减小金属热处理变形介绍

如何减小金属热处理变形摘 要：金属热处理在改善材料各种性能的同时，热处理变形是不可避免的，并且会直接影响到工件的精度、强度、噪声和寿命，因此对于精度要求较高的零件要尽可能减小其变形量，着重分析温度是控制变形的关键因素的同时罗列几点次要因素。关键词：金属热处理 变形 温度一、引言金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，有时并兼之以化学作用和机械作用，使金属合金内部的组织和结构发生改变，从而获得改善材料性能的工艺。热处理工艺是使各种金属材料获得优良性能的重要手段。很多实际应用中合理选用材料和各种成形工艺并不能满足金属工件所需要的力学性能、物理性能和化学性能，这时热处理工艺是必不可少的。但是热处理工艺除了具有积极的作用之外，在处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是机械加工中必须避免的，两者之间是共存而又需要避免的关系，只能采用相应的方法尽量把变形量控制在尽量小的范围内。二、温度是变形的关键因素工业上实际应用的热处理工艺形式非常多，但是它们的基本过程都是热作用过程，都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。整个工艺过程都可以用加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度以及热处理周期等几个参数来描述。在热处理工艺中，要用到各种加热炉，金属热处理便在这些加热炉中进行（如基本热处理中的退火、淬火、回火、化学热处理的渗碳、渗氨、渗铝、渗铬或去氢、去氧等等）。因此，加热炉内的温度测量就成为热处理的重要工艺参数测量。每一种热处理工艺规范中，温度是很重要的内容。如果温度测量不准确，热处理工艺规范就得不到正确的执行，以至造成产品质量下降甚至报废。温度的测量与控制是热处理工艺的关键，也是影响变形的关键因素。（1）工艺温度降低后工件的高温强度损失相对减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗淬火变形、抗高温蠕变的综合能力增强，变形就会减少；（2）工艺温度降低后工件加热、冷却的温度区间减少，由此而引起的各部位温度不一致性也会降低，由此而导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少；（3）如果工艺温降低、且热处理工艺时间缩短，则工件的高温蠕变时间减少，变形也会减少。 减小热处理变形需要合理的热处理工艺。例如经热处理后的 20CrNi2MoA 钢齿圈齿表面、齿心部硬度及有效硬化层深度均达到要求。图 1 为模数 mn=12mm 的齿圈经不同温度球化退火后的硬度梯度曲线。由图1 可以看出，在 650球化退火后的硬度梯度和 740球化+680等温处理的硬度梯度结果相近，未经球化退火的齿轮的硬度较前两个低。这是因为球化退火可使淬火后渗层表面残留奥氏体量减少，从而提高了齿表面硬度，因此 20CrNi2MoA 钢齿圈渗碳后应采用球化退火工艺，同时为减小热处理变形，在 650球化退火效果更好。 三、变形的其它影响因素及减小措施（一）预备热处理正火硬度过高、混晶、大量索氏体或魏氏组织都会使内孔变形增大，所以要用控温正火或等温退火来处理锻件。金属的正火、退火以及在进行淬火之前的调质，都会对金属最终的变形量产生一定的影响，直接影响到的是金属组织结构上的变化。实践证明，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小。（二）运用合理的冷却方法金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个变形原因。热油淬火比冷油淬火变形小，一般控制在 10020。油的冷却能力对变形也是至关重要的。淬火的搅拌方式和速度均影响变形。金属热处理冷却速度越快，冷却越不均匀，产生的应力越大，模具的变形也越大。可以在保证模具硬度要求的前提下，尽量采用预冷；采用分级冷却淬火能显著减少金属淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法；对一些特别复杂或精度要求较高的工件，利用等温淬火能显著减少变形。（三）零件结构要合理金属热处理后在冷却过程中，总是薄的部分冷得快，厚的部分冷得慢。在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少工件厚薄悬殊，零件截面力求均匀，以减少过渡区因应力集中产生畸变和开裂倾向；工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变；工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，在工件的厚薄交界处、台阶处要有圆角过渡；尽量减少工件上的孔、槽筋结构不对称；厚度不均匀零件采用预留加工量的方法。（四）采用合理的装夹方式及夹具目的使工件加热冷却均匀，以减少热应力不均，组织应力不均，来减小变形，可改变装夹方式，盘类零件与油面垂直，轴类零件立装，使用补偿垫圈，支承垫圈，叠加垫圈等，花键孔零件可用渗碳心轴等。