第5章 合金钢的热处理

5.1 低碳合金钢

5.1.1 20Cr钢

1.性能特点

20Cr钢比相同碳含量的碳素钢的强度和淬透性都有明显提高，油淬到半马氏体硬度的直径为φ20～φ23mm。这种钢淬火低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧度良好，回火脆性不明显。渗碳时钢的晶粒有长大倾向，所以常要求二次淬火，以提高心部韧性，不宜降温淬火。当正火后硬度为170～217HBW时，相对可加工性为65%，焊接性中等，焊接前应预热到100～150℃，冷变形时塑性中等。该钢适用于制造中、小型塑料模具。为了提高模具模膛的耐磨性，模具成形后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性，而心部具有很好的韧性；对于使用寿命要求不高的模具，也可以直接进行调质或正火处理。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-1）

表5-1 20Cr钢化学成分、临界点及对应牌号

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3.热处理工艺（见表5-2）

表5-2 20Cr钢热处理工艺

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（续）

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4.力学性能

20Cr钢淬火后不同温度回火的力学性能见表5-3。20Cr钢室温力学性能见表5-4。

表5-3 20Cr钢不同温度回火后的力学性能

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注：试样直径为10mm，880℃水淬。

表5-4 20Cr钢室温力学性能

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（续）

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注：分子为试验数据范围，分母为平均值。

①用钢成分（质量分数，%）：0.24C、0.29Si、0.57Mn、0.90Cr、0.018P、0.006S、0.1Ni。

②用钢成分（质量分数，%）0.21C、0.26Si、0.60Mn、0.87Cr、0.020P、0.012S、0.07Ni。

还试验了φ15mm20Cr第一次淬火温度为880℃，第二次淬火温度为820℃，水淬油冷，200℃回火后的各项力学性能：抗拉强度Rm≥835MPa，下屈服强度ReL≥540MPa，断后伸长率≥10%，断面收缩率≥40%，冲击吸收能量≥47J。

5.淬透性

20Cr钢的淬透性数据见表5-5。20Cr钢淬透性曲线见图5-1。不同直径20Cr钢淬火后的截面硬度分布曲线见图5-2。

表5-5 20Cr钢淬透性数据

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图5-1 20Cr钢的淬透性曲线

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图5-2 不同直径20Cr钢淬火后截面硬度分布曲线

注：20Cr钢化学成分（质量分数）：0.20%C、0.24%Si，0.61%Mn，0.89Cr%；淬火温度为880±10℃。

6.应用

1）热挤压冲头，重载冷镦冲头，厚度为10～25mm中厚钢板冲孔冲头，直径小于φ6mm的小冲头。

2）用于制造汽车软管锌合金接头八角模冲头，硬度要求58～62HRC。渗碳淬火处理，渗层深度为1.0～1.2mm，硬度为60～62HRC，使用寿命提高到3万件。

3）20Cr钢制方接头打方模。方接头是汽车里程表软轴中的一个零件，材质为Y15钢。先用自动车床车成φ3.15mm×13.4mm的毛坯，再由160kN的压力机压成2.7mm×2.7mm、长16mm的方接头。920℃×4h固体渗碳，炉冷至860℃开箱取出油淬，180℃×2h回火，硬度为61～64HRC，渗层厚度为0.90～1.10mm，模具寿命都在3万件以上，最高可达8万件。

4）20Cr钢制塑料模。模具工作面要求渗层厚度为1.3～1.5mm；压制软塑料时，渗层厚度要求0.8～1.2mm；有些模具有尖齿、薄边，渗层厚度可取0.6～0.8mm。渗层表面碳的质量分数不能太高，一般为0.70%～1.0%。

采用分级渗碳工艺：900～920℃×1.5h，840～860℃×2～3h，渗碳后可直接空冷或在通入压缩空气的“冷井”中冷却。780～820℃盐浴加热，热油淬火，170～180℃×2h回火，回火后硬度为58～62HRC。

5）20Cr钢制胶木模固体渗碳。渗碳工艺：920℃×4～5h，罐冷，冷却到室温后，清理模具表面的灰尘及其污物。820℃×0.5min/mm盐浴加热，出炉后预冷到750～760℃，淬入80～100℃的热油中，在热油冷至150℃左右出油空冷，迅速擦去模具表面污物，立即对合后用夹具夹紧，空冷至室温，200～220℃×2h回火，回火后硬度为56～58HRC。

