1、內容為網絡收集 僅供參考5.1 冷沖壓模具的常規熱處理工藝1退火將組織偏離平衡狀態的鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得接近平衡狀態組織的熱處理工藝叫做退火。圖5-1 碳鋼各種退火和正火工藝規范示意圖根據處理的目的和要求不同，鋼的退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火和去應力退火等等。各種退火的加熱溫度范圍和工藝曲線如圖5-1所示。（1）完全退火完全退火又稱重結晶退火，是把鋼加熱至Ac3以上20-30，保溫一定時間后緩慢冷卻（隨爐冷卻或埋入石灰和砂中冷卻），以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。亞共析鋼經完全退火后得到的組織是FP。完全退火的目的在于，通過

2、完全重結晶，使熱加工造成的粗大，不均勻的組織化和細化，以提高性能；或使中碳以上的碳鋼和合金鋼得到接近平衡狀態的組織，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷卻速度緩慢，還可以消除內應力。45鋼經鍛造及完全退火后的性能見表5-1表5-1 45鋼鍛造后與完全退火后的機械性能比較狀態b/MPas/MPa5/%/%ak/KJ·m-2HB鍛造后完全退火650-750600-700300-400300-3505-1515-2020-4040-50200-400400-600229207完全退火主要用于亞共析鋼，過共析鋼不宜采用，因為加熱到Accm以上慢冷時，二次滲碳體會以網狀形式沿奧氏體晶界析出，使

3、鋼的韌性大大下降，并可能在以后的熱處理中引起裂紋。（2）等溫退火等溫退火是將鋼件或毛坯加熱到高于Ac3(或Ac1)的溫度，保溫適當時間后，較快地冷卻到珠光體區的某一溫度，并等溫保持，使奧氏體轉變為珠光體組織，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。等溫退火的目的與完全退火相同，但轉變較易控制，能獲得均勻的預期組織；對于奧氏體較穩定的合金鋼，常可大大縮短退火時間。 （3）球化退火 球化退火為使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝。球化退火主要用于過共析鋼如工具鋼、滾珠軸承鋼，目的是使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化（退火前正火將網狀滲碳體破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并為以后的淬火作組織準備。球化退火一般采

4、用隨爐加熱，加熱溫度略高于Ac1，一邊保留較多的未溶碳化物粒子或較大的奧氏體中的碳濃度分布不均勻性，促進球狀碳化物的形成。若加熱溫度過高，二次滲碳體易在慢冷時以網狀的形式析出。球化退火需要較長的保溫時間來保證二次滲碳體的自發球化。保溫后隨爐冷卻，在通過Ar1溫度范圍時，應足夠緩慢，以使奧氏體進行共析轉變時，以未溶滲碳體粒子為核心形成粒狀滲碳體。（4） 擴散退火 為減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學成分和組織不均勻性，將其加熱到略低于固相線的溫度，長時間保溫并進行冷卻的熱處理工藝，稱之為擴散退火或均勻化退火。擴散退火的加熱溫度一般選定在鋼的熔點以下100 -200 ，保溫時間一般為10h-15h。加熱溫

5、度提高時，擴散時間可以縮短。擴散退火后鋼的晶粒很粗大，因此一般再進行完全退火或正火處理。（5） 去應力退火 為消除鑄造、鍛造、焊接和機加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘余內應力而進行的低溫退火，稱之為應力退火。去應力退火是將鋼件加熱至低于Ac1的某一溫度（一般為500 -650 )，保溫，然后隨爐冷卻，這種處理可以消除約50%-80%的內應力，不引起組織變化。2.正火鋼材或鋼件加熱到Ac3（亞共析鋼）、Ac1（共析鋼）和Accm（過共析鋼）以上30 -50 ，保溫適當時間后，在自由流動的空氣中均勻冷卻的熱處理稱為正火。正火后的組織：亞共析鋼為F+S，過共析鋼為S+Fe3C。正火與完全退火的

6、主要差別在于冷卻速度快些，目的是使鋼的組織正?；?，所以亦稱?；幚?，一般應用于以下方面：（1） 作為最終熱處理 正火可以細化晶粒，使組織均勻化，減少亞共析鋼中鐵素體含量，使珠光體含量增多并細化，從而提高鋼的強度、硬度和韌性。對于普通結構鋼零件，機械性能要求不很高時，可以正火作為最終熱處理。（2） 作為預先熱處理 截面較大的合金結構鋼件，在淬火或調質處理（淬火加高溫回火）前常進行淬火，以消除魏氏組織和帶狀組織，并獲得細小而均勻的組織。對于過共析鋼可減少二次滲碳體量，并使其不形成連續網狀，為球化退火做組織準備。（3） 改善切削加工性能 低碳鋼或低碳合金鋼退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高硬

7、度，改善其切削加工性能。 3.淬火 將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時間，然后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是鋼的最重要的強化方法。 （1）淬火工藝 1 淬火溫度的選定在一般情況下，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上30 -50 :共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上30 -50 (見圖5-2)圖5-2 鋼的淬火溫度范圍 亞共析鋼加熱到Ac3以下時，淬火組織中會保留自由鐵素體，使鋼的硬度降低。過共析鋼加熱到Ac1以上兩相區時，組織中會保留少量二次滲碳體，而有利于鋼的硬度和耐磨性，而且，由于降低了奧氏體中的碳質量分數，可以改變馬氏體的形態，從而降低馬氏體的脆性。此外，還

8、可減少淬火后殘余奧氏體的量。若淬火溫度太高，會形成粗大的馬氏體，使機械性能惡化；同時也增大淬火應力，使變形和開裂傾向增大。 2加熱時間的確定 加熱時間包括升溫和保溫兩個階段。通常以裝爐后爐溫達到淬火溫度所需時間為升溫階段，并以此作為保溫時間的開始，保溫階段是指鋼件溫度均勻并完成奧氏體化所需的時間 3淬火冷卻介質 常用的冷卻介質是水和油。 水在650 -550 范圍冷卻能力較大。因此易造成零件的變形和開裂，這是它的最大缺點，提高水溫能降低650 C-550 C范圍的冷卻能力，但對300 -200 的冷卻能力幾乎沒有影響。這既不利淬硬，也不能避免變形，所以淬火用水的溫度控制在30 以下。水在生產上