（五）机械加工当热处理是工件加工过程的最后工序时，热处理畸变的允许值应满足图样上规定的工件尺寸，而畸变量要根据上道工序加工尺寸确定。为此，应按照工件的畸变规律，热处理前进行尺寸的预修正，使热处理畸变正好处于合格范围内。当热处理是中间工序时，热处理前的加工余量应视为机加工余量和热处理畸变量之和。通常机械加工余量易于确定，而热处理由于影响因素多比较复杂，因此为机械加工留出足够的加工余量，其余均可作为热处理允许畸变量。热处理后再加工，根据工件的变形规律，施用反变形、收缩端预胀孔，提高淬火后变形合格率。（六）采用合适的介质在保证同样硬度要求的前提下，尽量采用油性介质，实验和实践证明，再其他条件无差异的前提下，油性介质的冷却速度较慢，而水性介质的冷却速度则相对快一些。而且，和油性介质相比，水温变化对水性介质冷却特性的影响较大，在同样的热处理条件下，油性介质相对水性介质淬火后的变形量要相对小。四、结束语热处理能改善工件的机械性能，提高工件的强度和硬度，但引起的变形影响是不可避免的。我们要重视我国现阶段的热处理技术和装备的改进，不断学习国外先进的技术，提高热处理工件质量及合格率，为我国的热处理行业作出贡献。参考文献：1刘晔东，热处理变形浅析. 机械工人：热加工. 2007 年 10 期.2雷声，齿轮热处理变形的控制. 机械工程师. 2008 年 5 期.3魏强、刘晓清，热处理淬火变形的控制. 汽车工艺与材料. 2008 年 7 期.在液态淬火介质中冷却的四阶段理论在水性介质中淬火，有时会听到爆炸声响。为了寻找产生这种声响的原因，本文从理论分析和试验观测两方面研究了：1.完整蒸汽膜保持稳定的条件，2.蒸汽膜阶段的结束过程。初期的分析认为：1.在完整蒸汽膜阶段，蒸汽膜把液态介质和工件表面分隔开。在多种影响因素中，汽-液界面能的高低对蒸汽膜的厚度和蒸汽膜阶段的长短有重要的影响。工件表面温度降低，蒸汽膜的厚度是逐渐减薄的。2.即便是均匀的球体，完整蒸汽膜的破裂，也不应当是在蒸汽膜厚度均匀减薄近零时才同时发生。由于不可避免的扰动，在完整蒸汽膜阶段，蒸汽膜的厚度始终处在起伏变化之中。当气膜厚度降低到一定的程度时，在某个起伏较大的部位，液态介质可能与工件表面接触。如果接触部位不被马上汽化，且液态介质对该表面又有较好的润湿性，则该接触区就会向固体表面扩展。本文把能够成功扩展的上述接触点称为超前接触点。扩展速度决定于相关的三个表面能(汽-液，汽- 固，液-固)的大小关系。对球形工件，我们推测：当扩展速度非常快时，表面蒸汽膜中的气相介质可能被推成偏向一侧的大气泡。该大气泡因深入温度较低的液层而被迅速冷凝。这就在原来气泡所在位置形成了一个有一定真空度的真空球。周围的液体在填补该真空球时发生冲撞而产生爆炸声响。开始时，试验观测的目的只有两个：1.找出一个能使蒸汽膜厚度发生起伏的扰动事实，用以证明产生超前接触点的可能性。2.摄像观测上述推测中说的真空球的形成和爆炸过程。主要以不同大小的均匀球体为试样。采用清水、基础油、快速油、PAG 淬火液以及匀速冷却液为试验介质。试验发现和认识：1.观测到一种扰动现象，并对其进行了分析研究。2.除部分听到爆炸声响的试样外，其它的试验中都观测到上述超前接触点现象。超前接触点的出现位置有很大的随机偶然性。在均匀的球体上，出现一个超前接触点后，很难再出现第二个。蒸汽膜阶段的结束从超前接触点开始，逐渐扩展到整个球体表面。超前接触点出现的位置不同，随后的扩展途径也不同。3.当接触区的扩展速度比较慢时，蒸汽膜笼罩区与已经进入沸腾冷却阶段的区域共同存在的时间比较长。而后，球体表面只存在单一的沸腾冷却方式的冷却时间相对较短。4.在发生爆炸的试样上，可以观测到相似于爆炸的现象和听到爆炸声响。在发生爆炸之后的一段时间内，球体表面上既存在通常意义上的沸腾冷却区，也同时存在比较稳定的柱状蒸汽泡的冷却区。本文认为，这是沸腾冷却和蒸汽膜冷却方式共存的冷却时期。5.在所做的试样中，没有观测记录到前述真空球的产生过程。因为只在极快速扩展的试样上听到爆炸声响，本文这样解释其产生原因：由于扩展在极的时间内完成，在水-固交界线上，水接触高温固态表面时发出的一连串的气泡爆裂声被人耳听成了一次爆炸声响。当前，在液态淬火介质中做淬火冷却，通用的是“蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段”的三阶段理论。在本试验中出现的很多现象是三阶段理论不能解释的。分析上述现象，并结合多年来研究和应用液态淬火介质的经验，本文提出了工件在液态淬火介质中冷却的四阶段理论。四阶段为：蒸汽膜阶段、中间阶段、沸腾阶段和对流阶段。中间阶段是蒸汽膜冷却区和沸腾冷却区共存的冷却阶段。中间阶段从出现超前接触点开始，到工件上同一有效厚度部位全部进入沸腾冷却阶段为止。本文预测，由于超前接触点的出现位置有很大的随机偶然性，会使工件在中间阶段的冷却结果具有相当大随机波动范围。液体淬火介质的特性温度问题，就产生于这个中间阶段的特性。研究和应用上述四阶段理论可以：1.更好地解释冷却特性曲线上出现的多种差异和变化。2.指导热处理工作者更好地选择和应用液态淬火介质。3.