6）20Cr钢制塑料模低碳马氏体强化处理。其工艺为：600～650℃×1min/mm预热，880～900℃×0.5min/mm盐浴加热，淬入盐水，150～180℃×2h硝盐回火，硬度为38～45HRC，畸变<1mm。

7）20Cr钢卡规。用20Cr钢渗碳淬火制卡规技术要求如下：表面硬度为80～83HRA，渗碳层深度为1.0～1.20mm。热处理工艺如下：①调质；②920℃气体渗碳；③一次淬火：840～860℃加热，水淬油冷；650～660℃×2h回火；④二次淬火：770～790℃加热，水淬油冷；170～190℃×2h回火；⑤时效处理：140～160℃×5～6h。

5.1.2 12CrNi3A钢

1.性能特点

12CrNi3A属于合金渗碳钢，淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，可加工性良好，当硬度为260～320HBW时，相对可加工性为60%～70%。另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此既可以用切削加工的方法制造模具，也可以采用冷挤压成形方法制造模具。为了提高模具的耐磨性，模具成形后需进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性，而心部具有良好的韧性。该钢适宜制造大、中型塑料模具，但有回火脆性倾向。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-6）

表5-6 12CrNi3A钢化学成分、临界点及对应牌号

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注：临界点试验用钢成分（质量分数，%）：0.13C，0.76Cr，2.92Ni。

3.热处理工艺（见表5-7）

表5-7 12CrNi3A钢的热处理工艺

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4.力学性能

12CrNi3A钢的室温力学性能见表5-8。12CrNi3A钢不同温度回火后的力学性能见表5-9。

表5-8 12CrNi3A钢的室温力学性能

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（续）

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注：1.分子为试验数据范围，分母为平均值。

2.数据摘自YB6—71。

3.试验用钢成分（质量分数，%）：0.14C，0.69Cr，3.06Ni，0.40Mn，0.025P、0.006S；淬火前经900℃正火，660℃回火，回火后空冷。

表5-9 12CrNi3A钢不同温度回火后的力学性能

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①用钢成分（质量分数，%）：0.17C，0.19Si，0.35Mn，1.26Cr，3.25Ni，0.016P，0.016S。

②用钢成分（质量分数，%）：0.14C，0.22Si，0.40Mn，0.69Cr，3.06Ni，0.025P，0.006S。

12CrNi3A钢高温力学性能见表5-10。12CrNi3A钢伪渗碳淬火及回火后的性能见表5-11。

表5-10 12CrNi3A钢高温力学性能

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表5-11 12CrNi3A钢伪渗碳淬火及回火后的力学性能

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①用钢成分（质量分数，%）：0.10C，0.35Mn，0.71Cr，2.8Ni，S、P合格。

②用钢成分（质量分数，%）：0.16C，0.43Mn，0.83Cr，2.87Ni，S、P合格。

③用钢成分（质量分数，%）：0.13C，0.46Mn，0.71Cr，2.88Ni，0.011S、0.011P。

12CrNi3A钢的低温冲击韧度见表5-12。

表5-12 12CrNi3A钢低温冲击韧度

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①用钢成分（质量分数，%）：0.13C，0.35Si，0.46Mn，0.71Cr，2.88Ni，0.11S、0.012P。

②用钢成分（质量分数，%）：0.14C，0.22Si，0.44Mn，0.69Cr，3.06Ni，0.006S、0.025P。

5.淬透性

12CrNi3钢淬透性数据见表5-13。12CrNi3钢的淬透性曲线见图5-3。12CrNi3钢的淬透性数据及淬透性带见图5-4、图5-5。12CrNi3钢的淬火反应曲线见图5-6。

表5-13 12CrNi3钢淬透性数据

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图5-3 12CrNi3钢的淬透性曲线

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图5-4 12CrNi3钢的淬透性数据及淬透性带

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图5-5 12CrNi3钢的淬透性带和淬透性曲线

淬透性带—用钢成分（质量分数，%）：C0.15～0.17，Si0.20～0.30，Mn0.30～0.60，Cr0.70～0.90，Ni3.0～3.2，900℃加热端淬。按12炉钢数据整理。1的用钢成分（质量分数，%）：C0.13，Si0.35，Mn0.46，Cr0.71，Ni2.88，P0.012，S0.011；890℃加热端淬。

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图5-6 12CrNi3钢的淬火反应曲线

a）12CrNi3钢φ25（1in） b）12CrNi3钢978-7-111-45276-8-Chapter05-23.jpg c）12CrNi3钢φ51（2in） d）12CrNi3钢φ76（3in）