9、主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。 淬火用油為各種礦物油（如錠子油、變壓器油等）。它的優點是在300 -200 范圍冷卻能力低，有利于減少工件變形；缺點是650 -550 范圍冷卻能力也低，不利于鋼的淬硬，所以由一般用作為合金鋼的淬火介質。為了減少零件淬火時的變形，可用鹽浴作淬火介質。常用堿浴、硝鹽浴的成分、熔點及使用溫度見表5-2.表5-2 熱處理常用鹽浴的成分、熔點及使用溫度熔鹽成分熔點/使用溫度/堿浴80%KOH20%NaOH6%H2O(外加)130140-250硝鹽55%KNO345%NaNO2137150-500硝鹽55%KNO345%NaNO3218230-550中性鹽3

10、0%KCl20%NaCl50%BaCl2560580-800 這些介質主要用于分級淬火和等溫淬火。其特點是沸點高，冷卻能力介于水和油之間，常用于處理形狀復雜、尺寸較小、變形要求嚴格的工具等。 4淬火方法常用的淬火方法有單介質淬火、雙介質淬火、分級淬火和等溫淬火等（圖5-3）。圖5-3 不同淬火方法示意圖 單介質淬火方法采用一種介質冷卻，操作簡單，易實現機械化，應用較廣。缺點是水淬變形開裂傾向大；油淬冷卻速度小，淬透直徑小，大件淬不硬。 雙介質淬火和分級淬火能有效地減少熱應力和相變應力，降低工件變形和開裂傾向，所以可用于形狀復雜和截面不均勻的工件淬火。 等溫淬火大大降低鋼件的內應力，減少變形，適

11、用于處理復雜和精度要求高的小件，如彈簧、螺栓、小齒輪、軸及絲錐等，也可用于高合金鋼較大截面零件的淬火。其缺點是生產周期長、生產效率低。（2） 鋼的淬透性 1鋼的淬透性及其測定方法 鋼接受淬火時形成馬氏體的能力叫做鋼的淬透性。不同成分的鋼淬火時形成馬氏體的能力不同，容易形成馬氏體的鋼淬透性高（好），反之則低（差）。如直徑為30mm的45鋼和40CrNiMo試棒，加熱到奧氏體區（840 ），然后都用水進行淬火。分析兩根試棒截面的組織，測定其硬度。結果是45鋼試棒表面組織是馬氏體，而心部組織為鐵素體+索氏體。表面硬度為55HRC。心部硬度僅為20HRC，表示45鋼試棒心部未淬火。而40CrNiMo鋼

12、試棒則表面至心部均為馬氏體組織，硬度都為55HRC，可見40CrNiMo的淬透性比45鋼要好。 淬透性可用“末端淬火法”來測定。將標準試樣（25*100mm）加熱奧氏體化后，迅速放入末端淬火實驗機的冷卻孔中，噴水冷卻。規定噴水管內徑12.5mm，水柱自由高度65mm+5mm，水溫20 -30 。圖5-4為末端淬火法示意圖。顯然，噴水端冷卻速度較大距末端沿軸向距離增大，冷卻速度逐漸減小，其組織及硬度亦逐漸變化。在試樣側面沿長度方向磨一深度0.2mm-0.5mm的窄條平面，然后從末端開始，每隔一定距離測量一個硬度值，即可測得試樣沿長度方向上的硬度變化，所得曲線稱為淬透性曲線圖5-5）實驗測出的各種

13、鋼的淬透性曲線均收集在有關手冊中。同一牌號的鋼，由于化學成分和晶粒度的差異，淬透性曲線實際上為有一定波動范圍的淬透性帶。 圖5-4 試樣尺寸及冷卻方法 圖5-5 淬透性曲線的測定 根據GB225-63規定，鋼的淬透性值用J HRC/d表示。其中J表示末端淬火的淬透性，d表示距水冷端的距離，HRC為該處硬度。例如，淬透性值J42/5，表示距水冷端5mm試樣硬度為42HRC。 在實際生產中，往往要測定淬火工件的淬透層深度，所謂淬透層深度即使從試樣表面至半馬氏體區（馬氏體和非馬氏體組織各占一半）的距離。在同樣淬火條件下，淬透層深度越大，則反映鋼的淬透性越好。 半馬氏體組織比較容易由顯微鏡或硬度的變化

14、來確定。馬氏體中含非馬氏體組織量不多時，硬度變化不大；非馬氏體組織量增至50%時，硬度陡然下降，曲線上出現明顯轉折點，如圖5-6所示，另外，在淬火試樣的斷口上，也可以看到以半馬氏體為界，發生由脆性斷裂過度為韌性斷裂的變化，并且其酸蝕斷面呈現明顯的的明暗界線。半馬氏體組織和馬氏體一樣，硬度主要與碳質量分數有關，而與合金元素質量分數的關系不大，如圖5-7所示。圖5-6淬火試樣斷面上馬氏體量和硬度的變化圖5-7 半馬氏體硬度與碳質量分數的關系曲線 值得注意的是，鋼的淬透性與實際工作的淬透層深度并不相同。淬透性是鋼在規定條件下的一種工藝性能，而淬透層深度是指實際工作在具體條件下淬火得到的表面與馬氏體到

15、半馬氏體處的距離，它與鋼的淬透性、工作的截面尺寸和淬火介質的冷卻能力等有關。淬透性好，工件截面小、淬火介質的冷卻能力強則淬透層深度越大。 鋼淬火后硬度會大幅度提高，能夠達到的最高硬度叫鋼的淬硬性，它主要決定與馬氏體的碳含量。 2影響淬透性的的因素 鋼的淬透性由其臨界冷卻速度決定。臨界冷卻速度越小，即奧氏體越穩定，則鋼的淬透性越好。因此，凡是影響奧氏體穩定的因素，均影響鋼的淬透性。 a 碳質量分數 對于碳鋼，碳質量分數影響鋼的臨界冷卻速度。亞共析鋼隨碳質量分數減少，臨界冷卻速度增大，淬透性降低。過共析鋼隨碳質量分數增加，臨界冷卻速度增大，淬透性降低。在碳鋼中，共析鋼的臨界臨近冷卻速度最小，其淬透