为计算机模拟工件冷却过程提供提高计算准确度的改进方向。渗碳工艺的分类与选择1、 直接淬火低温回火组织及性能特点：不能细化钢的晶粒。工件淬火变形较大，合金钢渗碳件表面残余奥氏体量较多，表面硬度较低适用范围：操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺。2、 预冷直接淬火、低温回火淬火温度 800-850组织及性能特点：可以减少工件淬火变形，渗层中残余奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。适用范围：操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。3、 一次加热淬火，低温回火，淬火温度 820-850或 780-810组织及性能特点：对心部强度要求较高者，采用 820-850淬火，心部为低碳 M，表面要求硬度高者，采用 780-810淬火可以细化晶粒。适用范围：适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。4、 渗碳高温回火，一次加热淬火，低温回火，淬火温度 840-860组织及性能特点：高温回火使 M 和残余 A 分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后残余 A 减少。适用范围：主要用于 Cr-Ni 合金渗碳工件5、 二次淬火低温回火组织及性能特点：第一次淬火（或正火），可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织（850-870），第二次淬火主要改善渗层组织，对心部性能要求不高时可在材料的 Ac1-Ac3 之间淬火，对心部性能要求高时要在 Ac3 以上淬火。适用范围：主要用于对力学性能要求很高的重要渗碳件，特别是对粗晶粒钢。但在渗碳后需经过两次高温加热，使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂。6、 二次淬火冷处理低温回火组织及性能特点：高于 Ac1 或 Ac3（心部）的温度淬火，高合金表层残余 A 较多，经冷处理（-70/-80）促使 A 转变从而提高表面硬度和耐磨性。适用范围：主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件。7、 渗碳后感应加热淬火低温回火组织及性能特点：可以细化渗层及靠近渗层处的组织。淬火变形小，不允许硬化的部位不需预先防渗。适用范围：各种齿轮和轴类。40Cr 钢的调质处理Cr 能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。截面尺寸大或重要的调质工件，应采用 Cr 钢。但 Cr 钢有第二类回火脆性。40Cr 工件调质的淬回火，各种参数工艺卡片都有规定，我们在实际操作中体会是：（一）40Cr 工件淬火后应采用油冷，40Cr 钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。但是小型企业在供油紧张的情况下，对形状不复杂的工件，可以在水中淬火，并未发现开裂，只是操作者要凭经验严格掌握入水、出水的温度。（二）40Cr 工件调质后硬度仍然偏高，第二次回火温度就要增加 2050，不然，硬度降低困难。（三）40Cr 工件高温回火后，形状复杂的在油中冷却，简单的在水中冷却，目的是避免第二类回火脆性的影响。回火快冷后的工件，必要时再施以消除应力处理。 影响调质工件的质量，操作工的水平是个重要因素，同时，还有设备、材料和调质前加工等多方面的原因，我们认为：（一）工件从加热炉转移到冷却槽速度缓慢，工件入水的温度已降到低于 Ar3 临界点，产生部分分解，工件得到不完全淬火组织，达不到硬度要求。所以小零件冷却液要讲究速度，大工件予冷要掌握时间。（二）工件装炉量要合理，以 12 层为宜，工件相互重叠造成加热不均匀，导致硬度不匀。（三）工件入水排列应保持一定距离，过密使工件近处蒸气膜破裂受阻，造成工件接近面硬度偏低。（四）开炉淬火，不能一口气淬完，应视炉温下降程度，中途闭炉重新升温，以便前后工件淬后硬度一致。（五）要注意冷却液的温度，10%盐水的温度如高于 60，不能使用。冷却液不能有油污、泥浆等杂质，不然，会出现硬度不足或不均匀现象。（六）未经加工毛坯调质，硬度不会均匀，如要得到好的调质质量，毛坯应粗车，棒料要锻打。（七）严把质量关，淬火后硬度偏低 13 个单位，可以调整回火温度来达到硬度要求。但淬火后工件硬度过低，有的甚至只有 HRC2535，必须重新淬火，绝不能只施以中温或低温回火以达到图纸要求完事，不然，失去了调质的意义，并有可能产生严重的后果。40Cr 材质是淬硬性和淬透性较高的一种材料，所以它在淬火时是会产生较大应力的，一般情况下要想保证它不淬裂，就需要从工艺上进行保证，比如淬火剂改用油，而不是用水淬，在淬火的冷却速度上和时间上需要快速等等。如果材质需要代替的话，可用 30CrMnTi 材质代替，这种材质是怎么也不会淬裂的，是极好的一种材质，内软外硬。抗拉强度和屈服强度极高。