第4章 碳素钢的热处理
4.1 低碳钢
4.1.1 10钢
1.性能特点
10钢强度稍高于08、08F钢，塑性、韧性很好，易冷热加工成形，正火或冷加工后可加工性好，焊接性优良，无回火脆性，淬透性和淬硬性均差。
2.化学成分、临界点及对应牌号（见表4-1）
表4-1 10钢化学成分、临界点及对应牌号
3.热处理工艺（见表4-2）
表4-2 10钢热处理工艺
4.10钢等优质碳素结构钢的力学性能（见表4-3）
表4-3 10钢等优质碳素钢的力学性能（GB/T 699—1999）
5.应用
1）冷挤压模具冲头，可用作冷轧、冷冲、冷镦、冷弯、热轧、热挤压、热镦等工艺成形。
2）制造要求受力不大、韧性高的模具零件。
3）经渗碳淬火及回火，制作塞规、卡尺框等小量具。
4）制造心部强度要求不高的渗碳件及碳氮共渗件。
5）用于制造夹钢工具的基体。
4.1.2 20钢
1.性能特点
20钢强度稍高于15、15F钢，塑性、焊接性均好，热轧或正火后韧性好，经热处理后可改善可加工性，无回火脆性，淬透性和淬硬性均差。
2.化学成分、临界点及对应牌号（见表4-4）
表4-4 20钢化学成分、临界点及对应牌号
3.热处理工艺（见表4-5）
表4-5 20钢热处理工艺
4.力学性能指标
20钢力学性能指标见表4-3。
5.淬透性
20钢淬透性数据见表4-6，淬透性曲线见图4-1，顶端淬火淬透性曲线见图4-2。
表4-6 20钢淬透性数据
图4-1 20钢的淬透性曲线
6.应用
1）用于制作小型高寿命冷冲裁工具。
2）用于制作粉末冶金压模。
3）用于制作冲头：冷挤压冲头、重载冷镦冲头、10～25mm中厚钢板冲孔冲头、直径φ5～φ6mm的小冲头，可用于奥氏体钢、弹簧钢、高强度钢的中、小型冲头。
4）用于制作锯齿锁紧垫圈冲模。该冲模用于冲压硬度为179～217HBW的65Mn钢带，原采用T10A钢，硬度为48～50HRC，使用寿命小于1500次；后采用Cr12MoV钢，硬度仍为48～50HRC，使用寿命3000次；而选用20钢低碳马氏体强化（淬火，不回火），硬度为46～48HRC，使用寿命达到3万～4万次。
5）制作扳手。20钢制多种规格双头呆扳手，扳手口字处设计渗碳，要求渗层深度为0.6～0.8mm，硬度为52～56HRC。固体渗碳后于780～800℃盐浴加热淬火，240～260℃×2h回火，最后经发蓝出厂。
6）制作弹性夹头。借鉴国外的先进经验，某些弹性夹头用20钢渗碳淬火及回火代替原合金钢夹头，取得很好效果。其工艺为：920℃×4～6h渗碳，渗层深度控制在0.8～1.0mm，不可超渗，渗后出炉空冷，以消除不良组织。于790～810℃盐浴加热淬火，淬火冷却介质为160～180℃的硝盐溶液，冷却至室温后于160～180℃×4～6h硝盐回火，回火后硬度为58～62HRC，符合头部高硬度要求。对于硬度要求相对低的弹性部分，可在520～550℃的硝盐浴中施以快速回火，回火时间视具体规格而定，加热后立即置于流动的自来水中快冷，将硬度控制在40～45HRC。
图4-2 20钢顶端淬火淬透性曲线
4.1.3 Q235钢
1.性能特点
在生产厂家供货状态时，该牌号保证力学性能而不保证化学成分（但也有大概的成分标准），所以S、P等杂质成分相对偏多一点。通常情况下，该钢不需要经过热处理而直接使用，但用来制作工具还需进行必要的热处理。
GB/T 700—2006中，Q235钢按冶金质量分为A、B、C、D四个等级，各等级中硅的质量分数均为0.30%，区别在于C、S、P含量的不同。A、B级Q235钢碳的质量分数为0.14%～0.22%、0.12%～0.20%，而C、D级碳的质量分数≤0.18%、≤0.17%。A级的Mn含量最低，D级S、P含量最少。
国内有不少单位用低碳马氏体强烈淬火工艺制造塑料模、冷作模具的实例。利用双层离子轰击渗金属技术，在该钢的表面进行钼铬共渗，厚度在100μm以上，表面化学成分接近于钼系高速钢，淬火及回火后硬度达1300HV，超过一般冶金高速钢热处理后的硬度。
2.化学成分、临界点及对应牌号（见表4-7）
表4-7 Q235钢化学成分、临界点及对应牌号
3.热处理工艺（见表4-8）
表4-8 Q235钢热处理工艺
4.Q235钢等碳素结构钢的力学性能（见表4-9）
表4-9 碳素结构钢的力学性能（GB/T 700—2006）
①Q195钢的屈服强度仅供参考，不作交货条件。
②厚度>100mm钢材，抗拉强度下限允许下降20N/mm2。
③厚度<25mmQ235B级钢材，如供方能保证冲击吸收能量合格，经需方同意可不做试验。
5.应用
1）可用于各种模具把手以及其他不太重要的模具零件。
2）剪板机片螺栓锻件胎模冲头，曾选用过GCr15、9SiCr、T8及45钢，由于工件有咬模、粘模现象发生，锻坯很难从模具中冲出来，致使冲头塑性变形、弯曲和断裂，寿命较短，每10件冲头约冲螺栓800～1200件；然后用Q235钢制作冲头，经淬火后（不回火）直接使用，硬度为36～40HRC，每10件冲头能冲螺栓2000件以上，而且失效形式为塑性变形，解决了冲头在使用中的碎裂现象。
3）Q235钢制木工刨刀快速膏剂渗碳。在欲渗碳的刨刀刃部涂厚度为2.5mm左右的膏剂，各部分要均匀。涂好后在室温下自然干燥2～3h，然后放入带有风扇的烘箱中烘干。在高温箱式炉中经1000℃×5～10min渗碳后直接淬入盐水，淬后表面硬度为62～65HRC，渗碳层深度为0.45mm。
4）Q235钢制防滑铲。防滑铲硬度要求35～40HRC。对Q235制防滑铲进行强化淬火，930～960℃×2～3min盐浴加热，淬火冷却介质为10%～15%（质量分数）NaOH水溶液或淬入5%～8%（质量分数）NaCl水溶液中。淬火后硬度为36～40HRC，较渗碳淬火效率高数十倍，后改用网带炉淬火更好。
5）Q235钢制饲料粉碎机锤块。锤块是饲料粉碎机的关键部件，很容易磨损，安装在高速旋转（1480r/min）的粉碎机上，靠高速旋转的锤头把饲料粉碎。对进口的粉碎机锤头进行材料金相分析可知，国外锤块是用20Cr钢碳氮共渗处理。为降低成本，就地取材，试用普通Q235钢，经渗碳-碳氮共渗-高频感应淬火加回火的复合处理工艺，其使用性能和寿命超过进口产品。
6）Q235钢制铁锹、犁铧、水田耙耙片、锄头、镰刀等农机具及园林工具等。这些工具除采用低碳马氏体强韧化处理外，还使用渗碳等复合处理工艺。