热处理基础知识1.ppt

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1、,模具熱處理基礎 及實習,ASSAB STEELS(H.K.)LTD.September.2001,內部資料,請勿影印外傳,熱處理原理与分類 淬火 回火 冷處理 表面處理 去應力處理 退火,熱處理的定義,利用加熱与冷卻使固態金屬合金得到所需性能之操作,熱處理之種類,淬火 回火 冷處理 表面處理 去應力處理 退火,鋼中的組織,奧氏體 Austenite 馬氏體 Matensite 貝氏體 Bainite 珠光體 Pearlite 鐵素體 Ferrite 碳化物 Carbide,組織与晶體結構,體心立方(BCC)面心立方(FCC),鐵素體 奧氏體,2.85A,3.57A,(貝氏體,珠光體=鐵素體+

2、碳化物),(紅色-鐵原子 藍色-可能的碳原子位置),2.85A,2.98A,淬火馬氏體,碳在鐵素體中的過飽和固溶體,工具鋼交貨態的組織,球狀珠光體(鐵素體+球狀碳化物),無應力 加工性好 易於熱處理,加熱曲線組織轉變,C,AC1,M KM F,F+C,A+C,A+C,M+A+C,時間,C,P,P,淬火,退火,淬火,提高硬度与耐磨性 固溶足夠的碳化物以使回後 提高韌性抗蝕性並二次硬化,目的:,Hardening,淬火中發生了什麼?,部份碳化物溶解 F+C M+A+C 硬度 HRC 56-68,影響模具淬火效果的主要因素,淬火溫度 淬火保溫時間 淬火冷速,淬火溫度与淬火保溫時間,正確選定,為使,A

3、中溶解足夠碳化物 晶粒不長大,淬火溫度及保溫時間,C,時間,15C,40 C,2 x D(/mm),0.8 x D,保溫時間的確定,T,淬火冷速要足夠快,以避免,珠光體出現 晶界碳化物析出 減少貝氏體形成,高速钢鋼的淬火冷卻,高速钢鋼通過 1000-800C 的淬火冷卻速度應,7 C/秒,2344,2083鋼的淬火冷卻,通過 1000-550C 的淬火冷卻速度應,2083 30C/分2344 28 C/分,淬火溫度与保溫時間,太低,太短 太高,太長,C 熔解少 硬度低 熱強度差,C 熔解太多 R,A%多 硬度低 晶粒長大,脆 淬火應力大,淬火硬度不足,脫碳 混料 加熱溫度不准 保溫時間不足 冷

4、速太慢 模具大,淬不透,如何重新淬火,必須先退火 避免韌性急激下降 防止開裂,為何淬火開裂,脫碳 回火不及時,回火不足 模具設計不合理,未加保護 冷卻太激烈,防止淬冷開裂,C,P,P.E.C,Mk,快,慢,時間,冷作模的淬火應力,低溫回火只消除少部份淬火應力 模具越大,淬火應力越大,大沖模板易開裂及對策,要求硬度高,常低溫回火,模板內應力極大,導致,1 熱處理開裂2 磨削開裂3 WEDM開裂4 使用中開裂,退火鋼淬硬後的體積變化,球狀珠光體變成奧氏體後的體積變化:VSA=-4.64+2.21(%C)%C,體積變化,0.5%C的工具鋼的體積變化:-3.53%1.0%C的工具鋼的體積變化:-2.4

5、3%,奧氏體變成馬氏體後的體積變化:VAM=-4.64-0.53(%C),退火鋼淬硬後的體積變化,%C,體積變化,0.5%的工具鋼的體積增大:4.37%1.0%的工具鋼的體積增大:4.07%,退火鋼淬硬後的體積變化,球狀珠光體變成馬氏體後的體積變化:,0.50%C:-3.53+4.37=0.84%1.0%C:-2.77+4.07=1.30%,線尺寸的變化值=1/3 x體積變化值,KM2 1210 C淬大+560C回火後線尺寸變化為0.14%,不同鋼淬火回火後線尺寸變化%,淬火 淬火後線 回火後線尺寸變化 尺寸變化 205 315 540 2510 816油 0.22 0.16CR12 9 54