45 钢的调质45 钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。45 钢淬火温度在 A3+(3050) ，在实际操作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。我们认为，如装炉量大于工艺文件的规定，加热保温时间需延长 1/5。因为 45 钢淬透性低，故应采用冷却速度大的 10%盐水溶液。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到 180左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。45 钢调质件淬火后的硬度应该达到 HRC5659，截面大的可能性低些，但不能低于 HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。45 钢淬火后的高温回火，加热温度通常为 560600，硬度要求为 HRC2234。因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。但图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。如有些轴类零件要求强度高，硬度要求就高；而有些齿轮、带键槽的轴类零件，因调质后还要进行铣、插加工，硬度要求就低些。关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。不锈钢的氮化方法不锈钢氮化的关键在于去除其钝化膜，钝化膜是不锈钢防锈和不能氮化的原因所在，所以要使不锈钢氮化，关键是去除表面的钝化膜。不锈钢氮化的目的在于提高其硬度，提高其耐摩性和抗侵蚀能力。去除钝化膜的方法有化学法和机械法，（1）喷砂。工件在渗氮前用细砂在 0.150.25MPa 的压力下进行喷砂处理，直至表面呈暗灰色，清楚表面灰尘后立即进炉。（2）磷化。渗氮前对工件进行磷化处理，可破坏金属表面的氧化膜，形成多孔疏松的磷化层，有利于氮原子的渗入，（3）氯化物泡。将喷砂或精加工的工件用氯化物泡或涂覆，能有效地去除氧化膜。常用的氯化物有TiCl2 和 TiCl3。通常进行渗氮处理的有铁素体型，马氏体型和奥氏体型不锈钢和耐热钢。化学法是把工件泡在 50（体积）盐酸（温度 70 度）中，然后用水清洗干净；高速钢的氮化一般高速钢的氮化不宜出现 3 相，否则将出使渗层变脆，根据以上规律，高速钢应进行低温短时渗氮。因为在较低的温度下渗层厚度的增厚比较慢，便于控制，且渗层表面氮浓度较低。短时低温氮化浓度较低，韧性较好。高速钢（w18cr4v）一般采用 510520 摄氏度）直径15mm 的用 1520min，较大的采用 2532min，大型的采用 60min。渗碳常见的缺陷和防止方法(一) 碳浓度过高 产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。 防止的方法 不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。 严格控制炉温均匀性，不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意。 固体渗碳时，渗碳剂要新、旧配比使用。催渗剂最好采用 47%的 BaCO3，不使用 Na2CO3作催渗剂。(二) 碳浓度过低 产生的原因及危害：温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。最理想的碳浓度为0.91.0%之间，低于 0.8%C，零件容易磨损。 防止的方法： 渗碳温度一般采用 920940，渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延长渗碳时间；渗碳温度过高会引起晶粒粗大。 催渗剂(BaCO3)的用量不应低于 4%。(三) 渗碳后表面局部贫碳： 产生的原因及危害：固体渗碳时，木炭颗粒过大或夹杂有石块等杂质，或催渗剂与木炭拌得不均匀，或工件所接触都会引起局部无碳或贫碳。工件表面的污物也可以引起贫碳。 防止的方法 固体渗碳剂一定要按比例配制，搅拌均匀。 装炉的工件注意不要有接触。固体渗碳时要将渗碳剂捣实，勿使渗碳过塌而使工件接触。 却除表面的污物。(四) 渗碳浓度加剧过渡 产生的原因及危害：渗碳浓度突然过渡就是表面与中心的碳浓度变化加剧，不是由高到低的均匀过渡，而是突然过渡。产生此缺陷的原因是渗碳剂作用很强烈(如新配制的木炭，旧渗碳剂加得很少)，同时钢中有 Cr、Mn、Mo 等合金元素是促使碳化物形成强烈，而造成表面高浓度，中心低浓度，并无过渡层。产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。 防止的方法：渗碳剂新旧按规定配比制，使渗碳缓和。用 BaCO3 作催渗剂较好，因为 Na2CO3 比较急剧。(五) 磨加工时产生回火及裂纹 产生的原因：渗碳层经磨削加工后表面引起软化的现象，称之为磨加工产生的回火。这是由于磨削时加工进给量太快，砂轮硬度和粒度或转速选择不当，或磨削过程中冷却不充分，都易产生此类缺陷。