金屬熱處理是將金屬工件放在的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持時間后,又以不同速度冷卻,以此來改善工件的使用性能的一種工藝方法。其特點是改變了鋼材的金相組織,改善工件的內在質量。為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能,除合理選用材料和各種成型工藝外,熱處理工藝往往是必不可少的。金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理、局部熱處理和化學熱處理等。鋼材熱處理的“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同,又演變出不同的熱處理工藝。

(1)時效處理

時效處理是指合金工件經固溶處理、冷塑性變形或鑄造、鍛造后,在較高的溫度下放置或室溫保持其性能、形狀、尺寸隨時間而變化的熱處理工藝。時效處理分兩種

①時效處理:把鋼件或鑄件長期(一至三年)放置在室溫或自然條件下,露天放在空氣中任其風吹雨打日頭曬,而發生的時效現象,稱為自然時效處理,也稱為時效

②人工時效:為了消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發生的變化,常在低溫回火后(低溫回火溫度為150~250℃)精加工前,把工件重新加熱到100~150℃C保持5~20h,這種為穩定精密制件質量的處理,稱為人工時效。對在低溫或動載荷條件下的鋼材構件進行時效處理,以消除殘余應力,穩定鋼材組織和尺寸,尤為重要。

(2)淬火

淬火是把含碳量在0.25%以上的中碳鋼鋼材加熱,使其達到此鋼材的淬火溫度(達到臨界溫度Ac3以上),保溫時間,然后放入冷卻劑水、油或其他無機鹽、有機水等淬冷介質中快速冷卻,使淬火后的零件得到均勻一致的馬氏體組織,使零件達到的硬度及耐磨性,也改變了鋼的某些物理及化學性質。由于淬火后的零件存在著較大的內應力,因此,淬火后的零件要及時經過適當的回火處理,以免產生變形、開裂;使淬火后的零件獲得定的強度、彈性和韌性等綜合力學性能。

熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程,有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接,不可間斷。

淬火方法有浸液表面淬火、火焰表面淬火、高頻淬火、滲碳淬火等。

模具零件淬火應注意事項如下。

①零件淬火前,進行粗加工,鉆好工藝孔、內模鑲件的螺紋孔、冷卻水孔、頂桿孔等。

②零件避免尖角設計,防止變形開裂

③零件淬火后的驗收:檢測硬度,有無軟點,有無變形,有無脫碳等缺陷存在。

(3)正火

正火是把鋼件加熱到臨界溫度以上,保溫時間,均溫后,在空氣中冷卻(大型零件需流動空氣冷卻)。鋼材經過正火處理消除零件內部過大的殘余應力、細化晶粒,均勻組織,提高力學性能;改善不合理的網狀滲碳體組織,為隨后的熱處理做好準備;也可以將正火作為最終熱處理,獲得的力學性能。

(4)退火

退火是把零件加熱到臨界變相溫度Ac3(亞共析鋼)以上30~50℃,或Ac1(共析或過共析鋼)以下,保溫時間,然后隨爐緩慢地冷卻,其目的是降低硬度,改善加工性能。增加塑性和韌性,消除內應力,改善內部組織,從而有利于切削加工和冷變形加工。而退火工序方法有很多種,有球化退火、等溫退火、完全退火、低溫退火、去應力退火等。模具零件退火采用的是去應力退火。

(5)回火

回火是將淬火后的鋼加熱到Ac1以下某一溫度,保溫到組織轉變后,冷卻到室溫的熱 處理工藝[即將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710℃(200~300℃、300~400℃)的某一適當溫度,保溫時間,然后拿出在空氣中緩慢地冷卻]。回火分高溫回火、中溫回火和低溫回火三類。

回火的目的如下。

①減少或消除淬火產生的內應力,防止變形和開裂,以取得預期的力學性能。

②穩定組織,保證工件在使用時不發生形狀和尺寸變化。

③調整力學性能,適應不同零件的需要。

(6)調質

把淬火后的鋼材通過高溫回火[淬火+高溫回火(加熱溫度通常為560~600℃)=調質,調質是淬火加高溫回火的雙重熱處理]的熱處理方法稱為調質處理,其目的是達到所需要的硬度值(一般是28~32HRC,有的達到38~42HRC),使工件具有良好的綜合力學性能

(7)氮化

將氮(N)滲入鋼材表面的過程稱為氮化或滲氮。滲入鋼件表面的氮元素形成氮化層以提高模具零件的硬度、耐磨性和疲勞強度、紅硬性、抗咬合性及抗腐蝕性。

滲氮有下列幾種。

①氣體氮化(滲氦)。鋼材須含Cr、Ti、A、V、Mo等合金元素,處理溫度為495570℃,回火溫度為520~590,表面硬度為900~1000HV,有效硬化層深度為0.3mm,時間為48h,變形量無。

②液體氮化。處理溫度為560~580℃,時間為2~3h,一般零件的氮化層深度為0.01~0.02mm,滲氮深度主要取決于滲氮時間、溫度。氮化層不可過厚,建議不超過0.3mm,表面硬度為900~1000HV

③軟氮化。任何鋼鐵材料皆可做軟氮化處理,可分為液體、氣體軟滲氮。液體軟滲氮是處理法,處理溫度為570~580℃,處理時間為1~3h,淬火方法為鹽浴,表面化合層硬度為900~1000V,深度為0.01~0.03mm。

(8)滲碳

滲碳是把含碳量在0.04%~0.25%的低碳鋼鋼材(中碳鋼含碳量在0.25%~0.6%、高碳鋼含碳量在0.6%~1.35%)零件,在碳介質(氣體、固體)中加熱、保溫,溫度通常為560~600℃。滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程,使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層,然后再經過淬火和低溫回火,使工件的表面層具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25%)。滲碳后,鋼件表面的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經過淬火,以得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲勞強度,并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性,使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于制造飛機、汽車和拖拉機等的機械零件,如齒輪、軸、凸輪軸等,也適用于制造注塑模具的零件。