金属热处理工艺基本知识部分.ppt

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1、 热热处处理理是是指指通通过过对对工工件件的的加加热热、保保温温和和冷冷却却，使使金金属属或或合合金金的的组组织织结结构构发发生生变变化化，从从而而获获得得预预期期的的性性能能(如如机机械械性性能能、加加工工性性能能、物物理理性性能能和和化化学学性性能能等等)的操作工艺称为热处理。的操作工艺称为热处理。工工件件热热处处理理的的目目的的是是通通过过热热处处理理这这一一重重要要手手段段，来来改改变变(或或改改善善)工工件件内内部部组组织织结结构构，从从而而获获得得所所需需要要的性能并提高工件的使用寿命。的性能并提高工件的使用寿命。B B 金属热处理工艺基本金属热处理工艺基本知识知识 热处理工艺一般

2、包括热处理工艺一般包括加热、保温、冷却加热、保温、冷却三个过三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。衔接，不可间断。加热加热是热处理的重要工序之一。是热处理的重要工序之一。增补章增补章:金属材料与金属材料与金属热处理工艺金属热处理工艺基本基本知识知识1.1.金属热处理工艺基本金属热处理工艺基本知识知识热处理过程中四个重要因素热处理过程中四个重要因素:在热处理时，因工件的大小不同，形状不在热处理时，因工件的大小不同，形状不同，材料的化学成分不同，所以在具体热处理过同，材料的化学成分不同，所以在具体热处理过程中，要用不同的加热速

3、度、最高的加热温度、程中，要用不同的加热速度、最高的加热温度、保温时间和冷却速度。通常保温时间和冷却速度。通常把加热速度、最高加把加热速度、最高加热温度、保温时间和冷却速度称为工件热处理的热温度、保温时间和冷却速度称为工件热处理的四个要素，也称工艺参数四个要素，也称工艺参数。正确地确定和保证实。正确地确定和保证实施好工艺，就能获得预期的效果，并将得到满意施好工艺，就能获得预期的效果，并将得到满意的性能。的性能。从数学的观点看，热处理的质量是温度和从数学的观点看，热处理的质量是温度和时间的函数，所以工件的热处理工艺规范可用时时间的函数，所以工件的热处理工艺规范可用时间一温度为坐标表示出来，任何工

4、件的热处理，间一温度为坐标表示出来，任何工件的热处理，都应包括：都应包括：1.1.金属热处理工艺基本金属热处理工艺基本知识知识图图1 1 热处理热处理规范示意图规范示意图（a a）简单的）简单的热处理热处理规范规范 （b)b)复杂的复杂的热处理热处理规范规范都应包括都应包括 四个重要因素四个重要因素:(1)(1)加热速度加热速度V V；(2)(2)最高加热温度最高加热温度T;T;(3)(3)保温时间保温时间h;(4)h;(4)冷却速度冷却速度V Vt t.1）钢的退火与正火钢的退火与正火2.2.钢的热处理基本工艺及应用钢的热处理基本工艺及应用 退火与正火的目的退火与正火的目的 调整硬度以便进行

5、切削加工调整硬度以便进行切削加工 消除残余应力消除残余应力 细化晶粒，改善组织细化晶粒，改善组织 为最终热处理做好组织上的准备为最终热处理做好组织上的准备退火：退火：将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工艺。艺。退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火、退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火等，如图所示。去应力退火、再结晶退火等，如图所示。图图3 3 箱式炉箱式炉图图2 2 各种退火及正火的加热范围各种退火及正火的加热范围 完全退火完全退火 将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到A Ac c3 3+30+305050，保温后缓冷，保

6、温后缓冷的退火工艺称为完全退火。的退火工艺称为完全退火。目的：降低硬度，消除内应力。目的：降低硬度，消除内应力。等温退火等温退火 将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到A Ac c3 3+30+305050、过共析、过共析钢加热到钢加热到A Ac c1 1+30+305050，保温后快冷到保温后快冷到ArAr1 1以下以下某一温度保温某一温度保温，然后出，然后出炉空冷。如图是高速钢炉空冷。如图是高速钢等温退火与普通退火的等温退火与普通退火的比较比较图图3 3高速钢等温退火与普通退火的比较高速钢等温退火与普通退火的比较 球化退火球化退火将共析钢或过共析钢加热到将共析钢或过共析钢加热到 A Ac c1

