工模具用钢讲义

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1、第5章 工模具用钢,按其用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 刃具钢可分为碳素钢、低合金工具钢和高速工具钢。 模具钢根据工作状态可分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢。 量具钢用来制作量规、卡尺、样板等用来测量工件尺寸和形状.,5.1 概述 1、工具钢成分与性能特点,主要 矛盾,韧度和耐磨性间的合理平衡基体成 分和K的性质、数量、形态和分布。,成分 组织,一般含 0.61.3%C M+足够数量K 。M硬 度高、切断抗力较高、耐磨性好。 什么 M ? Cr、W、Mo、V等:耐磨性和热稳定性, 淬透性 ； Mn、Si辅助加入:淬透性，回稳性 第二相K 球状、细小、均匀分布。,工艺 特点,锻造 球化

2、退火不完全淬火 淬火工艺参数要求严格。,变形 开裂 倾向,工艺 措施,热 应 力,组织应力,变形,开裂,分级加热、分级淬火、等温 淬火、双液淬火;零件设计与其 他工艺措施等,2、工具钢基本性能及检测方法,强度 塑性,静弯或扭转试验弯曲强度、 挠度和扭转强度、扭转角；,韧度,硬度,热稳 定性,一般采用无缺口冲击试样,一般硬度60HRC以上，K可适 当硬度23HRC,对高速钢，通常就是红硬性,淬透 性,断口法碳素工具钢和低合金工具钢； 端淬法合金工具钢，以端淬曲线上 60HRC处距水冷端距离表示。 淬透性作用强弱顺序： Si、Mn、Mo、Cr、Ni,Me淬透性,只有溶入A中，才起作用； Me作用随

3、钢中含碳量而变化，如Si。 工具钢淬透性随热处理条件而变化,如V,注意点,Si对不同含C量钢的淬透性影响,V在不同淬火温度时对淬透性的影响,5.2 碳素钢及低合金工具钢,1、碳素工具钢 T7T13做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬 透性低，断面尺寸小于15mm的工具。,T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等； T8易过热，制造形状简单的木工工具等； T10、T12耐磨性较好，强度高，但韧度低，制造不 受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等,淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火. 成本低、工艺性能好、用量大。,2、低合金工具钢,淬火 工艺,T淬为Ac1 +3050 油冷， 熔盐

4、分级淬火， 等温淬火(B等温淬火),一般 组织,含碳量0.50.6的M+未溶粒状K,合金 化,Cr、Si、W、Mo、Mn 、V等元素， 耐磨性和回稳性，淬透性采用 缓冷方式，变形开裂,Cr: 1%左右，细化K，均匀分布； 淬透性; Mn: 主要淬透性; Si: 低温回稳性，Si强化F,切削加工性, 脱碳敏感性，不单独加入； W: 0.51.5%，W含量太多K类型转变， 且使K分布不均匀，恶化性能。 V: 过热敏感性,细化晶粒, 回稳性,合金元素具体作用,9SiCr：, Si / Cr淬透性，D油60HRC； K细小、均 匀不容易崩刃； 分级淬火或等温淬火处理，变形较小； Si使钢的脱碳倾向较大

5、。,适于制作形状较复杂、变形要求小工件，特别 是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。,CrWMn：, Cr、W、Mn复合，淬透性，D油 =5070mm； AR在1820%，淬火后变形小； 含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒 细小高硬度、高耐磨性； 回稳性较好，250回火，60HRC； W使碳化物易形成网状。,适于制作要求变形小、耐磨性高的工件，如拉刀 等，也可做量具及形状较复杂的高精度冲模。,9 CrWMn,1898年就有含W钢，1910年生产了W18Cr4V。近几十年来，高速钢的产量、品种和质量都有了很大的发展。 按照其成分和性能特点可分为以下几类：, 钨系高速钢：典型牌号18-4-1，美M1