16、性越好。 b 合金元素 除鈷以外，其余合金元素溶于奧氏體后，降低臨界冷卻速度，使C曲線右移，提高鋼的淬透性，因此合金鋼往往比碳鋼的淬透性要好。 c奧氏體化溫度 提高奧氏體化溫度，將使奧氏體晶粒長大、成分均勻，可減少珠光體的生核率，降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。 d 鋼中未溶第二相 鋼中未溶入奧氏體中的碳化物、氮化物及其他非金屬雜物，可稱為奧氏體分解的非自發核心，使臨界冷卻速度增大，降低淬透性。 3淬透性曲線的應用 利用淬透性曲線，可比較不同鋼種的淬透性。淬透性是鋼材選用的重要依據之一。利用半馬氏體硬度曲線和淬透性曲線，找出鋼的半馬氏體區所對應的距水冷端距離。該距離越大，則淬透性越好【圖

17、5-8，由圖中可知40Cr鋼的淬透性比45鋼要好。圖5-8 45鋼和40Cr鋼的淬透性曲線 淬透性不同的鋼材經調質處理后，沿截面的組織和機械性能差別很大（圖 5-9）。圖中40CrNiMo鋼棒整個截面都是回火索氏體，機械性能均勻，強度高，韌性好。而40Cr、40鋼的都為片狀索氏體+鐵素體，表層為回火索氏體，心部強韌性差。截面較大、形狀復雜以及受力較苛刻的螺栓、拉桿、錘桿等工作，要求截面機械性均勻，應選用淬透性好的鋼。而承受彎曲或扭轉載荷的軸類零件、外層受力較大，心部受力較小，可選用淬透性較低的鋼種。圖5-9 淬透性不同的鋼調質后機械性能的比較4.回火 鋼件淬火后，為了消除內應力并獲得所需求的組

18、織和性能，將其加熱到Ac、以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫做回火。 淬火鋼一般不直接使用，必須進行回火。這是因為：第一，淬火后得到的是性能很脆的馬氏體組織，并存在有內應力；容易產生變形和開裂;第二，淬火馬氏體和殘余奧氏體都是不穩定組織，在工作中發生分解，導致零件尺寸的變化，而這對精密零件是不允許的，第三，為了獲得要求的強度、硬度、塑性和韌性，以滿足零件的使用要求。 根據回火溫度的高低，一般將回火分為三種： （1）低溫回火 回火溫度為150-250 。在低溫回火時，從淬火馬氏體內部會析出碳化物（Fe2,4C）薄片，馬氏體的過飽和度減小。部分殘余奧氏體轉變為下貝氏體，但量不

19、多。所以低溫回火后組織為回火馬氏體+殘余奧氏體。下貝氏體量少可忽略。其中回火馬氏體（回火M）有極細的碳化物和低過飽和度的固溶體組成。在顯微鏡下，高碳回火馬氏體為黑針狀，低碳回火馬氏體為暗板條狀，中碳回火馬氏體為兩者的混合物。 低溫回火的目的是降低淬火應力，提高工件韌性，保證淬火后的高硬度（一般為58HRC-64HRC）和高耐磨性。主要用于處理各種高碳鋼工具、模具、滾動軸承以及滲碳和表面淬火的零件。 （2）中溫回火 回火溫度為350 -500 ，得到鐵素體基本與大量彌散分布的細粒狀滲碳體的混合組織，叫做回火屈氏體（回火T）。鐵素體仍保留馬氏體的形態，滲碳體比回火馬氏體中的碳化物粗。 回火屈氏體具

20、有高的彈性極限和屈服強度，同時也具有一定的韌性，硬度一般為35HRC-45HRC。主要用于處理各類彈簧。 （3）高溫回火回火溫度為500 -650 ，得到細粒狀滲碳體和鐵素體的混合組織，稱回火索氏體（圖5-10）。圖5-10 回火索氏體500× 回火索氏體（回火S）綜合機械性能最好，即強度、塑性和韌性都比較好，硬度一般為25HRC-35HRC.通常把淬火加高溫回火稱為調質處理，它廣泛用于各種重要的機器結構件，特別是受交變載荷的零件，如連桿、軸、齒輪等。也可作為某些精密工件如量具、模具等的預先熱處理。鋼調質處理后的機械性能和正火相比，不僅強度高，而且塑性和韌性也比較好（表5-3）。這和

21、它們的組織形態有關，調質得到的是回火索氏體，其滲碳體為粒狀；正火得到的是索氏體+鐵素體，索氏體中的滲碳體為片狀，粒狀滲碳體對阻止斷裂過程的發展比片狀滲碳體有利。表5-3 45鋼（20mm-40mm）調質和正火后機械性能的比較工藝機械性能組織b/MPaAk/KJ·m-2HB正火調質700-800750-85012%-20%20%-25%500-800800-1200163-220210-250細片狀珠光體鐵素體回火馬氏體隨著回火溫度的升高，碳鋼的硬度、強度降低，塑性提高。但回火溫度太高，則塑性會有所下降（圖5-11，圖5-12）。圖5-11 鋼的硬度隨回火溫度的變化圖5-12 40鋼機

22、械性能與回火溫度的關系圖5-13表示淬火鋼回火過程中馬氏體的碳質量分數、殘余奧氏體量、內應力和碳化物粒子大小隨回火溫度的變化。需要指出的是鋼在回火時會產生回火脆性現象，即在250 C-400 C和450 C-650 C兩個溫度區間回火后，鋼的沖擊韌性明顯下降。這種現象合金鋼中比較顯著，應當設法避免。圖5-13 淬火鋼中馬氏體的碳質量分數、殘余奧氏體量、內應力及碳化物粒子大小與回火溫度的關系5.2 冷沖壓模具的表面熱處理工藝1.火焰表面加熱淬火火焰表面加熱淬火是通過噴嘴將火焰（通常用氧-乙炔）噴射到工件表面，將工件迅速加熱到淬火溫度，然后在規定的冷卻介質中冷卻到室溫的熱處理工藝。雖然該工藝比高頻