这是因为磨削时的热量使表面软化的缘故。磨削时产生回火缺陷则零件耐磨性降低。表面产生六角形裂纹。这是因为用硬质砂轮表面受到过份磨削，而发热所致。也与热处理回火不足，残余内应力过大有关。用酸浸蚀后，凡是有缺陷部位呈黑色，可与没有缺陷处区别开来。这是磨削时产生热量回火。使马使体转变为屈氏体组织的缘故。其实，裂纹在磨削后肉眼即可看见。 防止的方法： 淬火后必须经过充分回火或多次回火，消除内应力。 采用 4060 粒度的软质或中质氧化铝砂轮，磨削进给量不过大。 磨削时先开冷却液，并注意磨削过程中的充分冷却。常用材料离子氮化后的表面硬度与氮化层深度常用材料离子氮化后的表面硬度与氮化层深度氮化层材料名称氮化工艺温度时间,h 表面硬度 HV5 总深度,mm45 5606 256320 0.0640Cr 460850086136225665930. 300.350.4038CrMoAl 54085608650898810069689888448930.320.350.655CrNiMo 5102 613623 钢的渗碳工艺参数钢的渗碳工艺参数主要有以下三项： 1. 渗碳介质的化学成分：渗碳介质可分为气体、液体级固体等三大类。 2. 渗碳温度：常用温度为 900950。温度愈高，扩散速度愈快，渗层愈深，但温度过高会造成奥氏体晶粒长大，降低零件的力学性能；增加工件的形状变形，降低设备的使用寿命。 3. 渗碳时间：常用的渗碳时间近似计算多采用 Harris 公式 式中：深度单位 mm；t时间(h);T温度(K) 。对于几个常用的渗碳温度的计算公式可简化为： 925，925，925，渗碳层深度值(mm)时间(h)870 900 9252 0.64 0.76 0.894 0.89 1.07 1.278 1.27 1.52 1.8012 1.55 1.85 2.2116 1.80 2.13 2.5420 2.01 2.39 2.8424 2.18 2.62 3.1030 2.46 2.95 3.4836 2.74 3.20 3.81热处理工艺特点及流程选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。一、塑料模具的制造工艺路线1.低碳钢及低碳合金钢制模具例如，20，20Cr，20CrMnTi 等钢的工艺路线为：下料锻造模坯退火机械粗加工冷挤压成形再结晶退火机械精加工渗碳淬火、回火研磨抛光装配。2.高合金渗碳钢制模具例如 12CrNi3A，12CrNi4A 钢的工艺路线为：下料锻造模坯正火并高温回火机械粗加工高温回火精加工渗碳淬火、回火研磨抛光装配。3.调质钢制模具例如，45，40Cr 等钢的工艺路线为：下料锻造模坯退火机械粗加工调质机械精加工修整、抛光装配。4.碳素工具钢及合金工具钢制模具例如 T7AT10A，CrWMn，9SiCr 等钢的工艺路线为：下料锻成模坯球化退火机械粗加工去应力退火机械半精加工机械精加工淬火、回火研磨抛光装配。5.预硬钢制模具例如 5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料改锻球化退火刨或铣六面预硬处理（3442HRC）机械粗加工去应力退火机械精加工抛光装配。二、塑料模具的热处理特点（一）渗碳钢塑料模的热处理特点1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。2. 对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为 0.81.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为 1.31.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为 0.81.2mm。渗碳层的含碳量为 0.7%1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。3.渗碳温度一般在 900920，复杂型腔的小型模具可取 840860中温碳氮共渗。渗碳保温时间为510h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900920）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820840）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。（二）淬硬钢塑料模的热处理1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于 0.05%。2. 塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在 4060min 以上。（三）预硬钢塑料模的热处理1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表 3-27 为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。