注：依据图5-5绘制。

6.应用

1）主要用于冷挤压成形的形状复杂的浅型腔塑料模具。

2）用于制造大、中型切削加工成形的塑料模具。

3）用于大中型胶木模，工作硬度为52～56HRC。

4）用于高强度塑料注射模，工作硬度为52～56HRC。

5）用于软质塑料注射模，工作硬度为28～32HRC。

5.1.3 12Cr2Ni4钢

1.性能特点

12Cr2Ni4是优质合金渗碳钢，具有高的强度、韧性和良好的淬透性，渗碳淬火及回火后表面硬度和耐磨性很高，同时心部有很高的强度及良好的韧性。12Cr2Ni4钢的可加工性一般，冷变形塑性中等，有白点敏感性及回火脆性，焊接性差。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-14）

表5-14 12Cr2Ni4钢化学成分、临界点及对应牌号

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3.热处理工艺（见表5-15）

表5-15 12Cr2Ni4钢的热处理工艺

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4.力学性能（见表5-16）

表5-16 12Cr2Ni4钢的力学性能

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5.12Cr2Ni4钢淬透性曲线

12Cr2Ni4钢淬透性曲线见图5-7，淬透性带如图5-8所示。

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图5-7 12Cr2Ni4钢淬透性曲线

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图5-8 12Cr2Ni4钢的淬透性带

6.应用

12Cr2Ni4钢有高的淬透性，可以用于制造尺寸较大的模具。该钢淬火及回火后都有良好的综合性能，可以用切削加工或冷变形的方法制造模具。为了提高模具表面的硬度和耐磨性，可以用渗碳淬火及回火的方法或碳氮共渗淬火及回火的方法，强化模具表面，而模具的心部仍保持良好的韧性。

5.1.4 20Cr2Ni4钢

1.性能特点

20Cr2Ni4钢为高淬透性低碳高镍钢，强度、韧性及淬透性均优于12Cr2Ni4钢。渗碳后不宜直接淬火，在淬火前需作一次高温回火，以减少残留奥氏体量；有时为了消除网状碳化物，细化晶粒，也可以采用二次淬火工艺。20Cr2Ni4钢冷变形塑性中等，可加工性一般，焊接性差，焊接前需预热，白点敏感性大，有回火脆性倾向。20Cr2Ni4为优质渗碳钢，也适用于调质状态下使用。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-17）

表5-17 20Cr2Ni4钢化学成分、临界点及对应牌号

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3.热处理工艺（见表5-18）

表5-18 20Cr2Ni4钢的热处理工艺

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20Cr2Ni4钢碳氮共渗层中碳、氮含量的变化和硬度的变化见图5-9。

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图5-9 20Cr2Ni4钢碳氮共渗层中碳、氮含量的变化和硬度变化

a）共渗层中C、N含量

注：810～830℃共渗16h：85%酒精，15%苯，通入量为70mL/min；氮气通入量为5～10L/min。

b）共渗层的硬度变化

注：810～820℃共渗17h：苯通入量为24～30mL/min，氨气通入量为27L/min，油淬，170℃回火3h。

4.力学性能（见表5-19）

表5-19 20Cr2Ni4钢力学性能

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5.淬透性

20Cr2Ni4钢淬透性曲线见图5-10，φ80mm钢棒热处理后的硬度分布见图5-11。

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图5-10 20Cr2Ni4钢淬透性曲线

注：奥氏体化温度840℃。

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图5-11 20Cr2Ni4钢φ80mm棒热处理后的硬度分布

注：950℃正火，650℃回火，不同温度淬火保温165min油冷，150℃回火3h空冷，不同炉钢材。

6.应用

20Cr2Ni4钢具有较高的淬透性，为了提高模具表面的硬度和耐磨性，常采用渗碳淬火及回火或碳氮共渗淬火、回火等表面强化手段，以提高模具的耐用度。此钢适宜制造大、中型塑料模具及承受高负荷的渗碳模具零件。

5.1.5 20CrNi3AlMoS钢

1.性能特点

20CrNi3AlMoS是Ni-Mo-Al系时效硬化钢。该钢是参照美国（AISI）P21钢的成分，根据我国冶金工业的特点以用户对性能的要求而加以改进研制的，适合制作变形率在5%以下、镜面要求高或表面要求刻花纹的精密塑料模具。该钢经软化处理后挤压成形，再进行渗碳淬火处理。由于钢中含有硫，解决了难加工问题，可以切削加工成形，再施以渗碳淬火，增加模具表面的硬度和耐磨性，提高了模具的寿命。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-20）