23、感應加熱淬火落后，但與感應加熱表面淬火相比，火焰表面加熱淬火的設備簡單、操作方便，特別適合大型模具零件和小批量、多品種模具零件的熱處理。我國目前多用手工火焰加熱淬火，缺點較多，若能改用機械化、自動化程度高的方法，則淬火質量更能保證并進一步提高。模具火焰加熱淬火后能獲得最高硬度，決定于鋼的含碳量及淬火溫度和冷卻速度等因素?；鹧娲慊鹑绻鞘止げ僮?，則是一種技巧性很強的操作，必須配備合適的工具。冷作模具鋼均可進行火焰加熱淬火且不導致裂紋。球墨鑄鐵、合金鑄鐵也可以進行火焰加熱淬火?；鹧娲慊鸺訜釙r應注意防止過熱，避免氧化和晶粒粗大化。淬火后建議在180-200進行回火。大型模具零件不便回火，可利用火焰局

24、部加熱或自回火。2電解液表面加熱淬火電解液的加熱是以直流電為電源在電解液中進行的，適用于表面加熱淬火的電解液很多，一般采用（質量分數為8%-10%）Na2CO3水溶液。電解液表面淬火原理見圖5-13。工件置于電解液中（局部或全部）作為陰極，金屬電解槽作為陽極。電路接通后，電解液發生電離，在陽極上放出氧，在陰極上放出氫。氫圍繞工件形成氣膜，產生很大的電阻，通過的電流轉化為熱能將工件表面迅速加熱到臨界點以上溫度。電路斷開氣膜消失，加熱的工件在電解液中即實現淬火冷卻。此方法使用的設備簡單，淬火變形小，適用于形狀簡單、小工件的批量生產。電解液溫度不能超過60。溫度過高，氫氣膜不穩定，影響加熱過程，還會

25、加速溶液的蒸發。常用電壓為160-180V，最高不超過260V，電流密度范圍4-10A/cm2，通?？蛇x用6 A/cm2。電流密度過大時，加熱速度快，淬硬層薄。在加熱過程中，應將工件的位置加以固定，否則會造成電流密度的變化，使淬硬層質量惡化。加熱時間可通過試驗確定。工件在電解液中可采用端部自由加熱、端部絕緣加熱、回轉加熱和連續加熱等方式。圖5-13 電解液表面加熱淬火原理5.3 冷沖壓模具的化學熱處理工藝模具表面化學熱處理的強化是指將模具零件治愈鐵定置于特定的活性介質中加熱和保溫，是一種或幾種元素滲入模具零件表面，以改變表層的化學成分，組織，是表層具有與心都不同的力學性能或特殊的物理，化學性能

26、的熱處理工藝。化學熱處理的種類很多，一般以滲入的元素來命名根據滲入的元素不同，模具的化學熱處理可分為滲碳，滲氮，碳氮共滲，滲硫，硫氮共滲，滲硼，碳氮硼三元素共滲，硫氮氮三元素共滲，滲金屬（滲鋁，滲絡，滲釩，滲鋅或多元素金屬共滲）等。常用化學熱處理的方法及作用見表5-4.表5-4. 常用化學熱處理的方法及作用方法滲入元素作用滲碳C提高模具的耐磨性、硬度及疲勞強度滲氮N提高模具的耐磨性、硬度、疲勞強度及耐蝕性碳氮（氮碳）共滲C、N提高模具的耐磨性、硬度及疲勞強度滲硫S減磨，提高抗咬合性能硫氮共滲S、N減磨，提高抗咬合性能、耐磨性、改善疲勞性硫碳氮共滲S、C、N減磨，提高抗咬合性、耐磨性、改善疲勞性

27、滲鋁Al提高模具抗氧化及抗含硫介質腐蝕的能力滲鉻Cr提高模具抗氧化、抗腐蝕能力及耐磨性滲硼B提高模具耐磨性、硬度及抗磨蝕性滲硅Si提高工件抗腐蝕性能滲鋅Zn提高工件抗大氣腐蝕的能力（一）.滲碳滲碳是目前模具表面熱處理中應用最廣泛的一種熱處理方法，氣功一特點是降低碳鋼或低糖合金鋼模具在增碳的活性介質中加熱到850-950攝氏度，保溫一定的時間，是碳原子滲入表面層，隨后淬火并低溫回火是模具表層與心部具有不同的成分，組織或性能。模具零件經滲碳后使其表面硬度和耐磨性大大提高，同時由于心不和表面的含碳量不同。硬化后的表面獲得有利的殘余壓應力，從而進一步提高滲碳工件的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。根據滲碳介

28、質的物理狀態不同，可將滲碳方法分為固體滲碳、氣體滲碳、真空滲碳和離子(CD)滲碳等。1固體滲碳是將工件置于填滿木炭和碳酸鋇的密封箱內進行（見圖5-14），滲碳劑是木炭和碳酸鋇的混合物。其中木炭起滲碳作用，碳酸鋇起催化作用。滲碳溫度一般為900-950。在此高溫下，木炭與空隙中的氧氣反應形成CO2，CO2與C反應形成不穩定的CO，CO在工作表面分解得到活性碳愿子，即可滲入工件表面形成滲碳層。圖5-14 固體滲碳裝箱2.氣體滲碳采用液體或氣體碳氫化合物作為滲碳劑。國內應用最廣的氣體滲碳方法是滴注式氣體滲碳，其方法是將工件置于密封的加熱爐中（見圖5-15），滴入煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有機液體，這些

29、滲碳劑在爐中形成含有H2、CH4、CO和少量的CO2的滲碳氣氛，鋼件在高溫下與氣體介質發生反應。工件經滲碳后必須進行淬火才能獲得高硬度、高耐磨性。滲碳主要用于承受大沖擊、高強度、使用硬度為58-62HRC的小型模具。圖5-15 滴注式氣體滲碳爐工作1）氣體滲碳工藝操作 以某井式氣體滲碳工藝為例，使用于20Cr、20CrMnTi等鋼制造的模具零件，其滲層神的要求為1.1-1.3mm。滲碳劑為沒有直接滴入。滲碳過程中排氣、強烈滲碳、擴散劑降溫四個部分組成，如下圖5-16所示.。5-16 井式氣體滲碳工藝（1） 排氣。模具零件入爐后必將引起爐溫降低，同時帶入大量空氣。排期階段的作用在于恢復爐溫規定的

