模具钢材的热处理

∙模具钢材的热处理

∙发布时间:2009-12-17 12:00:52 来源：互联网文字【大中小】

∙钢材经适当的热处理可显著增加硬度、强度、韧度、耐磨耗性等机械性质。施行电镀作表面处理，模具精度提高、表面光亮，使脱模更顺利，成品表面光度增加。因此欲模具寿命延长、质量提升，除了事先预选适当的模具材料外，对于加工后，模具的热处理方法的选定也极其重要，以下分点说明。

正常化

此项热处理旨在消除铸造、锻造、辊轧等高温高压处理所产生的粗晶组织，并将加工所生的内部应力消除。其方法为将工作加热到变态点AC3或ACm点以上30°～50℃的温度后，使之在空气中自然冷却，如图1所示。使用大型构造用钢，在材料经锻造成模型后，再施以正常化处理。

退火

退火是为了使钢料软化，调整结晶组织，除去内部应力。其方法为加热到AC3或AC1变态点以上30°～50℃，保持适当时间后，在炉中或灰中冷却。模具材料退火处理有两种方式。

消除应力退火

目的在除去加工所引起的内部应力。适用于粗切削、中切削或需淬火的模具零件。因淬火时麻田散铁变态所生的应力将加大，除非先行实施退火消除内部应力，否则将造成巨大的应变，而致淬火罅裂、翘曲。即使不淬火的零件，若经大量粗重切削，不经此项处理的话，也将因加工应力的残存，而终致尺寸的精度改变或发生翘曲。

球状化退火

目的在改善加工性，增加韧性，防止淬火罅裂，使钢中的碳化物变成球状组织。

淬火

淬火的目的是为了将钢硬化、增加强度。其方法为钢材加热到AC3或AC1变态点以上约30°～50℃，保持适当时间后，使它在淬火液中急速冷却，而产生高硬度的麻田散铁组织，如图3所示。模具零件常用的淬火方法有下列三种。

普通淬火

加热到变态点以上的温度后，在水或油中急冷以得麻田散铁组织。此方法，加热必需防止过热及氧化脱碳的现象发生。对于壁厚不均的模具，将会有加热不均匀。由于各部份的度差发生热膨胀差，致影响变态点，引起变态差，而致淬火罅裂。因此为了达到均匀加热，最好用盐浴或惰性气炉。

氧化、脱碳之防止可采用盐浴炉或可调整的隋性气炉。热处理变形的防止，宜使用淬火温度低，自硬性大，有气冷程度的淬火钢。含大量铬、镍的合金钢、高速钢具有此一空气中冷却而硬化的特性，对于加工后再行热处理的模具、精度、形状能保持而不致变形，精密度失掉。

麻淬火(marquenching)

将待处理的材料加热到淬火温度后，投入于温度为Ms点(冷却时由沃斯田铁转变为麻田散铁的开始温度)的热盐浴中，待材料的温度成为均一后，取出气冷，缓慢引起麻田散铁变态、材质变硬，不致发生淬火应力及罅裂，最后再施行回火处理。

麻回火(martempering)

将材料加热到淬火温度后，投入于温度为Ms点及Mf点(冷却时由沃斯田铁转变为麻田散铁的终了温度)间的热盐浴内淬火(100～200℃)，长时间保存恒温，直到变态终了，然后空冷。利用此法淬火者，麻田散铁自行回火，淬火应力消除，冲击值得以提高，韧性较回火处理者强。工业界一般皆不等待到恒温变态终了，即行捞出，如图示，而后段则采气冷回火。回火

淬火后的钢虽然强度大硬度高，但是很脆。假如淬火钢加热到A1变态点以下的适当温度时，不但可以除去淬火钢的内部应力，又能调节硬度得到适当的强韧性，这种处理叫回火。依照回火之目的，可分为低温回火与高温回火两种。