表5-20 20CrNi3AlMoS钢的化学成分、临界点及对应牌号

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3.热处理工艺（见表5-21）

表5-21 20CrNi3AlMoS钢的热处理工艺

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5.1.6 20CrMnTi钢

1.性能特点

20CrMnTi钢可以作为一般渗碳钢使用，也可调质后使用。Cr、Mn同时加入钢中，有效地提高了钢的淬透性；又加入Ti，可以使钢的晶粒细化，提高钢的强度和韧性。20CrMnTi钢的渗碳过程虽然激烈，但过渡层均匀，可加工性和热处理工艺性能良好，不易过热，渗碳后可直接淬火，工件变形较小，适于制造形状复杂的模具；经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面及韧性较好的心部，低温冲击韧度较高。该钢经正火后硬度提高，可加工性提高，相对加工性为75%，并且可以得到光亮的表面。为了避免出现带状组织，致使可加工性与表面粗糙度变差，正火后应风冷。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-22）

表5-22 20CrMnTi钢的化学成分、临界点及对应牌号

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3.热处理工艺（见表5-23）

表5-23 20CrMnTi钢的热处理工艺

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4.力学性能

φ15mm20CrMnTi钢试验，经880℃、870℃两次淬火，油冷，200℃回火后的力学性能如下：抗拉强度≥1080MPa，下屈服强度≥850MPa，断后伸长率≥10%，断面收缩率≥45%，冲击吸收能量≥55J。

5.淬透性

20CrMnTi钢淬透性曲线如图5-12所示。

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图5-12 20CrMnTi钢淬透性曲线

6.应用

1）用于制造小型的型腔嵌件，用渗碳淬火提高表面硬度及耐磨性。

2）用于制造受磨损较大、受较大载荷、生产批量较大的塑料模。

5.1.7 25CrNi3MoAl钢

1.性能特点

25CrNi3MoAl属时效硬化钢。该钢经奥氏体化固溶处理后得到板条马氏体组织，硬度可达48～50HRC；再经650～680℃回火，由于从马氏体中析出碳化物和马氏体组织的多边形化，降低了钢的硬度，这样就可以通过切削加工而制成模具；最后在500～540℃进行时效处理。由于钢材在时效过程中发生NiAl相的脱溶而得到强化，从而保证了模具的使用性能。由于固溶处理工序是在切削加工制成模具之前进行的，从而避免了模具的淬火畸变，综合力学性能佳。

2.化学成分及临界点（见表5-24）

表5-24 25CrNi3MoAl钢的化学成分及临界点

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3.热处理工艺（见表5-25）

表5-25 25CrNi3MoAl钢的热处理工艺

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图5-13 固溶温度、固溶时间与固溶后硬度的关系

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图5-14 25CrNi3MoAl钢时效温度与硬度的关系

4.力学性能

25CrNi3MoAl钢固溶温度与力学性能的关系见图5-16，回火时间与最终性能的关系见图5-17，时效温度与力学性能的关系见图5-18。

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图5-15 25CrNi3MoAl钢不同时效温度、时间与硬度的关系

1—500℃ 2—520℃ 3—540℃ 4—560℃ 5—600℃ 6—650℃

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图5-16 25CrNi3MoAl钢固溶温度与力学性能的关系

5.应用

该钢适宜制造复杂、精密的塑料模具。

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图5-17 25CrNi3MoAl钢回火时间与最终性能的关系

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图5-18 25CrNi3MoAl时效温度与力学性能的关系

工艺1——一般精密塑料模具的热处理

880℃加热，水冷或空冷淬火，硬度为48～50HRC；680℃×4～6h高温回火，水冷或空冷，硬度为22～23HRC；经机械加工成形，再进行520～540℃×6～8h时效，空冷，硬度为39～42HRC；最后经研磨、抛光。

工艺2——高精密塑料模具的热处理

880℃加热，水冷或空冷淬火，硬度为48～50HRC；680℃×4～6h高温回火，水冷或空冷，硬度为22～23HRC；经粗加工和半精加工后，补充650℃×1h去应力处理，消除机械加工后的残余应力，然后再进行精加工；520～540℃×6～8h时效，空冷，硬度为39～42HRC；最后，经研磨、抛光或光刻花纹后装配使用。