30、滲碳溫度，在此階段應盡量排除爐內的空氣。通常采用加大滲劑流量以使爐內氧化性氣氛迅速減少。排氣時間往往在儀表溫度達到滲碳要求的溫度后尚需延長30-60min，以使爐溫成分達到要求，并使爐內溫度均勻及工件燒透。排氣不好會造成滲碳速度慢、質量不合格等缺陷。（2） 強烈滲碳。排氣階段結束后，及進入強烈滲碳階段。其特點的是滲碳劑滴量較多或氣氛較濃，使工件表面滲碳濃度高于最后要求，增大表面的滲碳濃度梯度，以提高滲碳速度。強烈滲碳時間主要取決于層深要求。（3） 擴散。滲碳進入擴散階段是以減少滲碳劑量或濃度為標志。此時爐氣滲碳能力降低，表層過剩的碳繼續向內部擴散，最后得到要求的深度及合適的碳濃度分布。擴散階段

31、所需時間由中間試棒的滲碳層深度決定。（4） 降溫。對于可直接淬火的零件應隨爐冷卻適宜的淬火溫度（一般在840-860），并保溫在15-30min是零件內外溫度均勻后出爐淬火；對于需重新加熱的零件，可自滲碳溫度出爐入緩冷罐。2）氣體滲碳操作要點為了保證滲碳質量，模具零件在進入滲碳爐前應清除表面污垢、鐵銹及油脂等。常用熱水或Na2CO3的水溶液作為介質。對銹蝕工件可采取噴砂清理。零件裝在料筐或掛具上，彼此間應留出5-10mm的間隙，以保證滲碳介質能與零件充分接觸和循環流通。滲碳爐密封性要求好，并始終保持爐內氣氛為正壓力(一般在196.1-588.4Pa)。風扇應始終保持逆轉，似使零件能經常與新鮮氣

32、體接觸。排氣口要點燃，以免廢氣污染空氣，并便于判斷爐內工作情況，有條件的應經常進行爐氣分析。根據生產經驗，用煤油滲碳時，爐內氣氛成分應控制在以下范圍內：CnH2n2(1.0%-1.5%),CnH2n0.6%,CO(20%-35%),H2(50%-65%),CO20.5%,N2余量。在這種氣氛下對20CrMnTi等鋼件滲碳后表層含碳量（體積分數）在0.8%-1.0%之間，而且炭黑很少。零件出爐時間根據隨爐試樣的層深檢查結果決定。試樣材料應于零件相同。對于不同鋼中或層深者不宜同爐滲碳。另外對于新滲罐、新的工具或久未用得爐罐應預先滲碳。在正常滲生產情況下，停爐再升溫生產時應進行爐腔滲碳。3）滲碳零件

33、淬火滲碳只能改變零件表面的化學成分，而零件表面的最終強化則必須經過適當的熱處理。通過熱處理使零件的高碳表層獲得細小的馬氏體、適量的殘留奧氏體和彌散分布的粒狀碳化物；零件的心部由低碳馬氏體、托氏體、索氏體等組織組成。滲碳后可采用不同的熱處理方法：直接淬火、一次淬火、二次淬火等。（1） 直接淬火。 直接淬火是指工件滲碳后隨爐降溫或出爐預冷到高于Ar1或Ar3溫度(760-850)，然后直接淬火的方法，淬火后在150-200回火到2-3小時。隨爐降溫或出爐預冷的目的是為了減少淬火內應力，從而減少零件的變形。同時，還使高碳的奧氏體中析出一部分碳化物，降低奧氏體中的碳濃度，從而減少淬火后的殘留奧氏體，獲

34、得較高的表面硬度。其次淬火的優點是：減少加熱或冷卻的次數，簡化操作，生產效率高，還可以減少淬火變形及表面氧化、脫碳傾向。直接淬火后適用于20CrMnTi等本質細晶粒鋼，不適用于本質粗晶粒鋼及滲碳時表面碳濃度高的零件。（2） 一次淬火。 模具零件滲碳后立即出爐或降溫到860-880出爐，在冷卻坑內冷卻至室溫，然后再重新加熱淬火。適用于本質粗晶粒鋼零件，不適用于直接淬火零件。（3） 二次淬火。 對本質粗晶粒鋼或使用性能要求很高的零件，要采用兩次淬火或一次正火加一次淬火，以保證模具零件心部和滲層都達到高的性能要求。第一次淬火（或正火）溫度碳鋼為880-900，合金鋼為850-870，目的是細化心部組

35、織，并消除表面網狀碳化物。第二次淬火溫度則根據高碳的表層來決定，一般選擇在稍高于Ac1的溫度（770-820）。兩次淬火，有可能出現較大的淬火缺陷，工藝比較復雜，生產周期長，故僅用于對表面層耐磨性、疲勞強度和心部韌性等要求較高的重載荷零件。3.真空滲碳 將被處理的模具工件在真空中加熱到奧氏體化，并在滲碳氣氛中滲碳，然后擴散、淬火。由于滲碳前是在真空狀態下加熱，模具鋼的表面很干凈，非常有利于碳原子的吸附和擴散。與氣體滲碳相比，真空滲碳的溫度高，滲碳時間可明顯縮短。4.CD滲碳CD滲碳法采用含有大量強碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具鋼在滲碳氣氛中加熱，在碳原子自表面向內部擴散的同時，

36、滲層中沉淀出大量彌散合金碳化物，彌散碳化物含量達50%以上，呈細小均勻分布，淬火、回火后可獲得很高的硬度和耐磨性。經CD滲碳的模具心部沒有像Cr12型模具鋼和高速鋼中出現粗大共晶碳化物和嚴重的碳化物偏析，因而其心部韌性比Cr12MoV鋼提高3-5倍。實踐表明，CD滲碳模具的使用壽命大大超過Cr12型冷作模具鋼和高速鋼。5.滲碳工藝滲碳工藝應用于模具表面強化，主要體現在以下兩個方面。1） 應用于低、中碳鋼的滲碳塑料制品模具的形狀復雜，表面光潔程度要求高，常用冷擠壓反印法來制造模具的型腔。因此，可采用碳含量較低、冷塑性變形性能好的塑料模具鋼，如20、20Cr、12CrNi3A鋼以及美國的P2、P3

