钢材与热处理基础教程.docx

1、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

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）。 按工作温度分：冷作模具钢、热作模具钢； 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

3、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

4、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HRC 62。（2） 牌号：T 8 Mn（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：0.400.60%（如含Mn量更低，就省略）含C量为：0.750.84% 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

5、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9801050，然后低温回火在150250，所得硬度大约为HRC6062；而

6、同样的淬火，回火温度在500以上时，其硬度在HRC5658。（2） 牌号：5 Cr3 Mn1 Si Mo1 V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） Cr12 Mo1 V1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

7、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HRC 6367。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：W18 Cr4 V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

8、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：Y G6 XX-细颗粒合金 A-含少量TaC的钨钴合金

9、 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）。（

10、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

11、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

12、“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：350450；c低温回火：150250；（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

13、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.

14、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：