表 3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺钢 号 加热温度/ 冷却方式 回火温度/ 预硬硬度 HRC3Cr2Mo 830840 油冷或 160180硝盐分级 580650 28365NiSCa 880930 油冷 550680 30458Cr2MnWMoVS 860900 油或空冷 550620 4248P4410 830860 油冷或硝盐分级 550650 3541SM1 830850 油冷 620660 3642（四）时效硬化钢塑料模的热处理1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、22.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表 3-28。表 3-28 部分时效硬化钢的热处理规范钢 号 固溶处理工艺 时效处理工艺 时效硬度 HRC06Ni6CrMoVTiAl 800850油冷 510530（68）h 4348PMS 800850空冷 510530（35）h 414325CrNi3MoAl 880水淬或空冷 520540（68）h 3942SM2 9002h 油冷+7002h 51010h 3940PCR 1050固溶空冷 4604804h 4244三、塑料模的表面处理为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达 1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到 500时其外观和硬度仍无明显变化。2.渗氮具有处理温度低（一般为 550570），模具变形甚微和渗层硬度高（可达 10001200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD 法沉积硬质膜或超硬膜等。 渗碳件常用的热处理方法根据零件的结构，服役条件，工序安排的位置，可采用以下某一种方法进行热处理，以达到最佳的效果。1、 直接淬火、回火。特点：不能细化钢的晶粒。工件淬火变形较大，合金钢渗碳件表面残余奥氏体量较多，表面硬度较低。适用范围：操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺。2、 预冷直接淬火（淬火温度 800-850）、低温回火。特点：可以减少工件淬火变形，渗层中残余奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但不能细化晶粒。适用范围： 操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。3、 一次加热淬火。淬火温度 820-850或 780-810、回火。特点：对心部强度要求较高者，采用 820-850淬火，心部为低碳 M，表面要求硬度较高者，采用780-810淬火可以细化晶粒。适用范围：适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。4、 渗碳高温回火。一次加热淬火，淬火温度 840-860、低温回火。特点：高温回火使 M 和残余 A 分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后残余 A 减少。适用范围：主要用于 Cr-Ni 合金渗碳工件。5、 二次淬火、回火。特点：第一次淬火（或正火 850-870），可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织；第二次淬火主要改善渗层组织，对心部性能要求不高时可在材料的 Ac1-Ac3 之间淬火，对心部性能要求高时要在 Ac3以上淬火。适用范围：主要用于对力学性能要求很高的重要渗碳件，特别是对粗晶粒钢。但在渗碳后需经过两次高温加热，使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂。6、 二次淬火冷处理、回火。特点：高于 Ac1 或 Ac3（心部）的温度淬火，高合金钢表层残余 A 较多，经冷处理（-80）后，促使残余 A 转变，从而提高表面硬度和耐磨性。适用范围：主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件。7、 渗碳后感应加热淬火、回火。特点：可以细化渗层及靠近渗层处的组织。淬火变形小，不允许硬化的部位不需预先防渗。适用范围：各种齿轮和轴类。8、 分段渗碳直接淬火、回火。特点：可以减少工件淬火变形。渗层中残余奥氏体量较低。适用范围：对有变形要求较小的零件。铸铁的热处理工艺铸铁的热处理和钢的热处埋有相同之处 ，也有不同之处。铸铁的热处理一般不能改善原始组织中石墨的形态和分布状况。对灰口铸铁来说，由于片状石墨所引起的应力集中效应是对铸铁性能起主导作用的困素，因此对灰口铸铁施以热处理的强化效果远不如钢和球铁那样显著。故友口铸铁热处理工艺主要为退火、正火等。对于球铁来说，由于石墨呈球状，对基体的割裂作用大大减轻，通过热处理可使基作组织充分发挥作用，从而可以显著改善球性的机械性能。 