6、，俄P18。 钨钼系高速钢：如6-5-4-2，美M2 ，目前应用普遍。 含钴高速钢：如W18Cr4VCo5, 红硬性高。 超硬高速钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al。具有 6570HRC高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢低。 钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其它类型称为 特殊用途高速钢或高性能高速钢。,5.3 高速钢,上左:直、锥柄加长麻花钻 上右:整体硬质合金钻头铣 刀、铰刀、复合刀具及 非标准刀具 下右:各种合金车刀,对焊高速钢锥柄钻头,高速钢,45钢,高速钢直柄麻花钻,一、 高速钢中合金元素的作用,C,定比碳经验规律设计 最大二次硬化效应 C%0.033%W + 0.063%Mo

7、 + 0.20%V + 0.060%Cr 合金元素之间的相对控制法.必须解决成分-性能间 数学模型,控制参数的数值范围.,一般高速钢含C量0.71.3%(质量分数),作用 规律,C: 硬度,但熔点,易过热; K量, 不均匀 性; AR 回火次数;,V,V 显著红硬性、硬度和耐磨性，细化晶 粒，过热敏感性。以VC存在.,W Mo,钨是钢获得红硬性的主要元素。M6C型K， 回火时析出W2C；W热导率钢导热性差 钼和钨相似， 1Mo可取代1.52.0W,Cr,Cr 加热时全溶，保证钢淬透性 ，4Cr 。 改善抗氧化能力、切削能力,Co,Co 可显著提高钢的红硬性， 5、8和12三 个级别。 但钢韧性

8、、 钢脱碳倾向,微量 元素,微量氮增加硬度和热硬性，一般0.10。 稀土可明显改善热塑性,硫在晶界的偏聚,二、高速钢中的碳化物,铸态 组织,淬火 态,鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织 （共析体等）和白亮组织（M+AR）,加热时，K溶解顺序为： M7C3M23C6型在1000左右溶解完 M6C型在1200时部分溶解 MC型比 较稳定，在1200时开始少量溶解。,回火 态,主要为M6C(淬火残留)、MC(回火时析 出和淬火残留)、M2C (回火析出)等K.,高速钢的铸态组织 (400X),K不均匀性 结果,各向异性； 形变时易应力集中开裂； 热处理工艺性变坏,关键是 必须经 过正确 的锻造,控制终锻

9、温度； 用合适的锻压比； 锻造时先轻锤快打， 后重锤锻打； 锻后要缓慢冷却； 锻后进行退火。,三、高速钢的热处理,三、高速钢的热处理,预热: 高速钢工具一般在高温盐浴炉中加热，速 度较快，常采用一次或多次预热 为什么？ 预热有什么作用 ？,高速钢导热性差,加热温度又高,预热 淬火加热过程中的变形开裂倾向； 缩短高温保温时间，减少氧化脱碳； 准确地控制炉温稳定性。 可采用一次预热和二次预热。,思考题: 高速钢Ac1 在820840范围，但其淬火加热温度必须在Ac1 + 400以上, 为什么？,两种高速钢基体合金含量与奥氏体化温度的关系,过热,过烧,欠热,T 淬过高，晶粒长大，K溶解过多，K发生角

10、状化；奥氏体中合金度过高，冷却时易在晶界上析出网状K。,温度再高 晶界熔化 铸态组织特征，主要为鱼骨状共晶莱氏体及黑色组织。,淬火温度较低，大量K未溶, 且晶粒特别细小。,淬火温度：精确控制,可以从金相组织上初步判断工艺因素,W18Cr4V高速钢不同淬火温度下的组织特征,正常淬火组织(400X),欠热组织(400X),过热组织(400X),过烧组织(200X),确定淬火温度时，还需要考虑下列因素：,（1）不同工作条件，淬火温度应有所区别 如车刀高硬度和红硬性采用较高T淬 ； 中心钻 强韧度好采用较低的T淬 .,（2）形状、尺寸不同，T淬有不同 形状复杂（如锯片、细长拉刀等）和厚薄 悬殊刀具（如

11、三面刃铣刀等） 较低T淬。 形状简单的工具可采用较高T淬。 尺寸较小和尺寸很大的刀具较低T淬；,（3）原材料级别也有影响 K不均匀性大的原材料 低的T淬。 一般情况，过热和过烧的危害比欠热要大,确定保温时间基本原则： 一定量K溶入奥氏体，而晶粒不长大。对 于一定的T淬，有一个合适的保温时间。,淬火冷却：冷却很重要，方式也很多，可根 据工具不同情况进行选择。,分级 淬火,常用一次分级或多次分级方法。? 80%高速钢工具是采用一次分级淬火，分级温度常在600左右，停留时间严格控制，一般15min。多次分级适用于形状特殊、极易变形的工具。,等温 淬火,采用贝氏体等温淬火可工具的强度、韧度和切削性能。