37、、P4、P5鋼等。先將退火狀態的模具鋼冷擠壓反印法成型，再進行滲碳或碳氮共滲處理。2） 應用于部分熱作模具及冷作模具可提高模具表面的硬度和使用壽命。例如，3Cr2W8V鋼熱擠壓模具，先滲碳再經1140-1150淬火，550回火兩次，表面硬度可達58-61HRC，使熱擠壓有色金屬及其合金的模具壽命提高1.8-3.0倍。（二）滲氮滲氮（也稱為氮化）是將模具零件置入含有活性氮原子的氣氛中，加熱到一定溫度，保溫一定時間，使氮原子滲入工件表面形成氮化物的熱處理工藝。滲氮的目的是提高工作的表面硬度、耐磨性、疲勞性能及耐蝕性能。滲氮能使模具零件獲得比滲碳更高的表面硬度、耐磨性能、疲勞性能和熱硬性。滲氮也可以

38、提高工件的抗腐蝕性能。因為模具在滲氮前一般要進行調質處理，為不影響模具的整體性能，滲氮溫度一般不超過調質處理的回火溫度，一般為500-570，滲氮后模具零件變形較小。滲碳方法分為氣體滲氮、液體滲氮、固體滲氮、離子滲氮等。常規氣體滲氮周期長、生產率低、費用高、對材料要求嚴格，因而使其在應用上受到一定的限制；液體滲氮溫度低、時間短、模具變形小，但鹽浴或鹽浴反應產物有一定毒性，要考慮鹽浴的危害及防止措施。目前有許多新的工藝已經日趨成熟，正在生產中被廣泛應用，例如真空滲氮、電解催滲氮等。為了使滲氮有較好的效果，模具必須選擇含有Al、Cr和Mo元素的鋼種，以便滲氮后形成AlN、CrN和Mo2N，沒有這些

39、元素則滲氮層硬度低，不足以提高模具的耐磨性。模具常用鋼種有Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、38CrMoAl、4Cr5MoSiV、4Cr5W2VSi、5CrMnMo、5CrNiMo等。滲氮一般是模具在整個制造過程中的最后一道工序，處理后只需少量的精磨或研磨加工。滲氮前一般要求先進行調質處理，以獲得回火索氏體組織。滲氮層具有優良的耐磨性，對冷、熱模具都適用。例如3Cr2W8V鋼壓鑄模、擠壓模等經調質并在520-540滲氮后，使用壽命比未經滲氮的模具提高2-3倍。一般滲氮氣體采用脫水氨氣。下面簡介氣體滲氮和離子滲氮兩種方法。1. 氣體滲氮通常在井式爐內進行，方法是把已除油凈化的工件放在密封

40、的爐內加熱，并通入氨氣。氨氣在380以上就能分解出活性氮原子，活性氮原子被鋼表面吸收，形成固熔體和氮化物，氮原子逐漸向里擴散，從而獲得一定深度的滲氮層。常用的氣體滲氮溫度為550-570，滲氮時間取決于所需要的滲氮層深度。一般滲氮層深度為0.4-0.6mm，滲氮時間40-70h，因此氣體滲氮的生產周期很長。1） 滲氮前的準備在滲氮工件的整個過程中，滲氮往往是最后一道工序。為使工件心部具有必要的性能，消除加工應力，減小滲氮過程的變形，以及為獲得最好的滲氮層性能作組織準備，模具在滲氮前一般都需要進行預備熱處理，即進行調質處理，以獲得回火索氏體組織。由于熱作模具鋼的滲氮僅是提高表面耐磨性，為了不影響

41、模具的整體性能，滲氮溫度一般不超過調質處理的回火溫度，一般為500-570.對形狀復雜的精密模具，在機械加工后進行1-2次消除應力處理，以減少滲氮過程中的變形。處理溫度應低于回火溫度，以免降低模具硬度。脫碳層將導致滲氮后脆性增加及硬度不足等缺陷，為此模具在預備熱處理前應有足夠的加工余量，以保證機械加工時將脫碳層全部去除。為使滲氮過程順利進行，模具在裝爐前要用汽油或酒精等去油、脫脂，經過清洗后表面不能有銹蝕及臟物。如果模具某些部位不需滲氮，可用涂料方法防滲。為了檢查滲氮質量，可在滲氮罐的適當部位，放置與模具同材質，并經過預備熱處理的試樣，便于檢查滲氮層深度、表面硬度和金相組織。2） 滲氮介質及設

42、備滲氮用氨氣采用工業合成液氨。滲氮可在密封的箱式或井式爐中進行。氨氣由液氨瓶經過流量計、干燥箱進入滲氮罐，罐要求密封，罐內溫度及氣流應盡可能均勻。用氨氣分解率測定計測量廢氣中氮和氫的體積與廢氣總體積之比，用以表示氨分解的程度。3） 滲氮工藝參數滲氮溫度一般在500-570，滲氮時間根據模具滲氮層深度的要求確定。根據經驗，滲氮溫度為510時，滲層深度0.4mm， 38CrMoAl鋼的滲氮速率為0.01-0.015mm/h。從生產實踐中不難看出，溫度對滲氮層表面硬度及層深得影響顯著。溫度越低，滲氮層表面硬度越高，滲層越淺，變形量越?。环粗疁囟仍礁?，滲氮層硬度降低，層深增加，變形量增大。同時滲氮后的

43、硬度不僅取決于溫度，還與氨的分解率有關。滲氮時間取決于所要求的滲氮深度及滲氮溫度。由于滲氮是在較低溫度下進行的，滲氮速率很低。與滲碳相比，滲氮層深度淺（一般在0.5mm左右），過深得滲氮層深度需要更長時間的滲氮。4） 熱處理生產常用的3種滲氮方法（1）一段滲氮法，又稱等溫滲氮法。在滲氮過程中滲氮溫度和氨分解率保持不變，滲氮溫度一般為450-530.適用于要求高硬度、低變形的淺層滲氮，滲層氮含量分布變化明顯。（2）二段滲氮法。第一階段采用較低的滲氮溫度和較低的氨分解率，使工件表層先形成彌散度高的高硬度合金氮化物層；第二階段再稍微提高滲氮溫度和氨分解率，使氮的擴散速度加快，以便縮短滲氮時間。二段滲

44、氮法處理的工件變形稍大，硬度梯度較平緩，但滲速較快廠生產周期較短。（3）三段滲氮法。它是在二段滲氮法的基礎上再增加一個低溫階段，可以適當提高氨分解率，以減少模具表層的高氮脆性或者采取與第一階段相同的氨分解率，以補充模具表面氮含量的消耗。為了減小滲氮層的脆性，在滲氮結束前2-3h應進行退氮處理，即將氨分解率提高至90%以上。2.離子滲氮離子滲氮是在離子滲氮爐中進行的。在一定的真空度下，利用工件（陰極）和陽極間產生的輝光放電現象進行的，所以又叫輝光離子滲氮。將工件置于離子滲氮爐（見圖5-17）中的托盤上，以工件為陰極，以爐壁為陽極，通入400-750V的直流電，氨氣被電離成氮和氫的正離子及電子，這

45、時工件表面形成一層輝光。具有高能量的氮離子以很大速度轟擊工件表面，將動能轉變為熱能，使工件表面溫度升高到450-650；同時氮離子在陰極上獲得電子后，還原成氮原子而滲入工件表面，并向內擴散形成滲氮層。離子滲氮的主要工藝參數有：（1） 真空度一般為1.33-13.3Pa；（2） 氣體壓力常用為266-798Pa；（3） 電流密度為0.5-5mA/cm2；（4） 輝光電壓。加熱電壓為550-750V，保溫階段電壓適當比加熱電壓略低，通常為550-650V，形狀簡單去650V，形狀復雜去550V；（5） 滲氮溫度。一般取450-600，但即使在400以下也能進行滲氮處理；（6） 極間距離。一般以30

46、-70mm較為合適；（7） 滲氮時間。根據滲氮模具材料、滲氮層厚度和硬度選擇合適時間。圖5-17 鐘罩式離子滲氮爐離子滲氮速度快（獲得同樣深度的滲層只需氣體滲氮時間的1/4-1/2），滲層韌性最好、模具變形小，是目前比較普及的一種滲氮工藝。離子滲氮廣泛應用于處理熱鍛模、冷擠壓模、壓鑄模、冷沖模，模具使用壽命大大提高。（三）碳氮共滲與氮碳共滲模具鋼的碳氮共滲是在鋼件表層同時滲入碳、氮的熱處理過程。但碳氮共滲是以滲碳為主，而氮碳共滲是以滲氮為主。與單一滲碳相比，碳氮共滲有許多優點，主要是提高了模具工件的表面硬度、耐磨性和疲勞極限；并且由于碳氮共滲溫度較滲碳溫度低，因而滲碳過程中奧氏體晶粒較細小，共

47、滲后一般可直接淬火。其碳氮共滲簡化了生產工序，節約能源，并減少了模具的變形。碳氮共滲根據使用介質物理狀況的不同，可以分為氣體碳氮共滲、液體碳氮共滲、固體碳氮共滲三類；根據共滲溫度的不同，又可分為低溫（500-600）、中溫（700-800）和高溫（900-950）三種。其中低溫碳氮共滲即目前廣泛應用的軟氮化法，其表層主要以滲氮為主，用以提高模具零件的表面耐磨性和抗咬合性。中溫碳氮共滲，其目的與滲碳相似，主要是提高模具零件的表面硬度，與滲碳相比，將使零件具有更好的耐磨性和抗疲勞性能。高溫碳氮共滲，以滲碳為主。中溫氣體碳氮共滲和低溫碳氮共滲在我國熱處理廠家中應用較廣。1.氣體碳氮共滲生產中應用較廣

48、的是中溫氣體碳氮共滲，其共滲的介質是滲碳和滲氮用的混合氣體。生產中最常用的方法是在井式氣體滲碳爐中滴入煤油（或甲苯、丙酮等），使其熱分解出滲碳氣體，同時向爐內通入滲氮用得氨氣。在共滲溫度下，煤氣與氨氣除了單獨進行滲碳和滲氮作用外，它們相互之間還可以發生化學反應產生活性碳、氮原子。此外，有得工廠采用滲碳富化氣（甲烷、丙烷、城市煤氣等）氨、三乙醇胺、丙酮甲醇尿素等作為共滲劑。氣體碳氮共滲所用的鋼種大多為低碳或中碳的碳鋼及合金鋼，中溫共滲溫度常采用820-870.氣體碳氮共滲等溫碳、氮含量主要取決于共滲溫度。共滲溫度越高，共滲層的碳含量越高，氮含量越低；反之，共滲溫度越低，共滲層的碳含量越低，氮含量

49、越高。氣體碳氮共滲的主要特點是：（1）氣體碳氮共滲的力學性能綜合了滲碳和滲氮的優點?？蓾B碳相比表面硬度高、耐磨性好，同時還具有一定的抗蝕性，以及由于共滲層存在殘余壓應力而提高了鋼的疲勞極限；與滲氮相比，共滲層深度深，表面脆性小。 （2）由于氮的滲入提高了滲層的淬透性，共滲后可用比滲碳溫度低及較緩冷速介質淬火，減少了模具的變形，而且奧氏體晶粒比滲碳細，提高了模具鋼的心部韌性。 （3）氣體碳氮共滲速度大于單獨滲碳或單獨滲氮的速度，縮短了生產周期。碳氮共滲適用于基體具有良好韌性，而表面硬度高、耐磨性好的模具零件，如塑料模及沖裁模中的凸模及凹模等零件。2. 氮碳共滲（軟氮化）生產上把以滲氮為主的氣體氮