故球铁像钢一样，其热处理工艺有退火、正火、调质、多温淬火、感应加热淬火和表面化学热处理等。 1.消除应力退火 由于铸件壁厚不均匀，在加热，冷却及相变过程中，会产生效应力和组织应力。另外大型零件在机加工之后其内部也易残存应力，所有这些内应力都必须消除。去应力退火通常的加热温度为 500550保温时间为 28h，然后炉冷（灰口铁）或空冷（球铁）。采用这种工艺可消除 铸件内应力的9095，但铸铁组织不发生变化。若温度超过 550或保温时间过长，反而会引起石墨化，使铸件强度和硬度降低。 2.消除铸件白口的高温石墨化退火 铸件冷却时，表层及薄截面处，往往产生白口。白口组织硬而脆、加工性能差、易剥落。因此必须采用退火（或正火）的方法消除白口组织。退火工艺为：加热到 550950保温 25 h，随后炉冷到500550再出炉空冷。在高温保温期间 ，游高渗碳体和共晶渗碳体分解为石墨和 A，在随后护冷过程中二次渗碳体和共析渗碳体也分解，发生石墨化过程。由于渗碳体的分解，导致硬度下降，从而提高了切削加工性。 3.球铁的正火 球铁正火的目的是为了获得珠光体基体组织，并细化晶粒，均匀组织，以提高铸件的机械性能。有时正火也是球铁表面淬火在组织上的准备、正 火分高温正火和低温正火。高温正火温度一般不超过950980，低温正火一般加热到共折温度区间 820860。正火之后一般还需进行四人处理，以消除正火时产生的内应力。 4.球铁的淬火及回火 为了提高球铁的机械性能，一般铸件加热到 Afc1 以上 3050（Afc1 代表加热时 A 形成终了温度） ，保温后淬入油中，得到马氏体组织。为了适当降低淬火后的残余应力，一般淬火后应进行回火，低温回火组织为回火马氏作加残留贝氏体再加球状石墨。这种组织耐磨性好 ，用于要求高耐磨性，高强度的零件。中温回火温度为 350500回火后组织为回火屈氏体加球状石墨，适用于要求耐磨性好、具有一定效稳定性和弹性的厚件。高温 回火温度为 50060D，回火后组织为回火索氏作加球状石墨，具有韧性和强度结合良好的综合性能，因此在生产中广泛应用。 5.球铁的多温淬火 球铁经等温淬火后可以获得高强度，同时兼有较好的塑性和韧性。多温淬火加热温度的选择主要考虑使原始组织全部 A 化、不残留 F，同时也避免 A 晶粒长大。加热温度一般采用 Afc1 以上 3050，等温处理温度为 0350以保证获得具有综合机械性能的下贝氏体组织。稀土镁铝球铁等 温淬火后b=12001400MPa，k=33.6Jcm2，HRC4751。但应注意等温淬火后再加一道回火工序。 6.表面淬火 为了提高某些铸件的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，可采用表面淬火。灰铸铁及球铁铸件均可进行表面淬火。一般采用高（中） 频感应加热表面淬火和电接触表面淬火。 7.化学热处理 对于要求表面耐磨或抗氧化、耐腐蚀的铸件，可以采用类似于钢的化学热处理工艺，如气体软氯化、氯化、渗硼、渗硫等处理。 铸铁的热处理按工艺目的不同，铸铁热处理主要可以分为以下几种：(1)去应力退火热处理；(2) 石墨化热处理；(3) 改变基体组织热处理。本章简要介绍上述热处理工艺的理论基础和工艺特点。第一节 去应力退火热处理 去应力退火就是将铸件在一定的温度下保温，然后缓慢冷却，以消除铸件中的铸造残留应力。对于灰口铸铁，去应力退火可以稳定铸件几何尺寸，减小切削加工后的变形。对于白口铸铁，去应力退火可以避免铸件在存放、运输和使用过程中受到振动或环境发生变化时产生变形甚至自行开裂。一、铸造残留应力的产生铸件在凝固和以后的冷却过程中要发生体积收缩或膨胀，这种体积变化往往受到外界和铸件各部分之间的约束而不能自由地进行，于是便产生了铸造应力。如果产生应力的原因消除后，铸造应力随之消除，这种应力叫做临时铸造应力。如果产生应力的原因消除后铸造应力仍然存在，这种应力叫做铸造残留应力。铸件在凝固和随后的冷却过程中，由于壁厚不同，冷却条件不同，其各部分的温度和相变程度都会有所不同，因而造成铸件各部分体积变化量不同。如果此时铸造合金已经处于弹性状态，铸件各部分之间便会产生相互制约。铸造残留应力往往是这种由于温度不同和相变程度不同而产生的应力。 二、去应力退火的理论基础 研究表明，铸造残留应力与铸件冷却过程中各部分的温差及铸造合金的弹性模量成正比。过去很长的时期里，人们认为铸造合金在冷却过程中存在着弹塑性转变温度，并认为铸铁的弹塑性转变温度为400左右。基于这种认识，去应力退火的加热温度应是 400。但是，实践证明这个加热温度并不理想。近期的研究表明，合金材料不存在弹塑性转变温度，即使处于固液共存状态的合金仍具有弹性。为了正确选择去应力退火的加热温度，首先让我们看看铸铁在冷却过程中应力的变化情况。图 1是用应力框测定的灰铸铁冷却过程中粗杆内应力的变化曲线。图 1 灰铸铁应力变化曲线在 a 点前灰铸铁细杆已凝固完毕，粗杆处于共晶转变期，粗杆石墨化所产生的膨胀受到细杆的阻碍，产生压应力，到达 a 点时，粗杆的共晶转变结束，应力达到极大值。从 a 点开始，粗杆冷却速度超过细杆，二者温差逐渐减小，应力随之减小，到达 b 点时应力降为零。