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: