1工具钢热处理概要
模具用工具钢（SKS、SKD、SKH）多是碳化物系工具钢。模具性能不仅取决于钢的内部组织（碳化物形状、大小、分布状态），热处理，特别是淬火回火引起的组织变化对模具性能也有很大影响。因此，热处理技术对于模具获得要求特性十分重要。
淬火回火的基本热履历曲线如图1。淬火温度高于相变点A3。相变点因钢的成分不同而异。因此不同成分钢的淬火温度也不同。淬火的方法有高压气体冷却淬火、风冷淬火、油冷淬火、盐浴淬火（盐浴炉）。淬火过程中，因加热被固溶的碳原子，由于急冷，没有扩散时间，使碳原子处于过饱和状态（马氏体），钢获得很高的硬度。淬火状态的钢硬而脆，并且相变膨胀使钢表面处于拉伸应力作用的状态，容易产生裂纹。所以要继续进行回火处理。淬火钢经回火处理后，高应变状态得到缓解，韧性提高。通过淬火、回火的系列热处理，使钢获得要求的硬度和韧性。必须根据钢的类别、用途、和要求特性，分别采用不同的热处理条件。
2工具钢淬火方法
淬火是将钢在高温下保温，使钢处于奥氏体状态，然后快冷使钢发生马氏体转变，从而获得高硬度的热处理方法。淬火加热是将钢加热到A3相变点以上的温度，使碳原子固溶，并使组织由铁素体转变为奥氏体。碳素工具钢（SK）的淬火温度是～℃，合金工具钢（SKS）的淬火温度是～℃，模具钢（SKD）的淬火温度是～℃，高速钢（SKH）的淬火温度是～℃。淬火温度过低，马氏体转变不均匀，得不到正常淬火组织。淬火温度过高，奥氏体晶粒粗大化，发生氧化和脱碳以及淬火后残余奥氏体量增加，使钢的硬度和韧性下降。最佳淬火温度因钢的成分不同而不同。所以应确定与淬火钢相应的淬火温度。
与淬火温度并列重要的是淬火加热时间。加热时间不当，会产生与加热温度不当一样的问题。一般来说，对于模具钢，当工件中心温度达到规定温度后，要保温30分钟。在实际淬火作业中，淬火炉内温度不均匀、淬火工件装入量过大、工件装入不均匀，是导致上述淬火异常现象的原因。因此，热处理设备点检、定期维修等工作是非常重要的。
对加热到淬火温度的钢进行快冷，使钢发生马氏体转变，获得高硬度。一般来说，淬火冷却速度越大，钢的组织越致密，韧性越好。因此需要有快冷技术和相应的设备。图2是各种冷却介质冷却速度的比较。过去为获得大冷却速度，采用油淬和盐浴淬火。近年来真空淬火设备冷却能力有了提高，冷却速度达到油淬和盐浴淬火的水平，大型模具也采用高压气体冷却。另一方面，冷却速度大，会发生温度不均匀，引起热处理变形和裂纹发生。例如边长超过mm的SKD61大型模具淬火时的关键是急冷和抑制热处理变形。模具各处厚度、形状不同会引起模具壁内外温差，在高温时这种温差引起收缩应力，在低温马氏体转变时这种温差引起相变应力的时间差。模具热处理变形就是在上述应力复合作用下发生的。图3是工具钢的连续冷却曲线（CCT）和各种冷却方法（普通急冷（连续冷却）、分级次货、两级冷却）的冷却曲线。CCT图是淬火冷却速度和淬火组织关系的图示。冷却速度曲线的形状是从淬火温度开始向右侧下降的弯曲形状。曲线越垂直冷却速度越大。淬火冷却速度应当很大，不使冷却曲线接触到高温晶界碳化物析出区和珠光体转变区（图中的P区）。分级淬火法将工件在贝氏体转变区（图中的B区）以上的温度下进行一定时间的保温，减小工件内外温度差，然后再进行快冷，使工件整体发生均匀冷却和组织转变，从而抑制了淬火裂纹的发生。需要注意的是，当保温时间过长、保温温度不适当时，会产生粗大贝氏体，使韧性下降。两级冷却法是在热应力影响大的高温区进行缓慢冷却，在低温区进行快冷，以使工件具有良好韧性的冷却方法。淬火冷却速度小导致工件韧性下降的主要原因是，在高温区有晶界碳化物析出，在低温区有贝氏体形成。对于压铸模具用钢SKD61来说，低温区贝氏体形成是主要原因。因此，对SKD61采用两级冷却，高温区缓冷、低温区快冷，既可保证韧性，又可减小淬火变形。两级冷却作为低应变高韧性热处理技术被用于大型压铸模具。
