钢材与热处理基础教程.docx

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钢材与热处理基础教程

1、铁材料的分类：

1.1钢：

含碳（C元素）量小于2%的铁碳（Fe/C元素）合金。

※有的资料上的讲法是“3%”或“2.5%”等，说法不一。

1.2铁/生铁：

含碳（C元素）量超过2%的铁碳合金：

1.2.1炼钢生铁；

1.2.2铸造生铁：

（1）以断口颜色分：

a.白口铸铁/白口铁；b.灰口铸铁/灰口铁；c.麻口铸铁/麻口铁。

（2）以化学成分分：

a.普通铸铁；b.合金铸铁。

（3）以生产工艺和组织性能分：

a.普通灰铸铁；b.可锻铸铁；

c.球墨铸铁；d.特殊性能铸铁。

2、钢材的分类：

2.1按用途分：

2.1.1结构钢：

可分建筑用结构钢、机械制造用结构钢（如做轴承，零件等）。

2.1.2工具钢：

（1）按化学成分分：

a.优质碳素工具钢：

含C量在0.65%~1.35%的高碳钢，也有添加少量的合金成分。

b.合金工具钢：

在碳素工具钢的基础上添加了Cr、Mn、Mo、V等合金元素。

c.高速钢：

添加了W、Cr、Mn、Mo、V、Al等合金元素的高合金钢。

（2）按用途分：

a.刀具钢：

对硬度要求很高，且要求热硬性好。

b.模具钢：

对硬度要求也较高，且要求有一定的韧性（耐冲击性等）。

①按工作温度分：

冷作模具钢、热作模具钢；

②按用途分：

塑胶模具钢、五金模具钢。

c.量具钢：

硬度高（相对而言要求较低），较简单的、要求低的可选用高碳钢。

2.1.3其他钢：

不锈钢、磁钢、焊条用钢、航空用钢等。

2.2按化学成分分：

2.2.1碳钢（非合金钢）：

（3）低碳钢：

C%≤0.25%，如含C量0.15%，则称为15#钢；

（4）中碳钢：

0.25%＜C%≤0.60%，如含C量0.45%，则称为45#钢；

（5）高碳钢：

C%＞0.60%，如含C量0.65%，则称65#钢。

2.2.2合金钢：

（1）按其合金元素的含量分：

a.低合金钢：

合金元素含量＜5%；

b.中合金钢：

合金元素含量5%~10%；

c.高合金钢：

合金元素含量＞10%。

（2）按其主要的合金元素分：

a.铬钢：

Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、SKD11等；

b.锰钢、铬锰钢……

3、钢材的牌号（工具钢类）、特性与用途说明：

3.1国产钢材：

3.1.1优质碳素工具钢：

如T8、T8A、T8MnA、T10、T10A等；

（1）特性：

在所有工具钢之中，是最普通的工具钢，其韧性、强度、淬透性、热硬性等性能都相对较差；硬度也可达到HRC62。

（2）牌号：

T8Mn（A）

加“A”表示“高级优质碳素工具钢”（即含S、P量较低）

含Mn量为：

0.40~0.60%（如含Mn量更低，就省略）

含C量为：

0.75~0.84%

表示“碳素工具钢”

（3）用途：

用于制造一般尺寸小、切削速度低的刀具或是手动工具（如锉刀、钳子等），也可用于形状较简单的量具、小模具等。

3.1.2合金工具钢：

主要合金元素有：

Cr、Mo、V、Mn、W、Si等。

（1）特性：

a.合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素，与碳素工具钢相比，在硬度、韧性、耐磨性、淬透性、淬硬性、热硬性等性能都有较大的提高。