7、1+20+203030，保温，保温适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。目的：目的：降低硬度，改善切削加工性能；形成球状降低硬度，改善切削加工性能；形成球状珠光体，为后面的淬火作组织准备。珠光体，为后面的淬火作组织准备。扩散退火扩散退火 将工件加热到略低于固相线温度，保温后缓慢冷将工件加热到略低于固相线温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺称为扩散退火。却的热处理工艺称为扩散退火。目的：目的：消除成份偏析。消除成份偏析。去应力退火去应力退火 将工件加热到将工件加热到 A Ac1c1以下某一温度，保温后随炉冷却以下某一温度，保温后随炉冷却的热处理工艺称

8、为去应力退火。的热处理工艺称为去应力退火。目的：目的：消除铸、锻、焊的内应力。消除铸、锻、焊的内应力。正火正火是将钢加热到是将钢加热到 Ac3或或 Accm以上以上30305050，保，保温后空气中冷却的热处理工艺。温后空气中冷却的热处理工艺。正火具有以下几方面的应用：正火具有以下几方面的应用：含碳量含碳量0.25%经正火后硬度提高，改善了切削经正火后硬度提高，改善了切削加工性能。加工性能。消除过共析钢中的二次渗碳体。消除过共析钢中的二次渗碳体。作为普通结构零件的最终热处理。作为普通结构零件的最终热处理。正火正火的冷却速度稍快于退火，由的冷却速度稍快于退火，由C曲线可知，二者曲线可知，二者的组

9、织是不一样的。正火后的组织比退火细，如图所的组织是不一样的。正火后的组织比退火细，如图所示。示。图图3 3 正火与退火后组织的比较正火与退火后组织的比较 2）钢的淬火钢的淬火 淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk的速度冷却的热处理工艺。的速度冷却的热处理工艺。目的：目的：为了获得马氏体，提高钢的力学性能。为了获得马氏体，提高钢的力学性能。淬火温度淬火温度 选择淬火温度的原则是选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。获得均匀细小的奥氏体。如图所示，一般淬火温度如图所示，一般淬火温度在临界点以上。在临界点以上。图图4 4 碳钢的淬火温度范围碳钢的淬

10、火温度范围 对对亚共析钢亚共析钢，淬火温度为，淬火温度为Ac3+3050，淬火淬火组织为马氏体，如图所示。组织为马氏体，如图所示。亚温淬火：亚温淬火：加热温度在加热温度在Ac1 Ac3之间，淬火组织之间，淬火组织为马氏体加铁素体，如图所示。亚温淬火也是一种强为马氏体加铁素体，如图所示。亚温淬火也是一种强韧化处理方法。韧化处理方法。图图6 6 马氏体加铁素体马氏体加铁素体图图5 5 马氏体马氏体图图7 7 对对共析钢和过共析钢共析钢和过共析钢 淬火温度为淬火温度为Ac1+3050，组织为细马氏体加颗粒状组织为细马氏体加颗粒状 渗碳体和少量残余奥氏体，渗碳体和少量残余奥氏体，如图所示。如图所示。对

11、对合金钢合金钢，一般淬火温度为临界点以上，一般淬火温度为临界点以上5050100100。提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化。均匀化。3)3)淬火介质淬火介质为了保证得到马氏体为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大组织，淬火速度必须大于临界冷却速度于临界冷却速度Vk，但但往往会引起工件变形和往往会引起工件变形和开裂。开裂。要想既得到马氏体又要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲线如图所的淬火冷却曲线如图所示。示。最常用的淬火介质是水和油。最常用的淬火介质是水和油。图图8 8 理想的淬火冷却曲线理想的淬

12、火冷却曲线 水是经济且冷却能力水是经济且冷却能力较强的淬火介质。如表较强的淬火介质。如表所示：所示：油主要用于合金钢油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的或小尺寸碳钢工件的淬火。淬火。熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。这类熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。这类介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火。淬火和等温淬火。近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液等淬火介质。浓度硝盐水溶液等淬火介质。表表1 1 4 4）淬火方法淬火方法常用淬火方法如图所示。常用淬火方