高速钢的淬火不同于模具钢，常用盐浴淬火。高速钢的用途要求高速钢具有高硬度，并且刀具内部也要保证高硬度。因此淬火时要求大的冷却速度。另一方面，高速钢的淬火温度高于模具钢。一般来说，淬火温度越高、加热时间越长，碳化物在奥氏体中的固溶量就越多，淬火后的硬度越高。但加热时间越长会发生晶粒粗大化和氧化、脱碳等现象。采用保护气氛加热和真空加热，由于热传导不良，加热时间很长，也会引起晶粒粗化。
盐浴炉是液体加热方式，加热速度很快，是大气加热速度的4倍左右。用盐浴炉加热淬火工件可在很短时间达到淬火温度，可以有效抑制工件晶粒粗大化。此外，工件在冷却过程中由于没有油冷形成的蒸汽膜，所以从冷却初期开始就可快速冷却。近年来开发出真空炉氮气冷却替代盐浴炉的技术，但高温区的冷却速度还不及盐浴炉淬火。另一方面，盐浴炉存在的问题是，电耗大和硝酸钾、硝酸钠使用造成大气、水质污染的对策成本高以及废弃物处理成本大。
3工具钢回火方法
回火是利用加热缓解淬火工件内积蓄的应变，调整硬度提高韧性的热处理方法。在回火过程中，碳化物从淬火形成的硬而脆的马氏体中析出，淬火马氏体变成韧性好的回火马氏体，同时钢中的残余奥氏体被分解，产生二次硬化的效果。
大部分工具钢是在高温状态下使用的，所以一般采用二次硬化型的高温回火处理（～℃），以获得模具的稳定性。但对冷作模具用工具钢，有时采用℃左右的低温回火处理。图4是SKD11的回火温度和硬度、残余奥氏体量的关系。以SKD11为代表的高碳钢的马氏体转变终了温度在室温以下，所以，淬火后约有20%的残余奥氏体存在。这些残余奥氏体在℃以上是比较稳定的。残余奥氏体比较软，所以使模具整体具有较高的韧性。℃左右的低温回火处理使碳化物从马氏体中析出，淬火马氏体变成回火马氏体，韧性得到提高。低温回火钢的硬度约为60HRC。在模具使用和热处理后的加工（放电加工、表面处理等）中如果没有温度升高，采用低温回火可使模具获得高硬度和高韧性。
尺寸经年变化是冷作模具的重要问题。尺寸经年变化是未分解的不稳定奥氏体随时间的延长发生转变、膨胀引起尺寸变化的现象。一般来说，残余奥氏体每转变1%，模具尺寸会发生0.01～0.%的伸长。这种尺寸变化即使在室温下，在热处理后的几年内也会缓慢进行。因此这种现象成为要求高尺寸精度的冷作模具的大问题。抑制尺寸经年变化的方法是减少残余奥氏体量或使奥氏体稳定化。减少残余奥氏体量的一种方法是深冷处理。深冷处理是在淬火时，将工件冷却到室温以下。促进马氏体转变，减少残余奥氏体量的处理方法。深冷处理使用的冷却介质一般是干冰（－78℃），但也用使用液态氮（－℃）进行超深冷处理，以获得进一步减少残余奥氏体量的效果。减少残余奥氏体量的另一种方法是提高回火温度，促进残余奥氏体分解。例如，SKD11在℃以上回火时，残余奥氏体完全分解。但这种方法会使钢发生软化，所以要求硬度时，不能采用高温回火的方法。
奥氏体稳定化方法是，工件回火后，对工件进行℃左右的热处理，降低淬火回火中未转变的残余奥氏体的应变量，使残余奥氏体稳定化，难于发生尺寸经年变化。
合金含量高的工具钢中的残余奥氏体多，所以回火处理次数很重要。残余奥氏体大时，常常有一次回火不能使残余奥氏体完全分解的情况。此外，在回火冷却过程中一部分残余奥氏体会转变为马氏体，导致韧性不足。为此需要进行二次回火使残余奥氏体和马氏体处于稳定状态。Co含量大于5%的钢种，为使残余奥氏体稳定化，要进行三次回火处理。但在冷作模具用钢进行低温回火时，由于回火温度没有达到残余奥氏体的分解温度，所以不必进行反复回火。
来源：冶金信息网
“热处理技术”专注于分享最新、最全的处理技术、设备信息，解决热处理技术难题。欢迎
转载请注明：http://www.0431gb208.com/sjslczl/897.html
