第4章 工具钢--20090316

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 工具钢,主 要 内 容,概述,（刃具钢;模具钢；量具钢）,碳素及低合金工具钢,高速工具钢（重点）,冷作模具钢,热作模具钢,工具钢与常用结构钢的简单比较,结构钢 工具钢,成分：,C：,中低,C,中高,C,合金元素:中偏低 中偏高,组织:,P,（,S,T,）,B,M M,S,T,热处理：,退 正 淬 回 淬火回火,性能：,综合性能（强韧）（热）硬，强,应用：,工程或制造结构 各种工具,4.1 概述,一.按用途分类,刃具钢,应用：,用于刃具，如车刀，刨刀，丝锥，锉刀，锯条,性能要求：,要求高硬度，高耐磨性，一定韧性和塑性，有时需要热硬性。,钢种：,T7-T12,；,W，V，Cr,Cr2,CrWMn,9Mn2V,CrW5,W18Cr4V,。,模具钢,热作模具钢,要求高温下的硬度和强度，抗热疲劳和良好的韧性。如锤锻模，挤压模，压铸模。,5,CrNiMo,(,5,CrMnMo,),3Cr2W8V,冷作模具钢,高硬度，耐磨性和一定的韧性。如冲切模，搓丝模，拉丝，剪刀片。,T8-T12,Cr12V,Cr12MoV,量具钢,要求高硬度，高耐磨性和尺寸稳定性如量规，样板，卡尺。,二.按成分分类,1）碳素工具钢,2）低合金工具钢,3）高合金工具钢（高速钢）,注意：,同一种钢种有时既可作刃具钢又可作模具钢或量具钢。,三.基本性能要求,使用性能,硬度与耐磨性，热硬性，强度,韧塑性,热疲劳性能,工艺性能,淬透性，变形与开裂倾向,氧化与脱,C,敏感性,切削加工性，磨削性,4.2 碳素及低合金工具钢,一.碳素工具钢,成分,：,中高,C,钢，0.65-1.35%,组织,：,高,C,回火马氏体+细粒状,K,，HRC58-64,。,牌号,：,T7T13,高牌号者,硬度高,耐磨性好,但韧性较低；,低牌号者，硬度较低，但韧性较好。,可选择不同场合具体运用。,热处理,球化退火+淬火与低温回火,性能,成本低，冷热性能较好，热处理简单，应用范围较宽。,不足处,1）淬透性低,盐水中淬火,变形开裂倾向大。,2）组织稳定性差,热硬性低,工作温度小于200。,应用,：,制作工件尺寸较小、受热温度不高、形状简单、不受较大冲击的工具如 低速切削的刃具和简单的冷冲模。,二.低合金工具钢,加入合金元素：,如,Si,Mn,Cr,W,Mo,V,合金元素作用：,提高耐磨性；高淬透性，淬火变形小，回火稳定性好；细化晶粒,提高韧性；增大热硬性。,钢种：,Cr06,Cr,Cr2,9Cr2,9SiCr,8MnSi,CrMn,CrWMn,CrW5,W,V,不足：,热硬性差,难以满足高速切削的需要。,High Speed Tool Steel,4.3 高速工具钢,一,.,高速钢概述,用途,：适用于高速切削刀具，也可制作高温工作的弹簧、轴承和模具。,特点：,合金度高，高热硬性（刃部在650时实际硬度仍高于,HRC50,）,主要性能,：高硬度，高热硬性，高耐磨性，高强度和一定的韧性,成分,：,C,W,Mo,Cr,V,Co,Nb,Al,Si,。,高速钢的分类,W,系,W18Cr4V,W、Mo,系,W6Mo5Cr4V2,Mo,系,Mo8Cr4VW,高,C,高,V,含,Co,高,V,通用型,高速钢,特殊高性能高速钢,钢 号,C,W,Mo,V,Cr,Co,W18Cr4V,0.80,18.00,0.30,1.00,4.00,W6Mo5Cr4V2,0.90,6.00,5.00,2.00,4.00,W12Cr4V4Mo,1.30,12.00,1.00,4.00,4.00,W6Mo5Cr4V2Co8,0.80,6.00,5.00,2.00,4.00,8.00,W6Mo5Cr4V3,1.20,6.50,5.00,3.00,4.00,W7Mo4Cr4V2Co5,1.10,6.75,3.75,2.00,4.25,5.00,W2Mo9Cr4VCo8,1.10,1.70,9.50,1.15,3.75,8.00,表 主要高速钢的平均化学成分（%）,二.