热处理工艺性及影响因素剖析

所谓“热处理工艺性能”，即热处理过程获得预期效果的难易程度。模具热处理的工艺性，主要是淬透性和淬硬性；变形和裂纹敏感性；氧化和脱碳敏感性以及过热和过烧敏感性等。

影响模具热处理工艺性的主要因素包括：零件结构的复杂程度、技术要求、所用材料的特性和原材料质量以及热处理前序的质量状态等。

1.淬透性和淬硬性

（1）淬透性 淬透性是指钢制模具零件接受淬火的能力，即在淬火时所能达到的淬硬层深度。

淬透性主要与钢中合金元素的种类及其含量有关。除Co和Al外，其他合金元素均能不同程度地提高钢的淬透性，而且一般是钢中含合金元素的种类和数量越多，淬透性越好。此外，奥氏体化温度、晶粒度和原始组织、淬火冷却速度等对淬透性也有一定影响。

（2）淬硬性 淬硬性是指钢淬火时所能达到的最高硬度。淬硬性主要取决于钢的含碳量。图6-1为钢淬火后的硬度与其含碳量的关系。

图6-1 钢淬火后的硬度与其含碳量的关系

1—碳钢退火后的硬度 2—铬钢退火后的硬度 3—碳钢淬火后的硬度（加热到780～800℃） 4—碳钢淬火后的硬度（加热到Ac_cm） 5—碳钢淬火（加热到Ac_cm）且冷处理后的硬度

值得指出的是，这些数据一般是用标准试样测出的。对于不同有效厚度的实际零件整体淬火后，由于尺寸效应的影响而往往达不到试样的硬度。

2.变形和裂纹敏感性

（1）变形敏感性 即热处理过程容易产生变形的程度。

1）零部件结构的热处理变形敏感性很强。例如，零部件结构尺寸薄厚相差悬殊，长度与直径比过大，零件结构应力集中，刚度过小以及形状复杂等均容易在热处理时产生变形。

2）材料的品种对热处理变形敏感性的影响很大，其变形规律是：用水淬火的碳素钢（如T8A、T10A等）＞用油淬火的低合金钢（如CrWMn、9SiCr、GCr15、9Mn2V等）＞空冷（风冷）淬火的高合金钢（如Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2等）。此外，材料本身抵抗变形的阻力越大，则越不易变形。例如，由于中、高合金钢比碳素钢和低合金钢的抵抗变形阻力大（强度高），因此，淬火时变形小。

3）模具毛坯的内部组织结构不均和切削加工后残留应力过大等，将直接导致模具零件的变形度增大。

4）热处理的加热和冷却方法及其工艺参数和操作技巧等更是决定变形大小的关键。

图6-2 不均匀截面零件结构设计的正误对比(www.xing528.com)

（2）裂纹敏感性 即零件淬火过程产生裂纹的可能程度。

1）零件结构对淬火裂纹敏感性的影响非常强烈。例如，零件相邻截面尺寸突变，则淬火时会导致冷却不均，或零件结构的拐角呈急剧过渡状态（清根，或圆角R＜6～8mm，或角度＜90°）导致应力集中等，淬火时极易产生裂纹。图6-2和图6-3分别为不均匀截面零件结构和有尖角零件结构设计的正误对比。

图6-3 有尖角零件结构设计的正误对比

2）原材料的淬火裂纹敏感性各有不同，其规律是：水淬钢＞油淬钢＞空淬（风冷）钢；钢的破断强度越低，杂质含量越多，淬火时越易于产生裂纹。

3）内应力的作用时间对形成裂纹有重要的影响。试验表明，钢中内应力作用的时间较长时，其破断抗力降低。因此，钢淬火后及时回火消除内应力，对避免淬火裂纹具有重要的实际意义。

实践表明，所有减少淬火应力的因素均有助于减少淬火裂纹。

3.氧化和脱碳敏感性

（1）氧化敏感性 即材料及其零件热处理加热过程易于导致其表面的铁及合金元素被氧化的倾向程度。

一般地说，热处理加热温度越高，氧化敏感性越强；在同样加热条件下，含碳量越低，被氧化的倾向越大。钢中的合金元素活性越强，则氧化敏感性也越强。

（2）脱碳敏感性 即材料及其零件在热处理加热过程易于导致其表面的碳被燃烧的倾向程度。

脱碳敏感性与钢中不形成碳化物的硅、钴和铝的含量有关，由于这些元素促进碳的石墨化，并均能增加碳的活性。因此，钢中硅、钴和铝的含量越高其脱碳敏感性越大；钢中形成碳化物的合金元素对其影响也不尽相同。例如，碳化钼不如碳化钨稳定，因而含钼高速钢比钨高速钢的脱碳敏感性大。

氧化和脱碳两者是同时伴生的。通常，影响脱碳的因素，一定程度上均影响氧化的程度。

4.过热和过烧敏感性

（1）过热敏感性 即材料及其零件热处理加热过程易于导致组织（晶粒度）粗化倾向的程度。过热敏感性与钢的本质晶粒度有关，即本质粗晶粒钢的过热敏感性极大；在本质细晶粒钢中含锰量较高时也会导致过热敏感性增大。钢中含有形成碳化物合金元素时，可以抑制晶粒的长大倾向，因此，过热敏感性不大。

值得指出的是，本质细晶粒的普通钢，当加热温度超过950～1000℃时，晶粒度将急剧长大。

（2）过烧敏感性 即钢加热过程易于发生晶界熔化或被氧化的倾向程度。通常，过热敏感性大的钢，其过烧敏感性也大。此外，钢中晶界上分布有低熔点杂质时也易于导致过烧。