第7章工具钢剖析.

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1、第7章 工 具 钢,7.1 刃具钢 7.2 模具钢 7.3 量具钢,工具钢：用于制造各种加工工具的钢种 。,车刀,高速铣刀,车削加工,铣削加工,按用途分类,碳素工具钢材料,低合金工具钢制品,高速钢铣刀,7.1 刃具钢 7.1.1 刃具钢的服役条件和性能要求 服役条件： 刃具钢在切削过程中承受弯曲、剪切、冲击、扭转、震动、摩擦等力的作用，产生热量，使得刀刃温度高达600，要求刃具钢具有高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韧性。有的还要求高的红硬性（在高温下保持高硬度的能力）。,1. 高硬度 (HRC60)，主要取决于含碳量。 2. 高耐磨性，靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。 3. 足够的韧性，以

2、防止脆断和崩刃。 4 . 高红硬性，即钢在高温下（500600）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。,性能要求：,W(C):0.651.35，经不完全淬火和低温回火，硬度在HRC5864之间； 2）作低速切削的刃具，工作温度200 ； 3）淬透性差，易淬火变形或开裂； 4）成本低，加工性能好。,7.1.2 碳素工具钢（T7-T13）,碳素工具钢的特点,1）碳素工具钢须经球化退火（预先热处理）以降低硬 度便于切削加工、并为淬火作组织准备； 若锻造组织不良（如网状碳化物），则应在球化退火 之前先进行正火处理，以消除网状碳化物。,碳素工具钢的热处理,正火 + 球化退火

3、 + 淬火 + 低温回火,2）最终热处理为淬火低温回火（回火温度一般为180 200），正常组织为回火马氏体细粒状渗碳体及少 量残余奥氏体。,碳素工具钢的用途 由于碳素工具钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。 T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。,T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。 T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。,在碳素工具钢基础上添加Si、Mn、Cr、W、Mo、V 等合金元素（总含量5），以提高工具钢的综合性能。,7.1.3 低合金刃具钢,低合金工具钢扳手,1）高碳：0.751.5%C，保证足够的碳化物存在；,

4、成分特点,2）合金元素的作用： 主要添加Cr、Mn、Si等，提高钢的淬透性（如Cr、 Mn、Si）和回火稳定性（如Si），可用油淬代替盐 浴淬火，减少变形开裂； 次要元素W、V的添加，可在淬火加热时，形成合金 渗碳体（较稳定），阻碍奥氏体晶粒长大，改善钢 的韧性(如W、V)。,由于添加的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250。 因此这类钢仍然属于低速切削刃具钢，其热处理工艺如下表所示。,低合金刃具钢的热处理,同于碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。,最终热处理的正常组织为回火马氏体细粒状

5、合金渗碳体+少量残余奥氏体。,7.1.4 高速钢,高速钢铣刀,在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600以上，低合金钢刃具已不能满足这种要求。因此，就必须选用高速钢，它在650时，仍能使硬度保持HRC50以上，从而保证其切削性能和耐磨性。 高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢增加13倍，而耐用性增加714倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。,根据钢中的化学成分，高速钢可分为钨系高速钢、钼系高速钢和钨钼系高速钢。其中钨系的W18Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2是应用最普遍的，属于通用型高速钢。,性能特点,1）高的热硬性：它可使刀具在高速切削时，刃部温度上 升到600，

6、其硬度仍然维持在5560HRC以上； 2）高硬度和高耐磨性：使切削时刀刃保持锋利（故也称 “锋钢”）； 3）淬透性优良：在空气中冷却也可得到马氏体。广泛用 于尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速 切削刀具。,成分特点,1）C0.70%1.65%：强化基体并形成各种碳化物来保证钢的硬度、耐磨性和热硬性，w(C)=0.033w(W)+ 0.063w(Mo)+ 0.20w(V)+ 0.060w(Cr)； 2）Cr4.0%左右：提高淬透性和回火稳定性，增加钢的抗氧化、耐蚀性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用； 3）W、Mo：产生二次硬化保证钢的热硬性，也有提高淬透性和热稳定性、并进一步改善钢的

7、硬度和耐磨性的作用 4）V：形成细小稳定的VC来细化晶粒，同时也有加强热硬性、进一步提高硬度和耐磨性的作用；,5）Co、Al：是超硬高速钢中的非碳化物形成元素，能进一步提高钢的热硬性和耐磨性。 6）其他微量元素：稀土元素可降低S在晶界的偏聚，明显改善热塑性。,高速钢的锻造,高速钢中大量合金元素的存在使其铸态组织含有大量共晶莱氏体，有大量的不均匀分布的粗大的鱼骨状共晶碳化物，难于通过热处理来改善，故要求进行反复的锻造以改善碳化物的形态与分布。,W18Cr4V钢的铸态组织,其锻造要点有： “两轻一重”即开始锻造和终止锻造时要轻锻，中间温度范围要重锻； “两均匀” 即锻造过程中温度和变形量的均匀性；

8、 “反复多向锻造”等 。,高速车削,高速钢在空气中冷却即可进行马氏体转变，所以锻造以后，钢坯应缓慢冷却，以防止产生过高的应力导致开裂。,高速钢的热处理,球化退火(预先热处理降低硬度207255HB) （机械加工） 淬火 冷处理(80左右)减少残余奥氏体 高温回火(550570高温回火24次),1、退火：高速钢经煅轧后，钢材需退火处理。,由于在860870退火时，大部分碳化物未溶解进入 奥氏体，此时奥氏体中合金元素的含量不多，冷却时易转 化为粒状P和剩余碳化物。,500 W18cr4V球化退火后的组织,2、淬火,淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金浓度越高。只有合金含