高速钢中的组成相,高速钢的平衡组织：,合金,F,和合金,K,常加入合金元素：,W，Mo,Cr,V,可形成的合金碳化物：,M,6,C,型：,W,Mo,的,K，,溶解,Cr,V,Co,M,23,C,6,型:,(,Cr,Fe,Mo,W,V),23,C,6,MC,型：,V,的,K,溶解少量,W,Mo,Cr,在热处理过程中还存在,M,2,C,型,K：,W,Mo,的,K：W,2,C,Mo,2,C,三.高速钢的铸态组织,高合金莱氏体钢,平衡结晶过程为：,L,(,高温,),1400，包晶反应,L+,1345，包共晶反应,L+K,1330-1300，,L+K,共晶反应,碳化物呈鱼骨状，骨络之间为,870-800，包析反应,+K,800，共析反应,+K,Fe-W-Cr-C,系的变温截面,平衡状态组织：,合金,+,合金,K,K：,M,6,C，M,23,C,6,，MC,，Fe,3,C,少或无。,铸态组织,鱼骨状,Le+,黑色与白色组织,凝固过程,包晶反应不能进行完毕，部分,相被保留：,1）共析分解,+M,6,C，,随后,+K,（,T，,屈氏体）。这种转变产物金相形态呈黑色称为“黑色组织”,。,2）,共析反应被抑制而过冷到低温，转变为,M,和,Ar,，,形成“白亮组织”,四.碳化物的不均匀性与改善途径,碳化物的均匀分布程度是考核高速钢的主要技术质量指标之一。,粗大的共晶碳化物 碎化 颗粒状,K,危害：,热处理后刃具的硬度、热硬性、耐磨性、抗弯强度、韧性指标因碳化物不均匀而降低。,W18Cr4V,的铸态组织,W6Mo5Cr4V2,的铸态组织,改善碳化物不均匀性的措施,1）采用小锭型，或扁锭，加快凝固，减少集中偏析和使莱氏体共晶细小；,2）增大钢锭锻压比，反复拉拔和镦粗；,3）大尺寸钢材可采用电渣重熔钢液在水冷结晶器中径向结晶，莱氏体共晶细小；,4）粉末冶金方法,。,五.高速钢的热处理,（球化）退火,+,淬火与回火,（球化）退火,组织：,粒状,P（S）,+,K,K（vol,）%：,约为30（,W18Cr4V,钢）,其中，,M,6,C,：16-19,M,23,C,6,：9,MC,：1.5%-2%,图3,W18Cr4V,钢的淬火回火工艺图,高温,淬火,12701280,分级,淬火,580620,350400,温度,分级预热,约820,约550,高温多次回火,560,1h,3,次,时间,W18Cr4V,钢,W18Cr4V,热处理工艺特点：,1.一次或两次预热（往往采用）,高合金的高速钢导热性差，为防止工件加热时变形，开裂和缩短加热的保温时间以减少脱碳。,2.淬火温度高,为使奥氏体中合金度含量较高，应尽可能提高淬火温度至晶界熔化温度偏下（晶粒仍然很细，8-9级）。,目标：,淬火后获得高合金的,M,组织，具有很高抗回火稳定性；,在高温回火时析出弥散的合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。,图4,W18Cr4V,钢奥氏体成分与淬火温度的关系,M,23,C,6,：,900开始溶解，1090全部溶解；,M,6,C：1037,开始溶解，1250以上溶解量逐惭减小；,MC：1100,开始溶解，溶解速度比,M,6,C,缓慢。,1280时，奥氏体中：,0.5%C,78%W,4%Cr,0.60.8%V,K,总量为910%：,其中，,M,6,C 7.5%9%,MC 11.5%,3.可采用分级淬火,一般采用油淬空冷，淬火后组织为：,M,+,2025%,Ar,+,910%,未熔,K,为了减少工件变形，采用一次或多次分级淬火。,对于大型复杂刃具，细长件和薄片件采用等温淬火，以减少变形并提高韧性（贝氏体组织）。,4.回火温度高，回火次数多,回火目的：,是从马氏体中析出弥散,M,2,C,和,MC,，产生强烈二次硬化效应，同时消除残余奥氏体和组织应力。,回火温度高：,为了提高二次硬化效果。,回火次数多：,一方面，增强二次硬化效果；,另一方面，（主要）是为了利用二次淬火来降低残余奥氏体含量，也间接地提高了性能。