工艺3——冲击韧度要求不高的塑料模具的热处理

锻坯退火后直接进行粗加工、精加工，加工成品后再施以520～540℃×6～8h时效处理；再经研磨、打光后装配使用。硬度为40～43HRC，变形量<0.05%。

工艺4——用作冷挤型腔塑模热处理

模具锻坯经软化处理后，即对模具挤压面进行加工、研磨、打光；然后对冷挤压模具的型腔和外形进行修整，最后进行时效或渗氮处理，再装配使用。

5.1.8 0Cr4NiMoV钢

1.性能特点

0Cr4NiMoV（LJ）钢碳含量量很低，因而塑性优异、变形抗力小，具有优异的冷挤压成形能力。冷挤压成形后的模具经渗碳、淬火和低温回火后，表面为回火马氏体、少量的残留奥氏体和分布较均匀的粒状碳化物，而心部是粒状贝氏体组织，表面硬度可达58～62HRC，具有高的耐磨性；心部硬度约28HRC（φ50mm），有良好的强韧性。钢中主要合金元素为Cr，辅加元素Ni、Mo、V等，合金元素的主要作用是提高淬透性和渗碳能力，增加渗碳后的硬度和耐磨性及模具心部的韧性。0Cr4NiMoV钢冷挤压成形与工业纯铁相似，用冷挤压成形的模具型腔轮廓清晰、光洁、精度高，是国内研制的冷挤压成形专用钢。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-26）

表5-26 0Cr4NiMoV钢的化学成分、临界点及对应牌号

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3.热处理工艺（见表5-27）

表5-27 0Cr4NiMoV钢的热处理工艺

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0Cr4NiMoV钢渗碳温度、保温时间对渗碳层厚度的影响见表5-28。

表5-28 0Cr4NiMoV钢渗碳温度、保温时间对渗碳层厚度的影响

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注：试样尺寸为10mm×10mm×25mm。

0Cr4NiMoV钢渗碳淬火、回火后渗碳层硬度分布情况见表5-29。

表5-29 0Cr4NiMoV钢渗碳淬火、回火后渗层的硬度分布（HV）

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注：试样经925℃×6h渗碳，200℃×2h回火。

4.力学性能

淬火温度对0Cr4NiMoV钢渗碳后力学性能的影响见表5-30。

表5-30 淬火温度对0Cr4NiMoV钢渗碳后力学性能的影响

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注：试样经925℃×6h固体渗碳，200℃×2h回火。

5.奥氏体等温转变图（见图5-19）

6.应用

0Cr4NiMoV钢主要用来替代10、20钢等制作冷挤压成形的精密塑料模，也可以用来制造高精度、高镜面、型腔复杂的塑料模具。

（1）0Cr4NiMoV钢制旋钮注射模渗碳 先经870～880℃×2h退火，920～930℃×6～8h渗碳后炉冷至850℃左右出炉，罐内缓冷。盐浴淬火工艺为：850～870℃×0.6min/mm加热，油淬；200～220℃×2h硝盐回火。回火后表面硬度为60～62HRC。

（2）0Cr4NiMoV钢拨盘注射模退火处理 拨盘注射模具，形状复杂，周围细齿密布，而且外围要求也高，采用0Cr4NiMoV钢制造，可满足生产的需要。

0Cr4NiMoV钢经880℃×2h→550℃出炉空冷的退火工艺，硬度为107HBW。0Cr4NiMoV钢有优良的塑性，变形抗力小。齿尖细微形状分组清楚，型腔表面粗糙度值低，可以复现压头的表面粗糙度，不用再抛光即可使用，可获得满意的使用效果。

（3）0Cr4NiMoV钢制电位器外壳冷挤压成形凹模渗碳 用0Cr4NiMoV钢制WH111电位器外壳冷挤压成形凹模，克服了原电工铁制模的诸多缺陷。工艺如下：

1）880℃×2h退火，600℃出炉空冷，硬度为108HBW。

2）930℃×6h固体渗碳。

3）860～870℃×0.6min/mm盐浴加热，油淬。200～220℃×2h硝盐回火，表面硬度为58～60HRC，基体硬度为27～29HRC。

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图5-19 0Cr4NiMoV钢的奥氏体等温转变图

注：试验用钢成分（质量分数，%）：0.04C，3.18Cr，

0.48Ni，0.44Mo，0.09V，0.17Mn，0.11Si，0.015P，

0.003S。原始状态退火工艺：900℃×10min。

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