此后由于粗杆的线收缩仍然大于细杆，加上细杆进入共析转变后石墨析出引起的膨胀，粗杆中的应力转变为拉应力。到达 c 点时粗杆共析转变开始，细杆共析转变结束，两杆温差再次增大，粗杆受到的拉应力减小。到达 d 点时，粗杆受到的拉应力降为零，粗杆所受到的应力又开始转变为压应力。从 e 点开始，粗杆的冷却速度再次大于细杆，两杆的温差再次减小，粗杆受到的压应力开始减小。到达 f 点时，应力再度为零。此时两杆仍然存在温差，粗杆的收缩速度仍然大于细杆，在随后的冷却过程中，粗杆所受到的拉应力继续增大。从上述分析可以看出，灰铸铁在冷却过程中有三次完全卸载（即应力等于零）状态。如果在其最后一次完全卸载（即 f 点）时，对铸件保温，消除两杆的温差，然后使其缓慢冷却，就会使两杆间的应力降到最小。对灰铸铁冷却过程中的应力测定表明，灰铸铁最后一次完全卸载温度在 550600。这与实际生产中灰铸铁的退火温度相近。三、去应力退火工艺 为了提高去应力退火的实际效果，加热温度最好能达到铸件最后一次完全卸载温度。在低于最后一次完全卸载温度时，加热温度越高，应力消除越充分。但是，加热温度过高，会引起铸件组织发生变化，从而影响铸件的性能。对于灰铸铁件，加热温度过高，会使共析渗碳体石墨化，使铸件强度和硬度降低。对于白口铸铁件，加热温度过高，也会使共析渗碳体分解，使铸件的硬度和耐磨性大幅度降低。普通灰铸铁去应力退火的加热温度为 550。当铸铁中含有稳定基体组织的合金元素时，可适当提高去应力退火温度。低合金灰口铸铁为 600，高合金灰口铸铁可提高到 650。加热速度一般为 60100/h。保温时间可按以下经验公式计算： H铸件厚度/25H，式中铸件厚度的单位是毫米，保温时间的单位是小时，H在 28 范围里选择。形状复杂和要求充分消除应力的铸件应取较大的 H值。随炉冷却速度应控制在 30/h 以下，一般铸件冷至 150200出炉，形状复杂的铸件冷至 100出炉。表 1 为一些灰铸铁件的去应力退火规范，供参考。表 1 一些灰铸铁件的去应力退火规范热处理规范铸件类别铸件质量t铸件厚度mm 装炉温度 加热速度/h退火温度 保温时间h冷却速度/h出炉温度70 200 75 500550 910 2030 2004070 200 70 450500 89 2030 200鼓风机机架等具有复杂外形并要求精确尺寸的铸件1.540 150 60 420450 56 3040 200机床床身等类似铸件 2.0 2080 150 3060 500550 310 3040 180200较小型机床铸件0.10 60 200 100150 500550 35 2030 150200筒形结构简单铸件0.30 1040 90300 100150 550600 23 4050 200纺织机械等小型铸件0.05 15 150 5070 500550 1.5 3040 150普通白口铸铁去应力退火的加热温度不应超过 500，高合金白口铸铁由于其共析渗碳体稳定性好及铸造应力大，其加热温度一般远远高于普通白口铸铁，可达 800900。表 2 给出了两种高合金白口铸铁的去应力退火规范，供参考。表 2 两种高合金白口铸铁的去应力退火规范铸铁种类和成分 加热速度 退火温度 保温时间 冷却速度形状简单的中、小件100/h 850900 24h随炉缓慢冷却（3050/h）高硅耐蚀铸铁（C 0.50.8，Si 14.516，Mn 0.30.8，S 0.07,P 0.1或Si 1618）形状复杂件：浇注凝固后，700出型入炉780850 24h随炉缓慢冷却（3050/h）高铬铸铁（C 500以下：2030/h， 820850H铸件壁厚/25，h随炉缓慢冷却（25400.51.0，Si 0.51.3，Mn 0.50.8，Cr 2630，S 0.08，P 0.1或C 1.52.2，Si 1.31.7，Mn 0.50.8，Cr 3236，S 0.1，P 0.1）500以上：50/h/h）至 100150出炉空冷第二节 石墨化退火热处理石墨化退火的目的是使铸铁中渗碳体分解为石墨和铁素体。这种热处理工艺是可锻铸铁件生产的必要环节。在灰铸铁生产中，为降低铸件硬度，便于切削加工，有时也采用这种工艺方法。在球墨铸铁生产中常用这种处理方法获得高韧性铁素体球墨铸铁。一、石墨化退火的理论基础根据相稳定的自由能计算，铸铁中渗碳体是介稳定相，石墨是稳定相，渗碳体在低温时的稳定性低于高温。因此从热力学的角度看，渗碳体在任一温度下都可以分解为石墨和铁碳固溶体，而且在低温下，渗碳体分解更容易。但是，石墨化过程能否进行，还取决于石墨的形核及碳的扩散能力等动力学因素。对于固态相变，原子的扩散对相变能否进行起重要作用。由于温度较高时，原子的扩散比较容易，因此实际上渗碳体在高温时分解比较容易。尤其是自由渗碳体和共晶渗碳体分解时，由于要求原子做远距离扩散，只有在温度较高时才有可能进行。1.石墨的形核对于可锻铸铁，渗碳体的分解首先要求形成石墨核心。在固相基体中，石墨形核既要克服新相形成所引起的界面能的增加，同时又要克服石墨形核时体积膨胀所受到的外界阻碍，因此其形核比在液态时要困难得多。由于在渗碳体与其周围固溶体的界面上存在有大量的空位等晶体缺陷，石墨晶核首先在这里形成。在渗碳体内，尽管也可能存在有晶体缺陷，但是