b.合金工具钢的含碳量一般都较高，属于高碳钢；但其中“热作模具钢”因有高韧性和导热性的要求，故一般为中碳钢。

c.合金工具钢在热处理中一般都采用淬火+低温回火；但热作模具钢常采用“调质处理”（高温回火）；塑胶模具钢采用“预硬”处理，模具成型后不再热处理。

d.因合金元素及其含量的不同，合金工具钢的种类很繁多，在硬度、韧性等特性方面也相差很远。

e.热处理特性（如Cr12Mo1V1/SKD11）：

淬火温度约980~1050℃，然后低温回火在150~250℃，所得硬度大约为HRC60~62；而同样的淬火，回火温度在500℃以上时，其硬度在HRC56~58。

（2）牌号：

5Cr3Mn1SiMo1V

元素矾，含量低于1%（数字省略）

元素钼，含量约1%

元素硅，含量低于1%（数字省略）

元素锰，含量约1%

元素铬，含量约3%

元素碳，含量约0.5%（含量高于1%时，省略）

Cr12Mo1V1

元素矾，含量约1%

元素钼，含量约1%

元素铬，含量约12%

（3）用途：

用途很广泛，工作温度一般在200℃以内的各种刀具、模具可选冷作钢（如Cr12、Cr12MoV、SKD11等）；工作温度较高，且对硬度要求（HRC50左右）不是太高的可选热作钢（如SKD61等）。

3.1.3高速钢：

（1）特性：

a.高速钢的含碳量约在0.70%~1.65%，合金元素的含量大约在10%~20%，在硬度、韧性、耐磨性、淬透性、淬硬性、热硬性等性能都有大大的提高。

b.尤其是其热硬性得到了明显的改善，在500℃时仍可保持很高的硬度，故可以用于高速切削（由此而得名“高速钢”）。

c.热处理都采用淬火+高温回火，其硬度一般都在HRC63~67。

d.按其主要的合金元素分：

钨钢速钢、钴高速钢、矾高速钢、钼高速钢、铝高速钢。

（2）牌号：

W18Cr4V

元素矾，含量约1%

元素铬，含量约4%

元素钨，含量约18%

（3）用途：

a.用途很广，几乎可用所有刀具、模具（如果不考虑成本）。

b.高速加工的工具（发热高导致工作温度高）。

c．可以替代合金工具钢中的热作模具钢。

3.1.4硬质合金（俗称“钨钢”）：

（1）特性：

a.硬质合金主要是由粉末状的WC+Co，及少量的其他合金元素在高温、高压下挤压成型的，Co在里面起黏着剂的作用。

b.硬度极高，至少都在HRA82以上，有的牌号甚至高达HRA90（相当于HRC76）以上，故耐磨性很好。

c．但耐冲击性、耐振动性、耐崩裂性差（脆）。

d．热硬性（红硬性）极好，比高速钢还好，可以承受比高速钢更高的切削速度和温度，甚至可以干式切削。

e．主要的成分是WC，故密度很大；它的成分不是“Fe”，即并不是一般的“钢材”，所以没有热处理的问题。

（2）牌号：

YG6X

X-细颗粒合金A-含少量TaC的钨钴合金C-除颗粒合金N-含少量NbC的钨钴合金

G-钴及其含量（6%）T-钛及其含量

W-通用合金N-不含钴，镍钼作黏着剂的合金

表示“硬质合金”