13、法如图所示。图图9 9 各种各种淬火方法示意图淬火方法示意图 单液淬火法单液淬火法 将加热的工件放入一将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法，如至室温的操作方法，如水淬、油淬等。水淬、油淬等。将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却，将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却，然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。双液淬火主要用于形状复杂如水淬油冷或油淬空冷。双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。的高碳钢工件及大型合金钢工件。双液淬火法双液淬火法 分级淬火法

14、分级淬火法 将加热的工件在将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。件。等温淬火等温淬火 将加热工件在稍高于将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。其特点是工件具有良好的综合力学性能，火方法。其特点是工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火。多用于形状复杂和要求较高的小件。

15、一般不必回火。多用于形状复杂和要求较高的小件。5)5)钢的淬透性钢的淬透性 淬透性淬透性 淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度。层深度。淬透性对钢力淬透性对钢力学性能的影响学性能的影响:钢的淬透性直接钢的淬透性直接影响其热处理后影响其热处理后的力学性能。的力学性能。图图1010 淬透性高的钢，淬透性高的钢，其力学性能沿截其力学性能沿截面均匀分布面均匀分布 淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低 淬透性的测定及其表示方法淬

16、透性的测定及其表示方法 测定钢的淬透性测定钢的淬透性最常用的方法是最常用的方法是末末端淬火法端淬火法。将将25100mm的的标准试样经奥氏体标准试样经奥氏体化后，对末端进行化后，对末端进行喷水冷却。如图所喷水冷却。如图所示。示。图图11 11 末端淬火法末端淬火法 按规定方法测定硬度值，作出淬透性曲线；按规定方法测定硬度值，作出淬透性曲线；利用钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图，和利用钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图，和淬透性淬透性 曲线图可找出其淬透性的大小。曲线图可找出其淬透性的大小。淬透性的表示方法淬透性的表示方法淬透性值可用淬透性值可用 表示。其中表示。其中J表示末端淬透性，表示

17、末端淬透性，d表示至水冷端的距离，表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。为该处测得的硬度值。钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的最大直径，即临界直径最大直径，即临界直径D D0 0表示。表示。淬透性的应用淬透性的应用:对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及要求机械性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造。要求机械性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造。对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选用低淬透性的钢制造。用低淬透性的钢制造。在设计和制造零件时

18、，必须考虑钢的热处理尺寸效在设计和制造零件时，必须考虑钢的热处理尺寸效应。应。6)6)钢的回火钢的回火 回火的目的回火的目的 降低脆性，减少或消除内应力降低脆性，减少或消除内应力 获得工艺所要求的力学性能获得工艺所要求的力学性能 稳定工件尺寸稳定工件尺寸 对某些高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工对某些高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工 淬火钢在回火时的转变淬火钢在回火时的转变 回火时的组织转变回火时的组织转变淬火钢组织发生以下四阶段的变化：淬火钢组织发生以下四阶段的变化：马氏体分解：主要发生在马氏体分解：主要发生在100200，马氏体中的碳以马氏体中的碳以碳化物（碳化物（Fex）的形式

19、析出，）的形式析出，析出的碳化物以极小片状分布析出的碳化物以极小片状分布在马氏体基体上，这种组织称在马氏体基体上，这种组织称为回火马氏体，用为回火马氏体，用“M回回”表示。表示。如图所示。如图所示。图图12 12 回火马氏体回火马氏体图图1414 残余奥氏体分解残余奥氏体分解 主要发生在主要发生在200300，残余奥，残余奥氏体分解氏体分解 为为碳化物和过饱和碳化物和过饱和，但组织仍是回火马但组织仍是回火马氏体。氏体。碳化物转变为碳化物转变为Fe3 主要发生主要发生在在250400，此时回火马氏体转，此时回火马氏体转变为在保持马氏体形态的铁素体基变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗

20、碳体的组织，体上分布着细粒状渗碳体的组织，称为回火屈氏体，用称为回火屈氏体，用“T回回”表示。表示。图图1313 渗碳体的聚集长大及渗碳体的聚集长大及相再结晶相再结晶 主要发生在主要发生在400以上以上,此时此时 形成颗形成颗粒状渗碳体，铁素体由针片状转变粒状渗碳体，铁素体由针片状转变为多边形，这种组为多边形，这种组 织称为回火索氏织称为回火索氏体，用体，用“S回回”表示。如图所示表示。如图所示。回火过程中的性能变化回火过程中的性能变化 总的规律是：随回火温度升高，强度、硬度下降，总的规律是：随回火温度升高，强度、硬度下降，塑性、韧性上升。如图为硬度与回火温度的关系。塑性、韧性上升。如图为硬度

21、与回火温度的关系。回火温度在回火温度在200200以下以下,钢的硬度不降低钢的硬度不降低,对高碳钢，对高碳钢，甚至略有升高。甚至略有升高。回火温度在回火温度在200200300,300,高碳高碳钢的硬度再次升高钢的硬度再次升高,中、低碳钢中、低碳钢硬度缓慢降低。硬度缓慢降低。回火温度回火温度300300以上，钢的硬以上，钢的硬度呈直线下降。度呈直线下降。注意：回火屈氏体、回火索氏注意：回火屈氏体、回火索氏体和球状珠光体与过冷奥氏体直体和球状珠光体与过冷奥氏体直接分解得到的屈氏体、索氏体和珠光体的力学性能有接分解得到的屈氏体、索氏体和珠光体的力学性能有 显著区别。显著区别。图图15 15 回火的

22、种类回火的种类 中温回火（中温回火（350350500500）组织为回火索氏体，具有较高弹性和一定韧性，主要组织为回火索氏体，具有较高弹性和一定韧性，主要 用于弹簧的处理。用于弹簧的处理。高温回火（高温回火（500500650650）组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。习惯习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称作调质处理上将淬火加高温回火相结合的热处理称作调质处理，简称简称“调质调质”。调质广泛用于处理重要的结构零件，。调质广泛用于处理重要的结构零件，如轴、齿轮等。如轴、齿轮等。低温回火（低温回火（150150250250）组织为回火马氏体，能降

23、低组织为回火马氏体，能降低内应力和脆性，并保持高硬内应力和脆性，并保持高硬度和耐磨性。用于工具、模度和耐磨性。用于工具、模具、轴承、渗碳件及经表面淬火的工件。具、轴承、渗碳件及经表面淬火的工件。图图16 16 淬火钢出现冲击韧性显淬火钢出现冲击韧性显著下降的现象称为著下降的现象称为“回火回火脆性脆性”，如图如图 回火脆性回火脆性 在在250250350350回火时出现的脆性称为低温回火脆性。回火时出现的脆性称为低温回火脆性。一般不在此温度范围内进行回火。一般不在此温度范围内进行回火。高温回火脆性高温回火脆性 在在500500650650回火时出现的脆性称为高温回火脆性。回火时出现的脆性称为高温

24、回火脆性。主要发生在含主要发生在含CrCr、NiNi、MnMn等合金元素的结构钢中。等合金元素的结构钢中。快冷可防止高温脆性，在钢中加入（约快冷可防止高温脆性，在钢中加入（约1%1%）o o（约约0.5%0.5%）等合金元素可有效抑制这类脆性的产生。）等合金元素可有效抑制这类脆性的产生。图图17 17 淬火回火的工艺缺陷淬火回火的工艺缺陷 硬度不足硬度不足 是由淬火加热温度低、表面脱碳、冷速不够、钢是由淬火加热温度低、表面脱碳、冷速不够、钢材淬透性低等原因造成的。可采用相应措施加以防材淬透性低等原因造成的。可采用相应措施加以防治。治。硬度不均匀硬度不均匀 是由原始组织粗大且不均匀、冷却不均匀等

25、原因是由原始组织粗大且不均匀、冷却不均匀等原因造成的。可通过正火后重新淬火来消除。造成的。可通过正火后重新淬火来消除。过热和过烧过热和过烧过热组织可通过重新淬火来消除；工件一旦过烧则过热组织可通过重新淬火来消除；工件一旦过烧则只能报废。只能报废。7)7)钢的表面淬火钢的表面淬火 利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强强 化零件表面的热处理方法。化零件表面的热处理方法。表面淬火用材料含碳量为表面淬火用材料含碳量为0.40.40.5%0.5%的中碳钢及铸的中碳钢及铸铁。铁。预备热处理预备热处理为表面淬火作准备，以获得预备热处理预备热处理为表面淬火作准