,图5,W18Cr4V,钢回火时硬度变化,进一步提高高速钢的性能,采用表面强化方法，通过化学热处理或在刃具表面覆层：,1）表面氮化（如辉光离子氮化、气体软,N,化）、硫氮共渗或 硫氮硼等多元共渗、蒸气处理等；,2）,PVD,法在工件表面沉积,TiC,或,TiN,覆层，具有高硬度、高耐磨性、抗粘着性和抗咬合性，显著提高工件使用寿命,。,六.合金元素的作用,碳化物的变化是高速钢性能的晴雨表,它决定高速钢热硬性的好坏。,C:,0.701.65%,除0.5%固溶在,M,中,大部分,C,与,W,Mo,V,Nb,Cr,形成,K,。,W,或,Mo,主要是提高热硬性；,比较:,Mo,系高速钢共晶碳化物为细鸟巢状，减少了,K,的不均匀性；抗弯强度和冲击韧性较高；磨削性能好。,Mo,2,C,比,W,2,C,析出温度较低，易长大，热硬性不如,W,系;高温下容易脱,C,。,现常选用,W-Mo,系,V,提高钢的耐磨性和钢的热硬性；,Cr,主要起提高钢的淬透性；可提高钢的回火稳定性和抗氧化性。,Co,主要是提高钢的热硬性,；但降低韧性，增加脱,C,倾向。有5%、8%、12%三个级别：,1）绝大部分溶于固溶体，使钢熔点升高，有利于提高热硬性;,2）使,W,、,Mo,较多在基体中,提高抗回火稳定性（延缓,K,析出，保持亚结构）,加入,Si,Al,Ti,Nb,N,B,N,：,0.05-0.10%于高,C,超硬高速钢中，,可提高热硬性(常与,Al,配合加入)。,RE：,可明显改善其在900-1150之间的热塑性。,Si,:,提高抗氧化性能。,4.4 冷作模具钢,一.概述,冷作模具钢是用来制作使金属冷变形的模具，如冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁拉丝等模具。,具有高硬度和耐磨性，一定韧性。,常用两类,1）中小型模具,如,T12、Mn2V、Cr2、CrWMn,等。,2）大型模具,高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高碳中铬钢、低,C,高速钢 或基体钢。,如：,Cr12,Cr12MoV,（,高碳高铬钢）,Cr6WV,Cr4W2MoV,Cr5Mo1V,（,高碳中铬钢,）,6W6Mo5Cr4V2;,5,Cr4W3Mo2VNb,（,低,C,高速钢,）,50,Cr4Mo3W2V，60Cr4Mo3Ni2WV,（,基体钢）,二.高铬和中铬模具钢,Cr12,及,Cr12MoV,高,C,亚共晶莱氏体钢，,Cr,7,C,3,型，,HV2100，,具有高淬透性。,可用两种热处理工艺：,1）低温淬火和低温回火,M+Ar,(,少),，,HRC 61-63；,2）高温淬火与高温回火，,M+Ar,(,多），多次回火，提高硬度。,三.新型冷作模具钢,1.高韧性、高耐磨性模具钢,8,Cr8Mo2VSi、Cr8Mo2V2WSi,等。,2.粉末冶金冷作模具钢,用水雾化法将钢水雾化成细小钢粉末，通过快速凝固，每颗粉末中的高合金莱氏体得到细化，显著改善烧结后钢的韧性。可以生产用传统冶金方法难以生产的高碳高合金冷作模具钢。使钢中含有更多的硬质碳化物,VC，,具有更高的耐磨性。,4.5 热作模具钢,金属的热成型有两种途径,锤锻、挤压；,压铸,工作条件对热作模具钢提出的要求,高温硬度、高温强度、高抗热塑性变形能力、高韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性。,一.锤锻模钢,锤锻模具钢的组织应是中碳（0.5%,C）,回火索氏体,5,CrMnMo,，,5,CrNiMo,，,830-850,淬火，,520-580,回火,5,CrSiMnMoV,5,SiMnMoV,3,Cr2MoWVNi,，45,Cr2NiMoSiV,二.挤压及压铸模具钢,目前采用中铬中加入,Mo,W,V,Si,等，如以下钢种：,3,Cr2W8,4Cr5Mo2VSi,700时屈服强度320,MPa,。,1020-1050,淬火，620-650回火，,HRC45；,580-600,回火，,HRC48-50。,组织为回火,M+K。,3Cr3Mo3VNb,4Cr5MoVSi,等。,