9、量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时弥散析出合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和红硬性。,高速钢中的合金碳化物M6C、M23C6和MC比较稳定，必须在高温下将其溶解。 M23C6稳定性最差，在900大量溶解，1090溶解完毕； M6C在1037以上开始溶解，1250以上溶解量逐渐减小； MC在1100以上逐渐溶解，溶解速度比M6C缓慢。 由图可知，在1280淬火温度下，18-4-1钢奥氏体中合金元素的质量分数，Cr基本溶解，W溶解7-8%，V溶解0.5-1.0%。,温度超过1300时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至在晶界处发生溶化现象。使淬火钢的韧性大大

10、下降。所以，1280作为淬火温度。,高速钢的淬火温度在12001300左右，一般用油淬空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火。,高速钢淬火后的正常显微组织是：马氏体碳化物残余奥氏体(30%左右) 。,3、回火：目的是从马氏体中析出M2C和MC弥散碳化物，产生次生硬化效应和消除残余奥氏体和淬火内应力。,三次回火工艺，以保证完全消除残余奥氏体以及新 产生马氏体引起的内应力。,W18Cr4V在560回火时，W2C、Mo2C和VC等碳化物的析出产生二次硬化效应，硬度达到最大值。,高速钢的表面强化处理,表面强化处理可有效地提高高速钢刀具的切削效率和寿命，因而受到了普遍重视和广泛的应用。可进行的表面强化处理

11、方法很多，常见的主要有： 1）表面化学热处理（如渗氮） 2）表面气相沉积(化学、物理气相沉积TiN涂层) 2）激光表面处理 (刀具寿命可提高百分几十到几倍甚至十倍以上),7.2 模 具 钢,模具是用于进行压力加工的工具，根据其工作条件及用途不同，常分为冷作模具、热作模具和成形模具（其中主要是塑料模）等三大类。,汽车冲压模具,工作条件和性能要求,1）工作温度200300； 2）模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用； 3）模具应具有高硬度、高耐磨性、高强度和足够韧性； 4）冷作模具对淬透性、耐磨性尤其对韧性要求较高。,7.2.1 冷作模具钢,冷冲压件,因此，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏 体状

12、态下使用。,1）碳素工具钢(T10、T10A) 尺寸较小的冷作模具钢 2）低合金工具钢(9SiCr、9Mn2V) 中小尺寸模具钢 3）中、高铬模具钢(Cr12、Cr12MoV) 尺寸大、形状复杂、精度高的重载模具 4）高速钢类模具钢(W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V) 冷、热模具钢均可,常用的冷作模具钢,Cr12钢,冷作模具钢的制作工艺(Cr12、Cr12MoV),下料 锻造 退火 机械加工 淬火 回火 精磨 成品,热处理工艺： （）预备热处理：球化退火 目的：消除应力，降低硬度以便于切削加工。退火硬度为(207255) 组织：球状珠光体+均匀分布碳化物 （）最终热处理：淬火+低温回

13、火 组织：M回弥散粒状碳化物少量A残。 除此之外，高速钢由于其优异的工艺和使用性能，也是很好的高档冷作模具用钢,工作条件和性能要求,1）工作温度高（热锻模：300400；热挤压模：500 800，甚至近1000）； 2）模具在交替加热冷却的温度循环中产生交变热应力， 常出现变形、磨损、开裂和热疲劳等失效形式； 3）模具应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损 抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。,7.2.2 热作模具钢,常用热作模具钢,含碳量：(0.30.6)%，保证了淬火高温回火后钢材的硬度和韧性；常加入Cr、Ni、Mn、Mo、Si 、W等合金元素。,型板压铸模,压铸工艺,热作模具钢的制作工艺

14、（4Cr5MoSiV1）,下料 锻造 退火 机械加工 淬火 回火 精加工,最终热处理为：淬火+高温（或中温）回火 组织：回火索氏体（或回火屈氏体），具有良好的综合机械性能及热疲劳抗力。,注意：回火温度应稍高于模面工作温度,7.3 量具钢,由于量具使用中常与工件的摩擦与碰撞，且本身须具备极高的尺寸精度和稳定性。 1）高硬度（5864HRC）和高耐磨性。 2）高的尺寸稳定性（要求组织稳定性高）。 3）一定的韧性和特殊环境下的耐蚀性。,矩形花键环规、塞规,光面量规,化学成分特点和热处理特点,碳含量：0.901.50%；合金元素：Cr、W、Mn,1）淬火加热时进行预热，以减小变形，这对形状复杂的量具更

15、为重要。 2）在保证力学性能的前提下降低淬火温度，尽量采用等温淬火或分级淬火工艺，减少残余奥氏体的生成。 3）淬火后立即进行冷处理(-80)减小残余奥氏体量，延长回火时间，回火或磨削之后进行长时间的低温时效处理等。,例CrWMn制作块规的工艺路线： 锻造球化退火机加工淬火冷处理回火粗磨低温时效精磨去应力回火研磨,时效处理：120130，保温几几十小时，使M、 A 残稳定，消除内应力。 最终组织 回火M + 碳化物 + 少量A 残,淬火回火工艺,（h）,9601050,800830,250275,油淬,空冷,回火,5860 HRC,11001150,510520回火三次,6062 HRC,Cr12MoV的淬火回火工艺,