26、备，以获得最终的心部组织。方法有调质和正火等。最终的心部组织。方法有调质和正火等。表面淬火后的组织表层组织为回火马氏体，表面淬火后的组织表层组织为回火马氏体，心部组心部组织为回火索氏体织为回火索氏体(调质）或铁素体加索氏体（正火）。调质）或铁素体加索氏体（正火）。感应加热表面淬火感应加热表面淬火 感应加热的基本原理感应加热的基本原理 感应加热表面淬火的装置如图。感应加热表面淬火的装置如图。交变磁场使工件内部感生出巨交变磁场使工件内部感生出巨大的涡流大的涡流。感应电流在工件表层密度最大，感应电流在工件表层密度最大，而心部密度为零，这种现象称为而心部密度为零，这种现象称为集肤效应集肤效应。电流透入

27、的深度与感应电流的电流透入的深度与感应电流的频率有关频率有关。电流频率越高，感应电流透入电流频率越高，感应电流透入深度越浅深度越浅。图图1818感应加热表面淬火感应加热表面淬火的装置的装置 高频感应加热高频感应加热 电流频率范围电流频率范围250250300300kHzkHz，淬硬层深度为淬硬层深度为0.50.52.0mm2.0mm，适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。中频感应加热中频感应加热 电流频率范围电流频率范围25002500800800kHzkHz，淬硬层深度淬硬层深度2 21010mmmm，适用于较大的轴和大中模数齿轮。，适用于较大的

28、轴和大中模数齿轮。工频感应加热工频感应加热 电流频率电流频率5050HzHz，淬硬层深度可达淬硬层深度可达10101515mmmm，适用适用 于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮的表面淬火。车车轮的表面淬火。感应加热表面淬火后的回火感应加热表面淬火后的回火 一般只进行低温回火，回火温度一般不高于一般只进行低温回火，回火温度一般不高于200200。感应加热的分类感应加热的分类 加热温度高。加热温度高。感应加热表面淬火后工件感应加热表面淬火后工件表层硬度高，脆性较低。表层硬度高，脆性较低。工件表面质量好。工件表面质量好。生产效率高。生产

29、效率高。感应加热表面淬火的特点感应加热表面淬火的特点 特点及应用：特点及应用：设备简单、成本低、设备简单、成本低、灵活性大，但淬火质量较灵活性大，但淬火质量较难控制。主要用于单件小难控制。主要用于单件小批量生产件及大型零件的批量生产件及大型零件的表面淬火。表面淬火。图图20 20 图图19 19 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 电接触加热的原理如图。电接触加热的原理如图。电接触加热表面淬火电接触加热表面淬火 特点及应用：特点及应用：工件变形小，工艺简单，不需回火，但硬化层工件变形小，工艺简单，不需回火，但硬化层薄。形状复杂的工件不宜采用。薄。形状复杂的工件不宜采用。图图21 21 8)8)模

30、具钢模具钢 用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢称为模具钢。根据性质和使用条件的不同，模具的钢称为模具钢。根据性质和使用条件的不同，可分为可分为 冷作模具钢和热作模具钢冷作模具钢和热作模具钢 两大类。两大类。(1)(1)冷作模具钢冷作模具钢 冷作模具钢是用于在室温下对金属进行变形加工冷作模具钢是用于在室温下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、落料模等。落料模等。工作条件和性能要求工作条件和性能要求 处于工作状态的冷作模具承受着强烈的冲击载荷处于工作状态的冷作模具承受着强

31、烈的冲击载荷和摩擦、很大的压力和弯曲力的作用，主要的失效破和摩擦、很大的压力和弯曲力的作用，主要的失效破坏形式包括磨损、变形和开裂等，因此冷作模具钢要坏形式包括磨损、变形和开裂等，因此冷作模具钢要求具有较高的硬度和耐磨性，良好的韧性和疲劳强度。求具有较高的硬度和耐磨性，良好的韧性和疲劳强度。(1)(1)冷作模具钢冷作模具钢 工作条件和性能要求工作条件和性能要求 (续续)截面尺寸较大的模具还要求具有较高的淬透性，高精截面尺寸较大的模具还要求具有较高的淬透性，高精度模具则要求热处理变形小。度模具则要求热处理变形小。化学成分化学成分为保证获得高硬度和高耐磨性，冷作模具钢碳的质量为保证获得高硬度和高耐