（3）用途：

主要用于切削刀具和对硬度、耐磨性要求很高的模具；也可以用于小件的冲压模具。

3.2中外钢材的牌号对照：

3.2.1合金工具钢（见附表一）

3.2.2高速钢（见附表二）

3.3钢材硬度：

3.3.1洛氏硬度（材料硬度）：

（1）HRC（中硬度）：

a.金刚石锥形压头，150kg压力。

b.适用的被测件：

经过淬火的各种钢材、预硬处理的塑胶模具钢等。

（2）HRA（高硬度）：

a.金刚石锥形压头，60kg压力。

b.适用的被测件：

硬度很高的材料（如硬质合金等）。

（3）HRB（低硬度）：

a.高硬度的钢球压头，100kg压力。

b.适用的被测件：

退火钢、中等硬度的金属（如铜等）。

（4）表面洛氏硬度

a.压头也有金刚石锥形压头和钢球压头的选择，压力有15kg、30kg、45kg的选择。

b.适用的被测件：

适用于薄片状的试件。

3.3.2维氏硬度（表面硬度）：

（1）采用金刚石压头，但压力很小：

500g、50g，甚至小到5g；压头在被测件表面打点后在显微镜下面观察和量测，得到测量结果。

（2）可测量的硬度范围很广，可以通过《硬度换算表》得到想要的洛氏硬度值。

3.3.3其他硬度：

里氏硬度、布氏硬度、肖氏硬度等。

3.3.4硬度换算表（见附表三）

4、钢材的热处理：

4.1钢材的基本组织：

钢材由一些晶格结构各不相同的结晶体组成，这些基本的结晶体主要有：

奥氏体、铁素体、珠光体、渗碳体、莱氏体、索氏体、屈氏体、马氏体、贝氏体等。

当温度发生改变时（越过“相变点”时），就会得到不同的晶体组织；这些不同的晶体组织都有不同的特性，也就决定了钢材的特性。

4.2四把“火”：

4.2.1淬火：

（1）简释：

使钢材“软→硬”的热处理方式。

（2）做法：

加温到一个很高的温度，然后用水、油或风冷的方式使其急速降温。

（3）负面问题：

脆性（韧性很差）、内应力会导致材料的不稳定性：

变形、开裂等。

（4）淬火升降温曲线：

不同的材料有不同的曲线，所要求的最高温度也不同（此点尤为重要：

如果过高，就会“过热”；如果太低，又达不到目的）。

4.2.2回火：

（1）简释：

使钢材“稳定”的热处理方式：

消除脆性、内应力等；同时让钢材保持良好的硬度、强度等。

（2）做法：

加温到一个适合的温度，以较慢的速度降温（在实际热处理的工艺中每一步升降温温度与时间都是有严格控制的）。

a.高温回火（调质处理）：

500℃以上；

b．中温回火：

350~450℃；

c．低温回火：

150~250℃；

（3）理解：

材料的性质会在所选的回火温度点上稳定下来，在后续的加工（如镀钛等）或使用中，只要温度低于该回火温度，钢材硬度、韧性等都不会改变。

（4）负面问题：

会使淬火得到的硬度稍微降低一点。

（5）回火曲线（回火温度-硬度关系曲线）：

不同的材料有不同的回火曲线。

如下图所示，回火得到的硬度随回火温度的升高整体呈下降的趋势；但也有一些特殊的情况（如下图右），在500℃左右，硬度会有上升趋势。

4.2.3退火：

（1）简释：

使钢材“硬→软”，便于切削的热处理方式。

（2）做法：

加温到一个比回火更高的温度，随炉慢慢降温。

（3）效果：

除降低硬度以外，还可以细化晶粒、消除内应力、提高塑性和韧性等。

4.2.4正火：

（1）简释：

使钢材“硬→软”的热处理方式，但得到的硬度比退火得到的硬度稍高。

（2）做法：

加温到一个与退火相当的温度，保温一段时间，然后再以稍快于退火冷却速度（如空冷、风冷）冷却。

（3）与退火的差别：

硬度稍高，晶粒更细化。

4.3热处理工艺：

4.3.1刀具、模具制造的全流程：

（1）一般的刀具、模具：

钢材购入（退火态）→加工成型（车、铣、磨、钻、攻牙、放电加工等），预留余量→淬火→回火→精加工，去除余量→（镀钛）→交货

（2）可返修的模具：

a.钢材购入（退火态）→加工成型（车、铣、磨、放电等），预留余量→淬火→回火→精加工，去除余量→（镀钛）→交货→使用→返回模具厂修磨→磨床加工、放电加工（可用的加工手段很少）→（镀钛）→交货

b.购钢材购入（退火态）→加工成型（车、铣、磨等），预留余量→淬火→回火→精加工，去除余量→（镀钛）→交货→使用→返回模具厂→退火→车、铣、磨、钻孔、攻牙、放电等加工→（镀钛）→交货

（3）塑胶模具：

钢材购入（预硬态）→加工成型（车、铣、磨、放电等）→试模→修模→（镀钛）→交货

4.3.2淬火→回火曲线：

4.4常见材料的热处理：

4.4.1合金工具钢类：

日本牌号SKD11（国产牌号Cr12Mo1V1）

（1）热处理参数表：

（2）淬火硬度曲线、回火硬度曲线：

（3）热处理与材料的各种性能关系曲线：

4.4.2合金工具钢类：

日本大同公司牌号DC53（专利钢）

（1）淬火硬度曲线、回火硬度曲线：

（2）一般淬火、回火曲线：

（3）真空淬火、回火曲线：

4.4.3高速钢类：

日本牌号SKH51（国产牌号W6Mo5Cr4V2）

（1）淬火曲线：

（2）回火曲线：