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青島SKD61模具鋼材的熱處理方法說明

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青島SKD61模具鋼材的熱處理方法說明

發布日期:2020-07-31 作者: 點擊:

鋼材經適當的熱處理可顯著增加硬度、強度、韌度、耐磨耗性等機械性質。施行電鍍作表面處理,模具精度提高、表面光亮,使脫模更順利,成品表面光度增加。因此欲模具壽命延長、質量提升,除了事先預選適當的模具材料外,對于加工后,模具的熱處理方法的選定也很重要,以下分點說明。


正常化

此項熱處理旨在消除鑄造、鍛造、輥軋等高溫高壓處理所產生的粗晶組織,并將加工所生的內部應力消除。其方法為將工作加熱到變態點AC3或ACm點以上30°~50℃的溫度后,使之在空氣中自然冷卻,如圖1所示。使用大型構造用鋼,在材料經鍛造成模型后,再施以正常化處理。


退火

退火是為了使鋼料軟化,調整結晶組織,除去內部應力。其方法為加熱到AC3或AC1變態點以上30°~50℃,保持適當時間后,在爐中或灰中冷卻。模具材料退火處理有兩種方式。


消除應力退火

目的在除去加工所引起的內部應力。適用于粗切削、中切削或需淬火的模具零件。因淬火時麻田散鐵變態所生的應力將加大,除非先行實施退火消除內部應力,否則將造成巨大的應變,而致淬火罅裂、翹曲。即使不淬火的零件,若經大量粗重切削,不經此項處理的話,也將因加工應力的殘存,而終致尺寸的精度改變或發生翹曲。


球狀化退火

目的在改善加工性,增加韌性,防止淬火罅裂,使鋼中的碳化物變成球狀組織。


淬火

淬火的目的是為了將鋼硬化、增加強度。其方法為鋼材加熱到AC3或AC1變態點以上約30°~50℃,保持適當時間后,使它在淬火液中急速冷卻,而產生高硬度的麻田散鐵組織,如圖3所示。模具零件常用的淬火方法有下列三種。

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普通淬火

加熱到變態點以上的溫度后,在水或油中急冷以得麻田散鐵組織。此方法,加熱應該防止過熱及氧化脫碳的現象發生。對于壁厚不均的模具,將會有加熱不均勻。由于各部份的度差發生熱膨脹差,致影響變態點,引起變態差,而致淬火罅裂。因此為了達到均勻加熱,很好用鹽浴或惰性氣爐。

氧化、脫碳之防止可采用鹽浴爐或可調整的隋性氣爐。熱處理變形的防止,宜使用淬火溫度低,自硬性大,有氣冷程度的淬火鋼。含大量鉻、鎳的合金鋼、高速鋼具有此一空氣中冷卻而硬化的特性,對于加工后再行熱處理的模具、精度、形狀能保持而不致變形,精細度失掉。


麻淬火(marquenching)

將待處理的材料加熱到淬火溫度后,投入于溫度為Ms點(冷卻時由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵的開始溫度)的熱鹽浴中,待材料的溫度成為均一后,取出氣冷,緩慢引起麻田散鐵變態、材質變硬,不致發生淬火應力及罅裂,后面再施行回火處理。


麻回火(martempering)

將材料加熱到淬火溫度后,投入于溫度為Ms點及Mf點(冷卻時由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵的終了溫度)間的熱鹽浴內淬火(100~200℃),長時間保存恒溫,直到變態終了,然后空冷。利用此法淬火者,麻田散鐵自行回火,淬火應力消除,沖擊值得以提高,韌性較回火處理者強。工業界一般皆不等待到恒溫變態終了,即行撈出,如圖示,而后段則采氣冷回火。


回火

淬火后的鋼雖然強度大硬度高,但是很脆。假如淬火鋼加熱到A1變態點以下的適當溫度時,不但可以除去淬火鋼的內部應力,又能調節硬度得到適當的強韌性,這種處理叫回火。依照回火之目的,可分為低溫回火與高溫回火兩種。