6、空 0.09 0.06 0.07 0.06D2 1010空 0.06 0.03 0.00 0.062344 1010空-0.01 0.06M2 1210油-0.02 0.10,大力推荐,DC53,高溫回火後 HRC 62,模板內應力很小,開裂傾向大大減小,對策-,脫碳層的影響,導致模具熱處理開裂 磨削開裂 WEDM開裂 使用中開裂 降低硬度与抗磨性,為何脫碳模具易開裂?,馬氏體的體積与溶入之碳量成正比 脫碳表面因比容小而呈拉應力,易形成裂紋,模具脫碳如何檢查,光譜 金相 打磨去 0.5-1 mm 再測硬度,如何防止脫碳,完全去除黑皮 正確熱處理 真空處理 保護爐氣熱處理 木碳保護 包不銹鋼紙

7、塗層,回火,消除淬火應力,提高韌性 得到所需之模具性能(硬度,韌 性,抗蝕性,高溫強度,抗龜裂 性及尺寸穩定性),目的:,Tempering,回火中發生了什麼?,M 分解成回火 M+C 淬火應力降低,韌性改善 尺寸穩定性增加 二次硬化提高高溫強度,回火不足的後果,性脆 應力大,易開裂 尺寸不穩定,回火保溫時間的計算,20 分鐘/25 mm+2 小時,還要考慮裝爐量,爐型大小,是否帶風扇,是否包不銹鋼紙,回火二次硬化,500 C左右回火中,鋼中析出極細碳化物使鋼硬度,熱強性明顯提高,RC,回火溫度,鋼中 Cr,Mo,W,V,等增強二次硬化,合金化的影響,DF-2 718,8407,400 500

8、 600 700C,回火溫度(2 X 2 h),M 2 CM 23 C6MCFe 3 C,2 2-10 10-250nm,2,2344的二次硬化,炭化物尺寸,2344的二次硬化相,MC:(V0.4Mo0.4Fe0.1Cr0.1)C,回火或工作溫度太高,回火或工作溫度太高,炭化物 MC 長大,抗高溫強度下降,高溫回火的優點,在高溫工作穩定 可隨後進行氮化,PVD 不易WEDM及磨削開裂 減少R.A%,穩定尺寸,低溫回火的優點,表面光亮 較好抗蝕性 韌性高(小模具)硬度高(非二次硬化鋼),大模具的低溫回火,大模具的淬火應力很大,低溫回火後使用中仍有開裂的危險,大模具的淬火應力很大,低溫回火後使用中

9、仍有開裂的危險,大模具回火,大模具須回火3-4 次 盡量提高回火溫度,例,华兴隆 為 XXXX公司公司處理 2083塑料模 90 x 300 x 480 mm,1020C淬火,250 C回火二次,使用中開裂,冷處理,提高尺寸穩定性 提高硬度耐磨性 較小的磨裂傾向,目的:,Sub-Zero treatment,R.A.的危害,模具中的 R.A.在長期生產中會轉變成 M,使模具及產品尺寸漲大,R.A.%与尺寸穩定性,1%的 R.A會使模具長度 約增加 0.015%200 mm 的模具 1%R.A.會使其增長 0.03 mm,IC 塑膠封裝模,200 mm 長度的一般許可增長量約為:,6 m,(Ma

10、x.10 m),SCT處理的優缺點,優點:1 提高耐磨性和韌性 2 提高尺寸穩定性缺點:SCT處理後無二次硬化,對高碳高合金鋼效果明顯,熱處理 HRC 磨耗失重 mg.,1150。C,15 oil,560 C 1h x 3,560 C 1h.-180C 2h.560 C 1h.,65.5,65.9,12.0,3.1,M2,V4,熱處理 HRC 磨耗失重 mg,1035C,250 C 2h x 2 59.2 13.1,1035C,-180 C x 2h 60.7 3.9 250 C 2h,表面強化處理,滲碳淬火 滲氮(硬氮化)氮碳共滲(軟氮化)離子氮化 火焰,高頻表面淬火 滲硼 CVD PVD

11、TD,ABP,硬氮化,氣氛:氨 NH3 N+3H溫度:510C 10-120 hrs滲層:0.1-0.7 mm表層:Fe2N(脆性)+Fe2-3N,Nitriding,軟氮化,氣氛:NH3+N2+CO2溫度:570C 1-4 hrs滲層:0.05-0.3 mm表層:Fe2-3N+Fe4N(韌性),Nitrocarburization,離子氮化,氣氛:NH3 溫度:425 700C 1-48 hrs滲層:0.25-0.6 mm表層:Fe2-3N+Fe4N(韌性),Plasma Nitriding Ion Nitriding,離子氮化,離子氮化的優點,氮化層緻密,韌性好 氮化層深,過渡緩和 氮化溫