12、 中心钻及仪表刀具等在使用中发生断头、崩刃等现象.,思考题: 高速钢在分级淬火时，为什么不宜在950675温度范围停留过长的时间?,W18Cr4V钢在1300奥氏体化后过冷奥氏体等温转变曲线,回火：高速钢一般需要在560左右三次回火,淬火态,M + 大约30%AR + K,回火,M回 + M + 10%AR + K1,回火,回火,M回 + M + 少量AR + K2,M回 + AR （少量） + K3,（ K1 等以示区别）,W18Cr4V高速钢回火次数与残余奥氏体量（a）和性能（b）的关系,W18Cr4V钢回火一次金相组织 （400X）,W18Cr4V钢回火三次的金相组织 （400X）,5.

13、4 冷作模具钢,金属在冷 态下变形,拉延、冲压、冷鐓或 冷挤成形等,共同 特点,工作T不高，模具主要承受高压 力或冲击力，有强烈的摩擦,主要技术要求为具有高硬度 和耐磨性，有一定韧性,技术 要求,一、低合金工具钢 常用低合金工具钢有9Mn2V 、CrWMn 、GCr15、9SiCr等。 和碳素工具钢相比，这类钢的淬透性比较高，热处理变形较小，耐磨性也较好，所以可制造工具尺寸较大、形状比较复杂、精度要求相对较高的模具。,9Mn2V特点：,Mn淬透性，D油= 30mm； Mn MS，AR约2022%，变形小； V能克服Mn缺点,过热敏感性，细化晶粒； 硬度稍低，回稳性较差 200以下回火； VC使

14、钢的磨削性能变差。 各种类型的中小冷作模具都可采用。,二、高铬和中铬模具钢 1、高碳高铬模具钢 主要有Cr12、Cr12MoV钢。 Cr12MoV钢具有高淬透性，截面200300mm 以下可以完全淬透。Cr12MoV钢主要制造大 尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经 有“冷作模具王牌”之称。 成分特点： 高碳（1.4%-2.3%）；高Cr（11.5%-13%） 合金元素特点： Cr： 淬透性，Mo，V： 耐磨性，细化晶粒,Cr12型钢的热处理,Cr12型钢的淬火,组织变化特点一： 选择T淬和回火温度来控制工具的变形。,调节淬火温度： T淬 AR 体积V 一定程度可 抵消M转变所引起的胀大；

15、,调节回火温度： 450，AR转变为M 体积,组织变化特点二：,随T淬升高，K溶解量增加，奥氏体合金 度增加，淬火后残余奥氏体增加，硬度下 降。淬火温度的波动可引起组织和性能的较 大变化。,一次 硬化法,低淬和低回晶粒细小，强韧性好。 9801030淬火150170回火，硬度 为6163HRC，残奥量少。12左右未溶 （Cr，Fe）7C3碳化物。 一次硬化法使用较普遍,二次 硬化法,1050l100500左右多次回火，硬 度回升到6062HRC。热硬性较好，强韧 性较低。二次硬化法适合于工作温度比 较高（400500）且受载荷不大或淬火 后表面需要氧化处理的模具。,Cr12MoV钢二次硬化处理,2、高碳中铬模具钢,Cr5Mo1V （美A2）是值得推广的空冷淬硬冷作 模具钢，是国际上通用的钢种。100mm以下可 空冷淬硬，适用于形状复杂、要求热处理变形小又 需要好的耐磨性和良好韧度的冷作模具，如下料模、 成形模、冲头、剪刀片等。,典型钢号：Cr4W2MoV和Cr5Mo1V。 K以M7C3型为主，分布较均匀，具有耐磨性好和热 处理变形小的特点，适于制造既要求有高的耐磨性， 又具有一定韧度的模具。,5.5 热作模具钢,使热或液态金属获得所需形状,模具是在反复受热和冷却条件下工作.模具