低溫回火

適用于淬火硬度需要相當高的情況下,將高碳鋼加熱于溫度約200℃的低溫,目的應于消除淬火所產生的內部應力。殘留的沃斯田鐵組織不易產生變化,可維持相當高的硬度。


高溫回火

適用于構造用鋼,將其加熱在溫度500℃~600℃之間使其組織變為有韌性的糙斑鐵。此時可兼顧鋼材的韌度和硬度。

含碳量為0.45百分之的中碳鋼,在不同回火溫度下的機械性質。

對于施行一次回火,不能得到滿意的機械性質的鋼料如高合金鋼及高速鋼,可施行2~3次的返復回火。


表面處理

表面處理是指以加熱或化學處理的方法,使鋼料表面增加硬度到達某一深度。其方法有滲碳、高周波及火焰淬火、氮化及電鍍。分別敘述如下。


滲透淬火

低碳鋼或表面淬火鋼(低鎳鋼、低鎳鉻鋼等低碳合金鋼)在適當的滲碳劑中加熱,使表面起滲碳到某一深度,使成高碳的狀態的表面硬化法。在滲碳劑中以850~900℃加熱8~10小時,則鋼料表面起滲碳約2mm的深度。滲碳完后再施以淬火處理,使滲碳部份硬化。若有不想滲碳的部份,可預先鍍銅以防止。一般滲碳劑可分為固體滲碳、氣體滲碳與液體滲碳等三種。

固體滲碳的滲碳劑使用木炭、焦炭等固體。以木炭粉為主,加入20~30百分之的碳酸鋇、碳酸鈉等促進劑。

氣體滲碳的滲碳劑為氣體,主要為一氧化碳或甲烷碳化氫,滲碳濃度容易調節,可使滲碳均勻。滲碳能力大,不只表面,連心部也可均勻滲碳。

液體滲碳的滲碳劑為溶融的氰化物,將鋼加熱到AC1變態點以上而滲碳。通常薄層硬化是濃度較高的氰化鈉鹽浴中作低溫(850~900℃)處理,而厚層硬化以濃度較低的氰化鈉鹽浴作高溫(900~950℃)的處理。


高周波硬化

藉高周波感應電流將鋼料表面急熱,在到達淬火溫度后,用適當的冷卻劑急冷,稱為高周波淬火。主要用于需具強韌及耐磨耗的機械性質的模具零件,如導銷、復歸銷、斜銷等等。含碳量0.4~0.5百分之的碳鋼,或合金鋼皆適用于本方法。


火焰淬火

以氧氣-乙炔火焰將鋼料表面急速加熱到淬火溫度,再以水急速冷卻而使表面硬化。本方法的特色在于只將外周表面淬火硬化,因此淬火應變小,可應用于各種形狀及大小的鋼制品。淬火方法大致分別有兩種。


多方面同時淬火法

適用于較小面積的處理。多方面同時加熱,然后對此加熱到淬火溫度的面進行冷卻以硬化之。


移動淬火法

大面積不適宜用多方面同時淬火法,乃改用順序移動加熱及冷卻的組合吹管,以行加溫冷卻多方面積。也可應用于不易多方面淬火的模具的局部淬火、零件的磨擦面,可增高耐磨性,延長模具壽命。


氮化

氮化是在氨氣或含氨的媒體中加熱,增加氮含量而將鋼表面硬化的方法。加熱溫度高時,硬度減低,但氮化深度加深。氯化時間取決于所需氮化深度,大約是50小時0.5mm,標準是100小時0.7mm。鍍錫或鍍鎳的部份,可以防止氮化。

氮化用鋼,其標準成份大約是碳0.35~0.45百分之、鋁1.0~1.3百分之、鉻1.3~1.8百分之、鉬0.5百分之以下,此時的氮化溫度500~500℃,表面硬度為HRC67~70,為一非常硬的氮化層。

氮化法依其媒劑可分為氣氮化、液體氮化、軟氮化(低溫鹽浴氮化法)。


氣體氮化法

被處理的料件裝于氮化箱內,放入于爐中,通入氨氣,溫度為500~550℃左右,氮化時間為50~100小時。此種方法為低溫處理,使熱處理變形接近于無。


液體氮化法

液體氮化法與液體滲碳法之不同點,在于本法是在AC1變態點以下加溫而滲碳法卻在AC1以上,且本法所用之鹽浴含較高的氮量而較少的碳量。將氰化鈉鹽與氰酸鹽和碳酸鹽適當混合,加溫到560℃,將料浸入約2~3小時,即可形成薄層的氮化層,可增耐磨耗性,防止燒焦及耐疲勞性。