32、磨性，冷作模具钢碳的质量分数较高，大多超过分数较高，大多超过1 1o oC C，有的甚至高达，有的甚至高达2 20 0C C。铬是冷作模具钢中的主要合金元素，能提高淬透性，铬是冷作模具钢中的主要合金元素，能提高淬透性，形成形成Cr7C3Cr7C3。或。或(Cr(Cr，Fe)7C3Fe)7C3。等碳化物，能明显提高。等碳化物，能明显提高钢的耐磨性。锰可以提高淬透性和强度，钨、钼、钒钢的耐磨性。锰可以提高淬透性和强度，钨、钼、钒等与碳形成细小弥散的碳化物，除了进一步提高淬透等与碳形成细小弥散的碳化物，除了进一步提高淬透性、耐磨性、细化晶粒外，还能提高回火稳定性、强性、耐磨性、细化晶粒外，还能提高回

33、火稳定性、强度和韧性。度和韧性。(1)(1)冷作模具钢冷作模具钢 热处理特点热处理特点 冷作模具钢热处理的目的是最大限度地满足其性冷作模具钢热处理的目的是最大限度地满足其性能要求，以便能正常工作，现以能要求，以便能正常工作，现以Crl2MoVCrl2MoV 冷作模具专冷作模具专用钢制造冲孔落料模为例来分析热处理工艺方法及制用钢制造冲孔落料模为例来分析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。冲孔落料模的凸、凹模均要求硬度定生产工艺路线。冲孔落料模的凸、凹模均要求硬度在在585860HRC60HRC之内，要求具有较高的耐磨性、强度和之内，要求具有较高的耐磨性、强度和韧性，较小的淬火变形。为此，设计其生产

34、工艺路线韧性，较小的淬火变形。为此，设计其生产工艺路线如下：如下：锻造一退火一机加工锻造一退火一机加工+淬火淬火+回火回火+精磨或电火花加工精磨或电火花加工一成品一成品 Crl2MoVCrl2MoV钢的组织与性能与高速钢相类似，合金元钢的组织与性能与高速钢相类似，合金元素含量较高，锻后空冷易出现马氏体组织，一般锻后素含量较高，锻后空冷易出现马氏体组织，一般锻后都采用缓冷。钢中有莱氏体组织，可以通过锻造使其都采用缓冷。钢中有莱氏体组织，可以通过锻造使其破碎，并均匀分布。锻后退火工艺与高速钢的等温退破碎，并均匀分布。锻后退火工艺与高速钢的等温退火工艺相似，退火后硬度小于火工艺相似，退火后硬度小于2

35、55HBS255HBS，可进行机械加，可进行机械加工。工。Crl2MoVCrl2MoV钢用淬火十回火工艺，淬火温度较低，低钢用淬火十回火工艺，淬火温度较低，低温回火后钢的耐磨性和韧性较高，组织为回火马氏体温回火后钢的耐磨性和韧性较高，组织为回火马氏体+残余奥氏体残余奥氏体+合金碳化物，硬度为合金碳化物，硬度为585860HRC60HRC。如果。如果要求模具具有较高的红硬性，能够在要求模具具有较高的红硬性，能够在400400450450条件条件下工作，则要进行下工作，则要进行“二次硬化法二次硬化法”处理，将淬火加热处理，将淬火加热温度提高到温度提高到1100110011501150，此时由于钢中

36、出现了大量，此时由于钢中出现了大量的残余奥氏体，硬度仅为的残余奥氏体，硬度仅为424250HRC50HRC，但是随后在，但是随后在510510520C520C高温下三次回火，析出了细小弥散的合金碳高温下三次回火，析出了细小弥散的合金碳化物及残余奥氏体转变为马氏体，产生化物及残余奥氏体转变为马氏体，产生“二次硬化二次硬化”现象，硬度回升到现象，硬度回升到606062HRC62HRC，红硬性也较好，但是，红硬性也较好，但是淬火加热温度较高，组织粗化会导致强度和韧性下降。淬火加热温度较高，组织粗化会导致强度和韧性下降。常用冷作模具钢常用冷作模具钢 对于几何形状比较简单、截面尺寸和工作负荷不对于几何形