50、碳共滲工藝稱為氣體軟氮化。常用的共滲介質有氨加醇類液體（甲醇、乙醇）以及尿素、甲酰胺和三乙醇胺等，它們在一定溫度下會發生熱分解反應，產生活性氮、碳原子。活性氮、碳原子被工件表面吸收，通過擴散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。氣體氮碳共滲的常用溫度為560-570，時間為2-5h。圖5-18所示為3Cr2W8V鋼和Cr12MoV鋼模具進行尿素氣體低溫氮碳共滲的工藝曲線。（a）(b)圖5-18 尿素氣體低溫氮碳共滲工藝曲線（a）3Cr2W8V鋼;(b) Cr12MoV鋼 氮碳共滲不但賦與工件耐磨損、耐疲勞、抗咬合和擦傷的性能，而且處理時間短、溫度低、變形小、不受鋼種限制，適用于碳素鋼、合

51、金鋼、鑄鐵及粉末冶金等材料，可以對模具、量具、刃具以及耐磨零件進行處理，并獲得良好的效果。氣體軟氮化的工藝參數是軟氮化溫度和時間以及滲入介質的活性和加入量，這些參數同樣根據模具的技術要求來選擇。軟氮化的溫度通常為530-580，在570左右，氮在相中具有最大溶解度。對于如高速鋼和高鉻模具鋼，為保持工件整體的強度和熱硬性，軟氮化溫度不能超過其回火溫度。軟氮化時間在1-6h范圍。軟氮化后的工件一般采用快冷（油冷）?？炖洳粌H使滲氮件表面色澤好，而且能進一步提高零件的疲勞強度。對變形要求小的工件，軟氮化后應當緩冷。目前，熱處理廠氣體軟氮化的介質主要是：50%氨氣50%吸熱型氣體。（四）滲硫及硫氮共滲

52、1.滲硫模具滲硫具有摩擦系數小、耐磨性好、抗咬合性高、抗擦傷力強等特點。滲硫方法可按介質的物理狀態分為熔鹽滲硫和氣體滲硫，目前在生產中應用最多的是低溫、鹽浴電解滲硫，模具淬火后經低溫電解滲硫后仍能保持高硬度，模具變形較小。2.硫氮共滲硫氮共滲是提高模具鋼、高速鋼、結構鋼零件表面耐磨性的一種低溫化學熱處理工藝，低溫硫氮共滲在滲氮爐內進行，滲劑為氨（體積分數為30%-50%）和硫化氫（體積分數為0.02%），共滲溫度540-560，共滲時間為1-3h。此工藝在模具上使用后，模具壽命有明顯提高。（五）滲硼處理滲硼可以使模具表面獲得很高的硬度（1500HV-2000HV），因而能顯著地提高模具的表面硬

53、度、耐磨性和耐蝕能力，是一種提高模具使用壽命的有效方法。例如Cr12MoV鋼制冷鐓六方螺母凹模，經一般熱處理后，使用壽命為3000-5000千件，經滲硼處理后，可提高到5萬-10萬件。另外，滲硼層熱穩定性好，在800以下能保持高硬度，耐腐蝕性能和抗氧化性能較好。按所用介質的物理狀態，滲硼可分為固體滲硼（粉末法）、鹽浴滲硼法、膏劑滲硼、氣體滲硼和電解滲硼等。1. 固體滲硼法（粉末法）把工件埋在含硼的粉末中，并在大氣、真空或保護氣氛條件下加熱至850-1050，保溫3-5h，可獲得0.1-0.3mm厚的滲層。滲硼劑可以用無定形硼、硼鐵、硼氟酸鈉、碳化硼、無水硼砂等含硼物質，并配制適量的氧化鋁和氯化

54、氨等制成。也可以把滲硼劑噴于工件上或制成膏狀涂覆在工件表面，然后用感應加熱使之在短時間內擴散，獲得一定的硼化物滲層。固體滲硼的設備較為簡便，適于處理大型模具。固體滲硼的缺點是：滲硼速度較慢；碳化硼、硼鐵粉等價格昂貴；熱擴散時間較長，且溫度高，滲層淺等。2. 鹽浴滲硼法這種方法是把工件放在鹽浴中擴散滲硼。鹽浴成分有不同組合：在無水硼砂中加入碳化硼或硼化鐵，在900-1000下保溫1-5h，得到0.06-0.35mm的滲層；在熔融的硼砂中加入氯化鈉、碳酸鈉或碳酸鉀，在700-850下保溫1-4h，可得到0.08-1.5mm的滲層；在氯化鋇及氯化鈉中性鹽浴中加入硼鐵或碳化硼，在900-1000下保溫

55、1-3h，可得到0.06-0.25mm的滲層；在以價廉的硼砂為主體的鹽浴中加入碳化硅或硅化鈣等還原劑，在900-1100下保溫2-6h，可得到0.04-1.2mm的滲層。鹽浴滲硼法的優點是：可通過調整滲硼鹽浴的配比來控制滲硼層的組織結構、深度和硬度；滲層與基體結合較牢，模具表面粗糙度不受影響；工藝溫度較低；滲硼速度較固體法快；設備和操作簡便。此法的缺點為鹽浴流動性較差，模具表面殘鹽的清洗較困難。目前我國大多數工廠采用鹽浴滲硼法，采用硼砂加碳化硅的鹽浴較多。鋼材的化學成分對滲硼厚度有很大的影響，低碳鋼的滲硼速度最快，可通過增加鋼的碳含量或合金元素的含量，使滲硼速度減慢。鋼中含有鉻、錳、釩、鎢等元

56、素，還使滲硼層富硼化合物相對量增多。此外，模具鋼滲硼時，硼化物呈針狀晶體而楔入基體材料中，與基體間保持較廣的接觸區域，使硼化物不易剝落。但隨鋼中碳含量和合金元素的增多，不僅使滲硼層減薄，而且硼化物楔入程度也減弱，滲硼層與基體的接觸面因而平坦，結合力變差。一般認為含硅的鋼不宜用來制作滲硼的模具，原因是滲硼后在滲層與基體的過渡區存在明顯的軟帶區，其硬度低至200-300HV，使滲層在使用中極易剝落。模具滲硼處理的缺點是滲層脆性高，淬火時易產生裂紋。因此，最好是滲硼溫度與淬火溫度相近，滲硼與淬火相結合進行。模具滲硼工藝及使用壽命情況見表5-5表5-5 模具滲硼工藝及使用壽命情況模其名稱 材料滲硼工藝參數使用壽命 備注中間拉深凹模CrWMn9CrWMn930950，34h7