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青岛SKD61模具钢材的热处理方法说明

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青岛SKD61模具钢材的热处理方法说明

发布日期:2020-07-31 作者: 点击:

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很重要,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。

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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,加热应该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,很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,精细度失掉。


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,后面再施行回火处理。


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0.45百分之的中碳钢,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20~30百分之的碳酸钡、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0.4~0.5百分之的碳钢,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。


多方面同时淬火法

适用于较小面积的处理。多方面同时加热,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

大面积不适宜用多方面同时淬火法,乃改用顺序移动加热及冷却的组合吹管,以行加温冷却多方面积。也可应用于不易多方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0.35~0.45百分之、铝1.0~1.3百分之、铬1.3~1.8百分之、钼0.5百分之以下,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。

北京赛车pk10投注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,很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)。以炉本体作正向,处理工作作负向,将两向间施加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向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便向很外层扩散侵入。即很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。很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,为很进步的表面硬化法。其可处理的材料除了碳钢、青岛SKD61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,可得到很高的表面硬度,并可获优良的耐磨耗性、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

将模具欲镀的部份浸入于无水铬酸为主的电解液中,通以电流,铬析出而附着于模具表面。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:

不致发生电镀的镀层厚度差,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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