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∙ 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
此种方法使用于氰化钾(KCN)等的盐浴槽中，温度在520～570℃的低温。其处理与液体渗碳法相同，唯温度较低，且其硬度约只为气体渗氮的一半，故称为软氮法。氮化时间较气体氮化法为低，约1～2小时。此种方法处理的低碳钢、中碳钢其硬度增加有限，约可达到HRC53～59。但其耐磨耗性与耐疲劳性显著增加。
离子氮化法(Iron-Nite)
为了改进气体氮化法(硬氮化) ，处理时间长、效率低，最外层的氮化物很脆等缺点。德国的Berkard berghaus发明离子氮化法。离子氮化法首先企业化的是西德的
Klockner ． Ionon． Gmbh。其方法是将待处理的工作装入电氮化炉内(图7) ，首先将炉内排气至10-2～10-3T 后导入N2气体(或N2+H2混合气体) ，使炉内保持所需要之处理气压(通常10-4～10Torr) 。以炉本体作正极，处理工作作负极，将两极间施加500V ～1000V 的直流电压，炉气便因辉光放电而电离化(即气体被离子化而成正离子向负极的处理工作表面冲击) ，处理工作表面受到加热，同时氮化也因此而进行。
处理温度与一般的氮化温度一样，通常在480℃～570℃的温度范围内。温度的控制系以辐射高温计测定温度而以电流值控制之，表面氮气浓度可改变炉内充填的混合气体(N2+H2)的分压比而调整之。参图8离子氮化之处理循环。
电离气中生成之氮离子便向工作表面快速冲撞，动能转变成热能，造成温度上升。这时由于对氮离子的冲击及飞溅(spattering)，所产生的排斥作用，Fe 、C 、O 等元素由工作表面被打出来，飞散出来的Fe 在放电的电离子中与N 离子结合而形成Fe-N 的氮化铁。Fe-N 的氮化铁由于附着作用而附着于表面上，N 便向最外层扩散侵入。即最外层的化合物层由于扩散顺序发生FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N等组织变化而产生氮化作用。最外层由离子冲击作用Fe 不断地飞散出来继续形成氮化物，成为氮气供应的输送源而促进氮化的进行。 离子氮化的特点为处理温度低，处理的工件变形小又无公害问题，为最新最进步的表面硬化法。其可处理的材料除了碳钢、模具钢、工具钢、氮化钢、合金钢、高速钢外，过去认为难以处理的不锈钢、钛、钴等利用本法已能实施良好的表面硬化。参图10可知经过I ．N ．处理的材料，可得到极高的表面硬度，并可获致极优良的耐磨耗性、耐疲劳性、耐蚀性及耐剥离性。 电镀
电镀是在模具表面被覆其它金属，以增加表面光度、提高表面硬度，增强耐蚀性的表面处理，以下分述之。
镀硬铬
将欲镀的部份浸入于无水铬酸为主的电解液中，通以电流，铬析出而附着于表面。镀层比普通镀层厚，约0．01～0．02mm ，硬度HRC67～70。使用本处理增进下列优点。罅脱模良好。镀硬铬表面光滑如镜，脱模非常顺利。
镀层表面硬，耐磨耗性佳，不易刮伤，硬度高达HRC67～70。对盐酸、稀硫酸以外的化学品有良好的耐蚀性。
镀铬面有精美的光辉，模具凹穴经此处理，所射出的成品也能具备精美的光泽，提升产品价值。
无电解镀镍
此法不经电解作用，不像上法，乃纯粹的化学方法施行镀着。镀着经由附着于模具上的触媒剂的作用，使镍被还原，而形成表面镀着层。此种镀着的特性为：
不致发生的镀层厚度差，为一较均匀的镀着法。
表面不生针孔，光滑而硬。镀层硬度HRC49，经热处理更可提高HRC64～67。着性良好，不易剥离。耐蚀性良好。
