热处理工艺对钢性能的影响

热处理工艺对钢性能的影响

李纯豪 彭怀灵 黎重军

柳州市华侨紧固件有限公司 广西柳州 545100

摘要：模具钢是用来制作机械零件、塑料制品等模具的钢铁材料。近年成型模具钢主要向耐蚀型、镜面加工型、易切削型及非调质预硬型等方向发展，热处理工艺则是决定成型模具钢加工性能和使用性能的关键工艺所在。随着计算机技术发展，国内外越来越多的技术工作者对热处理过程进行仿真数值模拟，为制定和优化热处理工艺提供理论支撑。本文基于热处理工艺对钢性能的影响展开论述。

关键词：热处理工艺；钢性能；影响

引言

针对金属的热处理就是根据金属或合金在固态状态下的组织进行转变调整，将金属材料加热到一定温度，并在保温一段时间后以相对合适的方式冷却金属材料。在热处理过程中，金属材料内部组织发生变化，材料性能得以优化。就钢组织材料而言，它的内部组织结构会发生以下几种变化：第一，钢的机械性能显著提高，延长了它的使用时间；第二，消除了钢在热加工过程中所可能存在的各种缺陷问题，同时可满足晶粒细化、组织均匀性提升要求；第三，可辅助机械零件加工工作优化展开；第四，确保工件表面的抗磨损与耐腐蚀性能提升，具有特殊物理化学性能。

1模具材料的使用性能选用标准

模具材料使用性能是模具完成指定功能的必要条件，包括力学性能、物理性能和化学性能。力学性能是根据模具是否能满足工作条件和避免失效的标准来判断的，主要体现在对模具材料强度、硬度、韧度、耐磨以及抗疲劳性能的要求。物理性能是金属材料在重力、电磁场和热力（温度）等物理因素作用下，材料所表现的性能或固有属性，主要体现在对模具材料导热性和热膨胀性的要求。化学性能是金属材料在抵抗其周围介质侵蚀的能力，主要体现在对模具材料化学腐蚀和热稳定性的要求。

2最终热处理在模具制造中的应用

最终热处理是保证模具工作零件性能的中心环节,一般应安排在精加工阶段前后。（1）淬火，淬火是将模具钢材加热到一定温度保温一定时间后,根据模具钢种和模具零件的热处理技术要求进行冷却,以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。模具钢淬火的三要素是:加热温度、保温时间和冷却介质。决定这些要素的关键是加热设备、模具钢种成分、淬透性等。（2）回火，回火是将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下,保温一到两个小时后冷却的工艺。回火往往是与淬火相伴,并且是热处理的最后一道工序。经过回火。模具钢的组织趋于稳定,脆性降低,韧性与塑性提高,消除或者减少淬火应力,稳定模具钢的形状与尺寸,防止淬火零件变形和开裂,且还可改善切削加工性能。（3）镀铬，镀铬，渗氮属于化学热处理，是为了提高塑料模表面的耐磨性和耐蚀性进行的表面处理。该工艺将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，达到所要求的性能。镀铬层硬度达1000HV，渗氮层硬度达1000HV-1200HV，因而都具有优良的耐磨性，此外镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，在多种酸性介质中均不发生化学反应，具有良好的耐蚀性。

3试验研究

以新型成型模具材料HDD为研究对象，用水作为淬火冷却介质，淬火方式首先采用外淋内喷方式，经过调质处理后，分析性能和组织，然后根据分析结果，提出改进措施，淬火方式改为浸入内喷方式并优化淬火参数，再次分析性能和组织。化学成分试样按照GB/T20066—2006加工，按照标准GB/T4336—2006火花源原子发射光谱分析常规法检测。微观组织显示剂为4%的硝酸酒精，微观组织观测时用德国蔡司AxioImagerA2m金相显微镜。性能检测取样位置在钢管壁厚的1/2处，依据GB/T228.1—2010对试样进行纵向拉伸性能检测，拉伸试样的标距为50.0mm，试样直径为10.0mm，检测设备型号是SHT560560t。冲击吸收能量试样一组3个，尺寸为55mm×10mm×10mm，沿着钢管轴线方向制样，依据GB/T229—2007对试样进行20℃冲击吸收能量检测，取值为平均值，检测设备型号是NI300F。硬度试样取自钢管横截面，依据GB/T230标准对试样进行洛氏硬度检测，三个点取平均值，检测设备型号是TH320。

4淬火温度对HHD热疲劳的影响

试验材料为HHD钢，通过中频熔炼、电渣重熔和锻造处理，同时经过高温扩散退火和晶粒超细化处理（1230℃保温14h，水冷＋1080℃正火＋等温球化退火）。对HHD钢的淬火和回火进行了优化，测试了试样经过不同次数的热疲劳循环后主裂纹的长度和裂纹扩展状况。将不同温度淬火后的试样在相同回火温度下的同一炉内进行2次回火处理，回火工艺为：580℃（3h）+560℃（3h），探索淬火温度与热处理试样热疲劳性能的关系，并对试样进行热疲劳测试，循环次数为2000次，将HHD钢分成1#~7#，并与ASS⁃AB8407钢进行对比，试验结果如图1所示。经过2000次热疲劳循环后，ASSAB8407钢的裂纹又长又宽，裂缝比较深且表面龟裂处为直线状龟裂；1#、2#试样裂纹长且宽，表面龟裂也比较严重；而4#、5#、6#、7#试样表面龟裂程度较轻；3#试样主裂纹较小，表面龟裂程度相对不严重。表1所示为各试样热疲劳循环次数与主裂纹长度扩展情况。由表1可知，各试样主裂纹扩展速率最大为1#试样（1040℃淬火），然后为7#试样（1160℃淬火），次之为2#试样（1060℃淬火），3#试样（1080℃淬火）和6#试样（1140℃淬火）最小。8#试样（ASSAB8407钢）在热疲劳开始阶段主裂纹扩展速率最快，但随着热疲劳循环次数的增加，主裂纹扩展速率有所下降，故至热循环结束，相较于其他试样，8#试样主裂纹长度处于所有试样主裂纹长度的中等值水平。

通过热疲劳试验可知，在一定淬火温度下，试样用钢的热疲劳抗力随淬火温度的升高而增大，当淬火温度在1060~1100℃时，试样的热疲劳抗性达到峰值；随着淬火温度继续升高（1100~1160℃），试样的热疲劳抗性呈下降趋势。

结束语

随着制造业的快速发展，很大程度上也带动了模具工业的快速增长。虽然我国是模具生产与使用的大国，但模具制造水平与世界先进水平相比还存在一定差距，难以满足市场的巨大需求。因此，当前一方面要继续大力研发高性能的模具钢种，另一方面还要对现有模具钢产品的成分、工艺进行优化，挖掘潜力，提高其性能。

参考文献

[1]周红兵,朱国辉,李沁怡,刘永刚.高强度铬-锰钢的热处理工艺及组织和性能研究[J].热处理,2019,34(02):16-21.

[2]何德孚,王晶滢.Cr-Mo钢管性能和制造质量控制要求评述[J].焊管,2019,42(02):25-35.

[3]徐林林,刘堂胜.耐磨机械用超高锰钢固溶处理工艺与耐磨性能研究[J].热加工工艺,2018,47(24):248-250.