12、度低,省電.表面清理作用,CVD,氣氛:TiCl4+C,N氣溫度:900-1100C滲層:0.002-0.02mm表層:TiC,TiCN,TiN,Chemical Vapor Deposition,化學氣相沉積,PVD,氣氛:CH4,N2或其它氣體溫度:200-510C滲層:0.001-0.005mm表層:TiN,TiCN,CrN,Physical Vapor Deposition,物理氣相沉積,TD,介質:含釩鹽浴溫度:900-1100C滲層:0.0025-0.02mm表層:VC(Hv 3200-3800),Thermal DeffusionToyoto Deffusion,ABP 模具型面

13、強化,特制金屬丸,產生壓應力,模具表面,5 10 15 20 25 30,60 20-20-60-100-140-180,ABP,切削加工,應力,距表面距離 m,0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09,HV650610570530490450,480,618,554,ABP T3,ABP T1,ABP 後的表面硬化,距表面距離 mm,ABP對模具的影響,增強表面的疲勞抗力,推遲龜裂的產生 可去除 EDM 白層及其表面刀痕等缺陷 改善表面的抗磨性,抗侵蝕性.可抵消表面拉應力 提高表面的沖擊抗力,与去應力回火相比,去應力回火只能消除部份表 面拉

14、應力,不能形成壓應力.不能用於當模表面已產生輕 微龜裂的情況,ASSAB TAIWAN的多年實用效果證明ABP可延長 鋁鎂合金壓鑄模之命約 50%鍛模之命可延長至 200-300%,ABP之實用效果,去應力處理,目的:減少模具加工或使用中產生之應力,Stress relieving,模具表面應力的種類与作用,拉應力 壓應力,產生條件 EDM ABP處理 過度磨削 滾壓 焊接 氮化 脫碳淬火 表面淬火 壓鑄生產,作用 使模具早期開裂 延長使用命 疲勞 提高疲勞強度,什麼是拉,壓應力?,壓應力 拉應力,模表面,例,例,0,拉應力壓應力,材料抗拉強度,壓模次,壓鑄生產中的模具表面應力,延長之命,裂,

15、ABP 1,ABP2,加工應力之來源,承受應力,白剛玉砂輪 28.6 M/秒,進刀量0.02mm,工作台速度:6M/分,0.1,0.2,0.3,0.4,500C,400oC,350C,300C,250C,深度mm,應力,20,40,60,kg/mm2,0,-20,0.2mm,0.1,進刀量,表面拉應力 kg/mm2,0.0084mm 22 0.0185mm 70 0.0292mm 82,(被磨 材料:M2),如何去應力?,加熱至550-650C使鋼的屈服強度下降,以致受加工應力而產生翹曲變形,從而使應力松弛,去應力處理後須加工去除翹曲變形,去應力處理能不能与淬回火一起進行?,不能,會加大熱處理

16、後的模具變形!,300 400 500 600 700C,應力消除百分比%,255075100,去應力處理溫度,1h,4h,6h,去應力處理的溫度取決於:應力的種類:粗加工,焊接,EDM,壓鑄,磨削等.模具的狀態:退火,預硬,淬回火,2344,去機加工應力處理,C,650C,500C,保溫時間,時間,爐冷,空冷,2 h,消除機加工應力,2344,去壓鑄應力處理,C,回火溫度-25C,保溫時間,爐冷或空冷,2 h,消除壓鑄應力,預硬料模及經淬回火的模的去應力處理不能降低模具硬度,718H塑膠模的去應力處理,C,550,保溫時間,爐冷或空冷,2 h,500C 模具硬度會下降,粗加工 去應力處理半精加工 淬回火 精加工,一般模具加工程序,退 火,降低硬度改善加工性能 完全消除應力 重新淬火的預備處理,2344,退火,C,850C,650C,保溫時間,爐冷,空冷,2-4 h,時間,在模具加工及熱處理范圍內,退火僅被用在重复淬火之前,熱處理淬回火變形,尺寸變形+形狀(翹曲)變形,淬火變形+回火變形,翹曲變形的原因,切削加工應力,形狀复雜,淬火熱應力,淬火組織應力,淬火放置不當,