度偏低的局部小区域称为软点。淬火工件整体硬度都低于淬火要求的硬度时称为硬度不足。2019/8/15江苏大学机电培训学院13第四节钢的回火一、回火的基本概念及目的1.回火：是指钢在淬火之后，再加热至A1点以下某一个温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。2.回火的目的：a.调整钢的硬度和强度，提高钢的韧性，获得所需的性能；b.消除淬火时的内应力，防止变形和开裂；c.稳定组织和尺寸。2019/8/15江苏大学机电培训学院14二、回火时的组织及性能的变化淬火钢回火时的组织变化可分为四个阶段：1.马氏体的分解（80～200℃）：在回火过程中，由过饱和程度降低的马氏体，与极分散的碳化物所组成的混合物称为回火马氏体。2.残余奥氏体的分解（200～300℃）：当钢加热温度超过200℃时，残余奥氏体开始分解，转变为下贝氏体或回火马氏体；到300℃时，分解基本结束。3.渗碳体的形成（300～400℃）：从马氏体中分解出的碳化物逐渐转变为颗粒状的渗碳体(Fe3C)，钢的内应力基本消除。4.渗碳体的聚集和长大：a.在400～500℃回火时形成的组织，渗碳体的颗粒极细小，而数目较多，这种铁素体和渗碳体的混合物称为回火托氏体。b.在500～600℃回火时形成的组织时，渗碳体较细小，均匀分布在铁素体基体上，这种混合组织称为回火索氏体。在回火加热过程中，因组织发生了变化，钢的性能也发生了改变，其趋势是随着加热温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性和韧性提高。2019/8/15江苏大学机电培训学院15三、回火工艺参数回火工艺参数主要包括回火温度、保温时间以及回火后的冷却等。四、回火的分类及应用根据回火温度的不同，回火可以分为三类：1.低温回火(250℃)：得到的组织是回火马氏体。其性能是：具有高的硬度和耐磨性能，有一定的韧性。主要用于刀具、量具、拉丝模以及其他要求硬而耐磨的零件。2.中温回火(350～500℃)：得到的组织为回火托氏体。其性能是：具有较高的弹性极限、屈服点和适当的韧性，硬度可达40～50HRC。主要用于弹性零件和热锻模。3.高温回火(500℃)：得到的组织为回火索氏体。其性能是具有良好的综合力学性能(足够的强度与韧性相匹配)，硬度达25～40HRC。生产中把淬火与高温回火的复合热处理工艺称为调质。广泛用于受力构件，如螺栓、连杆、曲轴等的热处理。与正火相比，不仅强度高，而且塑性、韧性远高于正火钢。因此重要零件均采用调质处理。2019/8/15江苏大学机电培训学院16五、回火脆性1.回火脆性：淬火钢回火时，随着回火温度的升高，硬度降低而塑性提高。此时，钢的韧性也应随之提高，但在某些温度区间回火后，韧性反而大大降低，这种现象称为回火脆性。2.第一类回火脆性（250～400℃）：又叫做“低温回火脆性”或“不可逆回火脆性”。3.第二类回火脆性（450～650℃）：又叫作“高温回火脆性”或“可逆回火脆性“。淬火的合金钢在450～650℃之间回火并慢冷之后，就出现这种脆性。重新在较高温度回火并快冷，韧性又会提高。2019/8/15江苏大学机电培训学院17第五节钢的表面淬火及化学热处理一、钢的表面淬火表面淬火：是指不改变零件表面的化学成分，而只通过强化手段改变表面组织状态的热处理方法。表面淬火的目的：利用快速加热方法将表面层奥氏体化，然后淬火，心部组织并不发生变化，表面获得马氏体的组织结构，使心部具有足够的塑性和韧性，表面获得高的硬度和耐磨性。用于：中碳钢、中碳低合金钢、高碳工具钢、铸铁等，硬度可比普通淬火高2～3HRC。通常：淬火前正火或调质，淬火后低温回火。2019/8/15江苏大学机电培训学院181.火焰加热表面淬火：是指采用氧－乙炔(或其他可燃气体)火焰对零件表面进行加热，随之快速冷却的淬火工艺。表面加热用的高温火焰，是由两种气体混合后高速燃烧形成的。一种是氧化气，主要有氧气；另一种是燃料气，主要有乙炔(C2H2)、丙烷(C3H3)、天然气、液化石油气等。2019/8/15江苏大学机电培训学院192.感应加热表面淬火：感应加热表面淬火是以交变电磁场作为加热介质，利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火方法。感应加热淬火的特点：1)加热速度快。加热到淬火温度仅需要几秒到几十秒的时间。2)淬火质量好。加热迅速，奥氏体晶粒细小。获得细针马氏体，硬度比普通淬火的高2～3