37、状比较简单、截面尺寸和工作负荷不太大的模具可用高级优质碳素工具钢太大的模具可用高级优质碳素工具钢T8AT8A、T10AT10A、T12AT12A和低合金刃具钢和低合金刃具钢9SiCr9SiCr、9Mn2V9Mn2V、CrWMnCrWMn等，它们等，它们耐磨性较好，淬火变形不太大。对于形状复杂、尺寸耐磨性较好，淬火变形不太大。对于形状复杂、尺寸和负荷较大的模具多用和负荷较大的模具多用Crl2Crl2型钢如型钢如Crl2Crl2、Crl2MoVCrl2MoV钢钢或或W18Cr4VW18Cr4V等，它们淬透性、耐磨性和强度较高，淬等，它们淬透性、耐磨性和强度较高，淬火变形较小。火变形较小。（2 2）

38、热作模具钢热作模具钢 热作模具钢是用于制造在受热状态下对金属进行热作模具钢是用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，包括热锻模、热挤压模、热镦模、变形加工的模具，包括热锻模、热挤压模、热镦模、压铸模、高速锻模等。压铸模、高速锻模等。（2 2）热作模具钢热作模具钢 工作条件和性能要求工作条件和性能要求 热作模具钢在工作时经常接触炽热的金属，型腔热作模具钢在工作时经常接触炽热的金属，型腔表面温度高达表面温度高达400400600600。金属在巨大的压应力、张。金属在巨大的压应力、张应力、弯曲应力和冲击载荷作用下，与型腔作相对运应力、弯曲应力和冲击载荷作用下，与型腔作相对运动时，会产生强烈的磨

39、损。工作过程中还要反复受到动时，会产生强烈的磨损。工作过程中还要反复受到冷却介质冷却和热态金属加热的交替作用，模具工作冷却介质冷却和热态金属加热的交替作用，模具工作面出现热疲劳面出现热疲劳“龟裂纹龟裂纹”。因此，为使热作模具正常。因此，为使热作模具正常工作，要求模具用钢在较高的工作温度下具有良好的工作，要求模具用钢在较高的工作温度下具有良好的强韧性，较高的硬度、耐磨性、导热性、抗热疲劳能强韧性，较高的硬度、耐磨性、导热性、抗热疲劳能力，较高的淬透性和尺寸稳定性。力，较高的淬透性和尺寸稳定性。化学成分化学成分 热作模具钢碳的质量分数一般保持在热作模具钢碳的质量分数一般保持在(0.3(0.3一一0

40、.60.6)C)C之间，以获得所需的强度、硬度、耐磨性和韧之间，以获得所需的强度、硬度、耐磨性和韧性，碳含量过高，会导致韧性和导热性下降；碳含量性，碳含量过高，会导致韧性和导热性下降；碳含量过低，强度、硬度、耐磨性难以保证。铬能提高淬透过低，强度、硬度、耐磨性难以保证。铬能提高淬透性和回火稳定性；镍除与铬共存时可提高淬透性外，性和回火稳定性；镍除与铬共存时可提高淬透性外，还能提高综合力学性能；锰能提高淬透性和强度，但还能提高综合力学性能；锰能提高淬透性和强度，但是有使韧性下降的趋势；钼、钨、钒等能产生二次硬是有使韧性下降的趋势；钼、钨、钒等能产生二次硬化，提高红硬性、回火稳定性、抗热疲劳性、细

41、化晶化，提高红硬性、回火稳定性、抗热疲劳性、细化晶粒，钼和钨还能防止第二类回火脆性。粒，钼和钨还能防止第二类回火脆性。热处理特点热处理特点 热作模具钢热处理的目的主要是提高红硬性、抗热作模具钢热处理的目的主要是提高红硬性、抗热疲劳性和综合力学性能，最终热处理一般为淬火斗热疲劳性和综合力学性能，最终热处理一般为淬火斗高温高温(或中温或中温)回火，以获得均匀的回火索氏体回火，以获得均匀的回火索氏体(或回或回火托氏体火托氏体)。现以。现以5CrMnMo5CrMnMo钢制造板牙热锻模为例来分钢制造板牙热锻模为例来分析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。板牙热锻模要求硬

