第五章 钢的热处理

第二节模具表面处理工艺概述模具是现代工业之母。

随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航空航天、食品医疗等产业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。

如何提高模具的质量、使用寿命和降低生产成本，成为各模具厂及注塑厂当前迫切需要解决的问题。

模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。

这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。

这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果；模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。

从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。

在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。

◆提高模具的表面的硬度、耐磨性、摩擦性、脱模性、隔热性、耐腐蚀性；◆提高表面的高温抗氧化性；◆提高型腔表面抗擦伤能力、脱模能力、抗咬合等特殊性能；减少冷却液的使用；◆提高模具质量，数倍、几十倍地提高模具使用寿命。

减少停机时间；◆大幅度降低生产成本与采购成本，提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能。

◆减少润滑剂的使用；◆涂层磨损后，还退掉涂层后，再抛光模具表面，可重新涂层。

在模具上使用的表面技术方法多达几十种，从表面处理的方式上，主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面覆层处理法。

模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD化学气相淀积、PVD物理气相沉积、PACVD离子加强化学气相沉积、CVA铝化化学气相沉积、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等等。

下面综述模具表面处理中常用的表面处理技术：一、物理表面处理法：表面淬火是表面热处理中最常用方法，是强化材料表面的重要手段，分高频加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光表面淬火。

第五章钢的热处理〔含答案〕一、填空题〔在空白处填上正确的内容〕1、将钢加热到，保温肯定时间，随后在中冷却下来的热处理工艺叫正火。

答案：Ac 或Ac 以上50℃、空气3 cm2、钢的热处理是通过钢在固态下、和的操作来转变其内部，从而获得所需性能的一种工艺。

答案：加热、保温、冷却、组织3、钢淬火时获得淬硬层深度的力量叫，钢淬火时获得淬硬层硬度的力量叫。

答案：淬透性、淬硬性4、将后的钢加热到以下某一温度，保温肯定时间，然后冷却到室温，这种热处理方法叫回火。

答案：淬火、Ac15、钢在肯定条件下淬火时形成的力量称为钢的淬透性。

淬透层深度通常以工件到的距离来表示。

淬透层越深，表示钢的越好。

答案：马氏体〔M〕、外表、半马氏体区、淬透性6、热处理之所以能使钢的性能发生变化，其根本缘由是由于铁具有转变，从而使钢在加热和冷却过程中，其内部发生变化的结果。

答案：同素异构、组织7、将钢加热到，保温肯定时间，随后在中冷却下来的热处理工艺叫正火。

答案：Ac 或Ac 以上30℃～50℃、空气3 cm8、钢的渗碳是将零件置于介质中加热和保温，使活性渗入钢的外表，以提高钢的外表的化学热处理工艺。

答案：渗碳、碳原子、碳含量9、共析钢加热到Ac 以上时，珠光体开头向转变，通常产生于铁素体和1渗碳体的。

答案：奥氏体〔A〕、奥氏体晶核、相界面处10、将工件放在肯定的活性介质中，使某些元素渗入工件外表，以转变化学成分和，从而改善外表性能的热处理工艺叫化学热处理。

答案：加热和保温、组织11、退火是将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温肯定时间，然后冷却，以获得接近组织的热处理工艺。

答案：缓慢〔随炉〕、平衡状态12、将钢加热到温度，保温肯定时间，然后冷却到室温，这一热处理工艺叫退火。

答案：适当、缓慢〔随炉〕13、V 是获得的最小冷却速度，影响临界冷却速度的主要因素是。

临答案：全部马氏体〔全部M〕、钢的化学成分14、钢的热处理是将钢在肯定介质中、和，使它的整体或外表发生变化，从而获得所需性能的一种工艺。

第五章碳素钢与钢的热处理习题解答5-1在平衡条件下，45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度、塑性、韧性哪个大、哪个小？变化规律是什么？原因何在？答：平衡条件下，硬度大小为：45钢＜T8钢＜T12钢，强度大小为：45钢＜T12钢＜T8钢，塑性及韧性大小为：45钢＞T8钢＞T12钢。

变化规律为：随着碳含量的增加钢的硬度提高，塑性和韧性则下降，因为随着含量的增加组织中硬而脆的渗碳体的量也在增加；随碳含量增加，强度也会增加，但当碳含量到了0.9%后，强度则会随碳含量的增加而下降，因为碳含量超过0.9%后，钢的平衡组织中出现了脆而硬的网状二次渗碳体，导致了强度的下降。

5-2为什么说碳钢中的锰和硅是有益元素？硫和磷是有害元素？答：锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO,降低钢的脆性；锰还能与硫形成MnS，以减轻硫的有害作用。

硅的脱氧能力比锰强，在室温下硅能溶人铁素体，提高钢的强度和硬度。

硫在钢中与铁形成化合物FeS FeS与铁则形成低熔点（985C）的共晶体分布在奥氏体晶界上。

当钢材加热到1100〜1200C进行锻压加工时，晶界上的共晶体己熔化，造成钢材在锻压加工过程中开裂，这种现象称为“热脆”。

磷可全部溶于铁素体，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性显著降低。

这种脆化现象在低温时更为严重，故称为“冷脆”。

磷在结晶时还容易偏析，从而在局部发生冷脆。

5-3 说明Q235A、10、45、65Mn、T8、T12A 各属什么钢？分析其碳含量及性能特点，并分别举一个应用实例。

答：Q235A属于碳素结构钢中的低碳钢；10钢属于优质碳素结构钢中的低碳钢；45钢属于优质碳素结构钢中的中碳钢；65Mn属于优质碳素结构钢中的高碳钢且含锰量较高；T8属于优质碳素工具钢；T12A属于高级优质碳素工具钢。