低温回火

适用于淬火硬度需要相当高的情况下，将高碳钢加热于温度约200℃的低温，目的应于消除淬火所产生的内部应力。残留的沃斯田铁组织不易产生变化，可维持相当高的硬度。

高温回火

适用于构造用钢，将其加热在温度500℃～600℃之间使其组织变为有韧性的糙斑铁。此时可兼顾钢材的韧度和硬度。

含碳量为0．45%的中碳钢，在不同回火温度下的机械性质。

对于施行一次回火，不能得到满意的机械性质的钢料如高合金钢及高速钢，可施行2～3次的返复回火。

表面处理

表面处理是指以加热或化学处理的方法，使钢料表面增加硬度到达某一深度。其方法有渗碳、高周波及火焰淬火、氮化及电镀。分别叙述如下。

渗透淬火

低碳钢或表面淬火钢(低镍钢、低镍铬钢等低碳合金钢)在适当的渗碳剂中加热，使表面起渗碳到某一深度，使成高碳的状态的表面硬化法。在渗碳剂中以850～900℃加热8～10小时，则钢料表面起渗碳约2mm的深度。渗碳完后再施以淬火处理，使渗碳部份硬化。若有不想渗碳的部份，可预先镀铜以防止。一般渗碳剂可分为固体渗碳、气体渗碳与液体渗碳等三种。

固体渗碳的渗碳剂使用木炭、焦炭等固体。以木炭粉为主，加入20～30%的碳酸钡、碳酸钠等促进剂。

气体渗碳的渗碳剂为气体，主要为一氧化碳或甲烷碳化氢，渗碳浓度容易调节，可使渗碳均匀。渗碳能力大，不只表面，连心部也可均匀渗碳。

液体渗碳的渗碳剂为溶融的氰化物，将钢加热到AC1变态点以上而渗碳。通常薄层硬化是浓度较高的氰化钠盐浴中作低温(850～900℃)处理，而厚层硬化以浓度较低的氰化钠盐浴作高温(900～950℃)的处理。

高周波硬化

藉高周波感应电流将钢料表面急热，在到达淬火温度后，用适当的冷却剂急冷，称为高周波淬火。主要用于需具强韧及耐磨耗的机械性质的模具零件，如导销、复归销、斜销等等。含碳量0．4～0．5%的碳钢，或合金钢皆适用于本方法。

火焰淬火

以氧气-乙炔火焰将钢料表面急速加热到淬火温度，再以水急速冷却而使表面硬化。本方法的特色在于只将外周表面淬火硬化，因此淬火应变小，可应用于各种形状及大小的钢制品。淬火方法大致分别有两种。

全面同时淬火法

适用于较小面积的处理。全面同时加热，然后对此加热到淬火温度的面进行冷却以硬化之。

移动淬火法

大面积不适宜用全面同时淬火法，乃改用顺序移动加热及冷却的组合吹管，以行加温冷却全面积。也可应用于不易全面淬火的模具的局部淬火、零件的磨擦面，可增高耐磨性，延长模具寿命。

氮化

氮化是在氨气或含氨的媒体中加热，增加氮含量而将钢表面硬化的方法。加热温度高时，硬度减低，但氮化深度加深。氯化时间取决于所需氮化深度，大约是50小时0．5mm，标准是100小时0．7mm。镀锡或镀镍的部份，可以防止氮化。

氮化用钢，其标准成份大约是碳0．35～0．45%、铝1．0～1．3%、铬1．3～1．8%、钼0．5%以下，此时的氮化温度500～500℃，表面硬度为HRC67～70，为一非常硬的氮化层。

氮化法依其媒剂可分为气氮化、液体氮化、软氮化(低温盐浴氮化法)。

气体氮化法

被处理的料件装于氮化箱内，放入于炉中，通入氨气，温度为500～550℃左右，氮化时间为50～100小时。此种方法为低温处理，使热处理变形接近于无。

液体氮化法

液体氮化法与液体渗碳法之不同点，在于本法是在AC1变态点以下加温而渗碳法却在AC1以上，且本法所用之盐浴含较高的氮量而较少的碳量。将氰化钠盐与氰酸盐和碳酸盐适当混合，加温到560℃，将料浸入约2～3小时，即可形成薄层的氮化层，可增耐磨耗性，防止烧焦及耐疲劳性。

软氮化法