42、度为板牙热锻模要求硬度为351351387HBS387HBS，抗拉强度大，抗拉强度大于于120012001400MPa1400MPa，冲击值大于，冲击值大于323256J56J，同时还要满，同时还要满足对热作模具淬透性、抗热疲劳性等的要求。其生产足对热作模具淬透性、抗热疲劳性等的要求。其生产工艺路线如下：工艺路线如下：锻造一退火一粗加工一成型加工锻造一退火一粗加工一成型加工+淬火淬火+回火回火+精加工精加工(修型、抛光修型、抛光)由于钢在轧制时会出现纤维组织，导致各向异性，由于钢在轧制时会出现纤维组织，导致各向异性，所以要予以锻造消除。锻后要缓冷，防止应力过大产所以要予以锻造消除。锻后要缓冷，

43、防止应力过大产生裂纹，采用生裂纹，采用780780800800保温保温4 45h5h退火，消除锻造退火，消除锻造应力，改善切削性能，为最终热处理作组织上的准备。应力，改善切削性能，为最终热处理作组织上的准备。5CrMnMo5CrMnMo钢制热锻模淬火钢制热锻模淬火+回火的工艺为降低热应力，回火的工艺为降低热应力，大型模具需在大型模具需在500500左右预热，为防止模具淬火开裂，左右预热，为防止模具淬火开裂，一般先由炉内取出空冷至一般先由炉内取出空冷至750750780780预冷，预冷，然后再淬人油中，油冷至然后再淬人油中，油冷至150150200C(200C(大致为油只冒青大致为油只冒青烟而不

44、着火的温度烟而不着火的温度)取出立即回火，避免冷至室温再取出立即回火，避免冷至室温再回火导致开裂。回火消除了应力，获得回火索氏体回火导致开裂。回火消除了应力，获得回火索氏体(或回火托氏体或回火托氏体)组织，以得到所需的性能。组织，以得到所需的性能。常用热作模具钢常用热作模具钢 制造中、小型热锻模制造中、小型热锻模(有效厚度小于有效厚度小于400mm)400mm)一般一般选用选用5CrMnMo5CrMnMo钢，制造大型热锻模钢，制造大型热锻模(有效厚度大于有效厚度大于100mm)100mm)多选用多选用5CrNiMo5CrNiMo钢，它的淬火加热温度比钢，它的淬火加热温度比5CrMnMo5CrM

45、nMo钢高钢高10C10C左右，淬透性和红硬性优于左右，淬透性和红硬性优于 5CrMnMo5CrMnMo钢。钢。热挤压模冲击载荷较小，但模具与热态金属常时热挤压模冲击载荷较小，但模具与热态金属常时间接触，对热强性和红硬性要求较高，常选用间接触，对热强性和红硬性要求较高，常选用3Cr2W8V3Cr2W8V或或4Cr5W2VSi4Cr5W2VSi钢，淬火后多次回火产生二次硬钢，淬火后多次回火产生二次硬化，组织与高速钢类似。化，组织与高速钢类似。压铸模钢的选用与成型金属种类有关，压铸熔点为压铸模钢的选用与成型金属种类有关，压铸熔点为400400450 450 的锌合金，一般选用低合金钢的锌合金，一般选用低合金钢30CrMnSi30CrMnSi或或40Cr40Cr等；压铸熔点为等；压铸熔点为850850920 920 的铜合金，可选的铜合金，可选用用3Cr2W83Cr2W8V V钢。钢。思考题与习题思考题与习题 1 1、什么是热处理什么是热处理?工件为什么要热处理工件为什么要热处理?2 2、工件热处理后能发挥哪些效果工件热处理后能发挥哪些效果?3 3、工件热处理过程中包括哪四个重要因素工件热处理过程中包括哪四个重要因素?4 4、钢淬火后回火的种类及温度控制范围？、钢淬火后回火的种类及温度控制范围？