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∙ 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
此种方法使用于氰化钾(KCN)等的盐浴槽中，温度在520～570℃的低温。其处理与液体渗碳法相同，唯温度较低，且其硬度约只为气体渗氮的一半，故称为软氮法。氮化时间较气体氮化法为低，约1～2小时。此种方法处理的低碳钢、中碳钢其硬度增加有限，约可达到HRC53～59。但其耐磨耗性与耐疲劳性显著增加。
离子氮化法(Iron-Nite)
为了改进气体氮化法(硬氮化) ，处理时间长、效率低，最外层的氮化物很脆等缺点。德国的Berkard berghaus发明离子氮化法。离子氮化法首先企业化的是西德的
Klockner ． Ionon． Gmbh。其方法是将待处理的工作装入电氮化炉内(图7) ，首先将炉内排气至10-2～10-3T 后导入N2气体(或N2+H2混合气体) ，使炉内保持所需要之处理气压(通常10-4～10Torr) 。以炉本体作正极，处理工作作负极，将两极间施加500V ～1000V 的直流电压，炉气便因辉光放电而电离化(即气体被离子化而成正离子向负极的处理工作表面冲击) ，处理工作表面受到加热，同时氮化也因此而进行。
处理温度与一般的氮化温度一样，通常在480℃～570℃的温度范围内。温度的控制系以辐射高温计测定温度而以电流值控制之，表面氮气浓度可改变炉内充填的混合气体(N2+H2)的分压比而调整之。参图8离子氮化之处理循环。
电离气中生成之氮离子便向工作表面快速冲撞，动能转变成热能，造成温度上升。这时由于对氮离子的冲击及飞溅(spattering)，所产生的排斥作用，Fe 、C 、O 等元素由工作表面被打出来，飞散出来的Fe 在放电的电离子中与N 离子结合而形成Fe-N 的氮化铁。Fe-N 的氮化铁由于附着作用而附着于表面上，N 便向最外层扩散侵入。即最外层的化合物层由于扩散顺序发生FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N等组织变化而产生氮化作用。最外层由离子冲击作用Fe 不断地飞散出来继续形成氮化物，成为氮气供应的输送源而促进氮化的进行。 离子氮化的特点为处理温度低，处理的工件变形小又无公害问题，为最新最进步的表面硬化法。其可处理的材料除了碳钢、模具钢、工具钢、氮化钢、合金钢、高速钢外，过去认为难以处理的不锈钢、钛、钴等利用本法已能实施良好的表面硬化。参图10可知经过I ．N ．处理的材料，可得到极高的表面硬度，并可获致极优良的耐磨耗性、耐疲劳性、耐蚀性及耐剥离性。 电镀
电镀是在模具表面被覆其它金属，以增加表面光度、提高表面硬度，增强耐蚀性的表面处理，以下分述之。
镀硬铬
将欲镀的部份浸入于无水铬酸为主的电解液中，通以电流，铬析出而附着于表面。镀层比普通镀层厚，约0．01～0．02mm ，硬度HRC67～70。使用本处理增进下列优点。罅脱模良好。镀硬铬表面光滑如镜，脱模非常顺利。
镀层表面硬，耐磨耗性佳，不易刮伤，硬度高达HRC67～70。对盐酸、稀硫酸以外的化学品有良好的耐蚀性。
镀铬面有精美的光辉，模具凹穴经此处理，所射出的成品也能具备精美的光泽，提升产品价值。
无电解镀镍
此法不经电解作用，不像上法，乃纯粹的化学方法施行镀着。镀着经由附着于模具上的触媒剂的作用，使镍被还原，而形成表面镀着层。此种镀着的特性为：
不致发生的镀层厚度差，为一较均匀的镀着法。
表面不生针孔，光滑而硬。镀层硬度HRC49，经热处理更可提高HRC64～67。着性良好，不易剥离。耐蚀性良好。