軟氮化法

此種方法使用于氰化鉀(KCN)等的鹽浴槽中,溫度在520~570℃的低溫。其處理與液體滲碳法相同,唯溫度較低,且其硬度約只為氣體滲氮的一半,故稱為軟氮法。氮化時間較氣體氮化法為低,約1~2小時。此種方法處理的低碳鋼、中碳鋼其硬度增加有限,約可達到HRC53~59。但其耐磨耗性與耐疲勞性顯著增加。


離子氮化法(Iron-Nite)

為了改進氣體氮化法(硬氮化),處理時間長、效率低,很外層的氮化物很脆等缺點。德國的Berkard berghaus發明離子氮化法。離子氮化法首先企業化的是西德的Klockner. Ionon. Gmbh。其方法是將待處理的工作裝入電氮化爐內(圖7),首先將爐內排氣至10-2~10-3T后導入N2氣體(或N2+H2混合氣體),使爐內保持所需要之處理氣壓(通常10-4~10Torr)。以爐本體作正向,處理工作作負向,將兩向間施加500V~1000V的直流電壓,爐氣便因輝光放電而電離化(即氣體被離子化而成正離子向負向的處理工作表面沖擊),處理工作表面受到加熱,同時氮化也因此而進行。

處理溫度與一般的氮化溫度一樣,通常在480℃~570℃的溫度范圍內。溫度的控制系以輻射高溫計測定溫度而以電流值控制之,表面氮氣濃度可改變爐內充填的混合氣體(N2+H2)的分壓比而調整之。參圖8離子氮化之處理循環。

電離氣中生成之氮離子便向工作表面快速沖撞,動能轉變成熱能,造成溫度上升。這時由于對氮離子的沖擊及飛濺(spattering),所產生的排斥作用,Fe、C、O等元素由工作表面被打出來,飛散出來的Fe在放電的電離子中與N離子結合而形成Fe-N的氮化鐵。Fe-N的氮化鐵由于附著作用而附著于表面上,N便向很外層擴散侵入。即很外層的化合物層由于擴散順序發生FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N等組織變化而產生氮化作用。很外層由離子沖擊作用Fe不斷地飛散出來繼續形成氮化物,成為氮氣供應的輸送源而促進氮化的進行。

離子氮化的特點為處理溫度低,處理的工件變形小又無公害問題,為很進步的表面硬化法。其可處理的材料除了碳鋼、青島SKD61模具鋼、工具鋼、氮化鋼、合金鋼、高速鋼外,過去認為難以處理的不銹鋼、鈦、鈷等利用本法已能實施良好的表面硬化。參圖10可知經過I.N.處理的材料,可得到很高的表面硬度,并可獲優良的耐磨耗性、耐疲勞性、耐蝕性及耐剝離性。

電鍍

電鍍是在模具表面被覆其它金屬,以增加表面光度、提高表面硬度,增強耐蝕性的表面處理,以下分述之。

鍍硬鉻

將模具欲鍍的部份浸入于無水鉻酸為主的電解液中,通以電流,鉻析出而附著于模具表面。鍍層比普通鍍層厚,約0.01~0.02mm,硬度HRC67~70。使用本處理增進下列優點。罅脫模良好。鍍硬鉻表面光滑如鏡,脫模非常順利。

鍍層表面硬,耐磨耗性佳,不易刮傷,硬度高達HRC67~70。對鹽酸、稀硫酸以外的化學品有良好的耐蝕性。

鍍鉻面有精美的光輝,模具凹穴經此處理,所射出的成品也能具備精美的光澤,提升產品價值。

無電解鍍鎳

此法不經電解作用,不像上法,乃純粹的化學方法施行鍍著。鍍著經由附著于模具上的觸媒劑的作用,使鎳被還原,而形成表面鍍著層。此種鍍著的特性為:

不致發生電鍍的鍍層厚度差,為一較均勻的鍍著法。

表面不生針孔,光滑而硬。鍍層硬度HRC49,經熱處理更可提高HRC64~67。著性良好,不易剝離。耐蝕性良好。


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