Q235A的w c =0.14% ~ 0.22%，其强度、塑性等性能在碳素结构钢中居中，工艺性能良好，故应用较为广泛，如用于制造机器中受力不大的螺栓。

第五章钢的热处理一、名词解释1.过冷：结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为过冷。

2.枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内不均匀的现象叫做枝晶偏析。

3.二次相：由已有固相析出的新固相称为二次相或次生相。

4.铁素体：碳在α—Fe中的固溶体称为铁素体。

5.奥氏体：碳在γ—Fe中的固溶体称为奥氏体。

6.莱氏体：转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体。

7.珠光体：转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体。

8.变质处理：又称为孕育处理，是一种有意向液态金属中加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。

9.共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程。

10.包晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相包着一定成分的固相，发生反应后生成另一一定成分新固相的反应。

二、填空题1、金属的结晶过程由晶核形成和晶核长大两个基本过程组成。

2、金属结晶过程中，细化结晶晶粒的主要方法有控制过冷度、变质处理和振动、搅拌3、当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出来的枝晶轴含有较多的高熔点组元。

4、在实际生产中，若要进行热锻或热轧时，必须把钢加热到奥氏体相区。

5、在缓慢冷却条件下，含碳0.8%的钢比含碳1.2%的钢硬度低强度低。

三、选择题1.铸造条件下，冷却速度越大，则（A.过冷度越大，晶粒越小）2.金属在结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度（B.越低）3.如果其他条件相同，下列各组铸造条件下，哪种铸锭晶粒细？（A.金属模铸造B.低温铸造A.铸成薄片A.浇注时振动）4.同素异构体转变伴随着体积的变化，其主要原因是（致密度发生变化）5.实际金属结晶时，可通过控制形核N和长大速度G的比值来控制晶粒大小，要获得细晶粒，应采用（A.增大N/G值）6.二元合金在发生共晶转变时，各相组成是（D.三相共存）7.二元合金在发生共析转变时，各相的（B.质量固定，成分发生变化）10.产生枝晶偏析的原因是由于（D.液、固相线间距大，冷却速度也大）11.二元合金中，铸造性能最好的是（B.共晶合金）14.在下列方法中，可使晶粒细化的方法是（D.变质处理）四、判断题1。

第五章钢的热处理热处理——固态下，通过加热、保温、冷却、改变组织得到所需性能的工艺方法。

•特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸•目的：改善材料的使用、工艺性能•基本过程：加热→保温→冷却•分类：1、普通热处理——退火、正火、淬火、回火2、表面热处理——表面淬火、化学热处理第一节钢在加热时的组织转变实际加热和冷却时的相变点：平衡时—— A1 A3 Acm加热时—— Ac1 Ac3 Accm冷却时—— Ar1 Ar3 Arcm一、奥氏体的形成加热工序的目的：得到奥氏体F + Fe3C → A结构体心复杂面心含碳量 0.0218 6.69 0.77共析钢奥氏体形成过程：1、形核（在 F / Fe3C相界面上形核）2、晶核长大（F→ A晶格重构，Fe3C溶解，C→ A中扩散）3、残余Fe3C溶解4、奥氏体均匀化保温工序的目的：得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散对亚共析钢： P + F → A + F → A对过共析钢： P + Fe3CⅡ→ A + Fe3CⅡ→ A二、奥氏体晶粒长大及其影响因素1、奥氏体晶粒度•晶粒度——晶粒大小的尺度。

•本质粗晶粒钢——长大倾向较大（Al脱氧）•本质粗晶粒钢——长大倾向较小(Mn,Si脱氧)2、影响奥氏体晶粒长大的因素（1）加热温度↑，保温时间↑→ A晶粒长大快（2）加热速度↑→ A晶粒细（3）加入合金元素→ A晶粒细（4）原始组织细→ A晶粒细第二节钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却和连续冷却。

45钢加热后，随冷却速度的增加，强度、硬度增加，但塑性、韧性降低。

冷却是热处理的关键，故必须研究奥氏体冷却过程的变化规律。

一、过冷奥氏体等温转变1、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线或TTT线）的建立•过冷奥氏体：在A1以下，未发生转变的不稳定奥氏体。

•孕育期——表示过冷A 的稳定程度•四个区域——奥氏体稳定区、过冷奥氏体区、转变产物区、转变区•三种转变类型：高温转变（A1~550℃）：A → P中温转变（550~230℃）：A → B低温转变（230℃以下）：A → M2、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能(1)珠光体转变•珠光体组成：F 和 Fe3C 的机械混合物•形成特点：在固态下形核、长大是扩散型相变•形态：A1~650℃：珠光体 P 20HRc 片状650~600℃：索氏体 S（细P）…600~550℃：托氏体 T（极细P又称屈氏体）40HRc 球状—— Fe3C 呈球状•珠光体性能珠光体片越细→ HB↑，σb↑且δ↑，αk↑C%相同时，球状 P 比片状 P 相界面少→HB↓，σb↓，δ↑,αk↑(2)贝氏体转变•贝氏体组成：过饱和F 和碳化物的机械混合物•形成特点：在固态下形核、长大是半扩散型相变•形态：550~350℃：上贝氏体（B上）羽毛状组织塑性差40-45HRc 350℃~ Ms：下贝氏体（B下）针片状组织综合性能好45-50HRc过冷奥氏体在Ms点以下，A→M属连续冷却转变。