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1、第4章 工模具用钢,适宜于制造刃具、模具和量具等各式工具用的钢。,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。 5CrNiMo (5CrMnMo), 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
2、具钢 要求高硬度，高耐磨性和尺寸稳定性如量规，样板，卡尺。,模锻 ：模型锻造是金属在外力作用下产生塑性变形并充满模膛而获得锻件的方法。,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、工具钢的基本性能要求,1、力学性能（1）刃具钢 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。 红硬性：在高温下保持高硬度的能力。（2）热作模具钢 高温下具有一定的强度和硬度、抗热疲劳性和良好的韧性。（3）冷作模具钢 高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韧性。（4）量具钢 高硬度、高耐磨性和良好的尺寸稳定性。,三、
3、工具钢的基本性能要求,2、工艺性能（1）一定的淬透性 （2）变形与开裂倾向小 对于一些精度要求较高的工具，特别需要注意变形的问题。 为了减小变形，可以采取以下措施： 采用分级加热、分级或等温淬火、淬火前预冷以及使用冷却速度缓慢的介质。 减少钢中碳化物的偏析。 淬火前预先进行一次600700（13小时）的高温回火，以消除加工应力，亦可减少淬火后的变形。 淬火加热时，防止零件过热，过热会引起晶粒粗大和强度降低，淬火时工具容易开裂。,三、工具钢的基本性能要求,（3）降低脱碳敏感性 工具钢表面稍有脱碳就会对其性能产生不良影响，首先是使其表面硬度降低，减少耐磨性。 工具钢的脱碳敏感性和钢的化学成分、加热
4、温度和加热介质有关。在合金元素中硅和钼含量超过1时会加重脱碳敏感性。,工具钢基本性能检测方法,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,4.2 刃具钢,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
5、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 为弥补碳素钢不足而加入合金元素,1、合金元素的作用 （1）铬Cr是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，增加淬透性。阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大，提高了马氏体的分解温度，从而有效地提高了钢的回火抗力。Cr还能防止Si的石墨化倾向。,1、合金元素的作用,（2）硅增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。Si是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时引起脱碳和促
6、进石墨化，必须同时添加W、Cr、Mn等，减少钢的脱碳倾向。（3）锰 提高钢的淬透性，但Mn增加钢的过热倾向。,4.2 刃具钢,1、合金元素的作用,（4）钨 W在工具钢中形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化，有利于提高钢的耐磨性。 （5）钒 V比其他元素更为有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性。,4.2 刃具钢,Cr: 1%左右，细化K，均匀分布； 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,2、锻造及
7、热处理,锻造：需多次锻粗和拔长，使碳化物分布均匀。低合金工具钢的热加工要求和碳素工具钢基本相同。 淬火：加热温度比碳工具钢稍高些，可用油、熔盐等较缓和的淬火介质。回火：160-200。,4.2 刃具钢,3、常用低合金工具钢的化学成分、力学性能和用途, 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。 （锋钢） 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,
8、 Si。,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,刃具钢之高速钢车刀、铣刀、钻头,对焊高速钢锥柄钻头,高速钢,45钢,高速钢直柄麻花钻,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,二、 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 + 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
9、.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; 和AK,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.,WMo,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、 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,表 主要高速钢的平均化学成分（%）,三、高
10、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.,三、高速钢的碳化物,所有的高速钢中，在退火状态下都含有M6C、M23C6。MC三种碳化物。18-4-1高速钢退火状态的碳化物总量约为30%左右，其中M6C型碳化物约占18%，M23C6型碳化物约占8%。MC型碳化物约占1%。在淬火状态下，只有M6C和MC。 在回火（
11、650）状态有M2C、MC析出。,4.2 刃具钢,M6C型碳化物 ：,典型的M6C型碳化物是Fe4W2C。其中Fe和W可以相互置换，形成Fe3W3C或Fe2W4C。 钢中含有的Cr、Mo、V可溶解在M6C中，Mo、V可置换W；Cr可置换Fe、W，这就使M6C稳定性不同。如Cr溶入M6C中，使M6C稳定性下降。M6C的硬度为73.5HRC77HRC。,4.2 刃具钢,M23C6型碳化物：,是以Cr、W、Mo为主并溶有铁等元素的碳化物（Cr、Fe、W、Mo、V）23C6。典型碳化物是Cr23C6，其稳定性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢的淬透性。,4.2 刃具钢,MC型碳化物：,是以V为
12、主的VC，也能溶解少量的W、Mo、Cr等元素。碳化物VC的稳定性最高，即使在淬火加热温度下，也不能全部溶解。VC的最高硬度可达8385HRC。在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢具有高的耐磨性。,4.2 刃具钢,M2C和M7C3型碳化物：,高速钢在回火过程中，当温度超过500时，自马氏体中析出W2C、Mo2C，引起钢的弥散硬化。当回火温度超过650时，则析出M6C及M7C3，它们容易聚集长大，使钢的硬度下降。,4.2 刃具钢,W18Cr4V的铸态组织,W6Mo5Cr4V2的铸态组织,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
13、制终锻温度； 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。 ?,四、高速钢的锻造和热处理,（1）锻造 高速钢的铸态组织很不均匀。大量不均匀分布的粗大碳化物，将造成强度及韧性的下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫正，必须借助于反复压力热加工(锻、轧)，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均匀分布在基体内。 高速钢在空气中冷却即可进行马氏体转变，所以锻造或轧制以后，钢坯应缓慢冷却，以防止产生过高的应力导致开裂。,（2）退火,高速钢锻造以后，必须进行球化退火，其目的不仅在于降低钢的硬度，以利切削加工，而且也为以后的淬火作组织上的准备。18-4-1钢的AC1
14、温度是820-860，故退火温度为860880。在该温度保温23h，大部分合金碳化物未溶入奥氏体中，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易于转变为粒状珠光体和剩余碳化物,4.2 刃具钢,（3）淬火,18-4-1钢的淬火温度是1280。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。只有合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时析出弥散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。三者中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。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%。,4.2 刃具钢,12601300 T 800850 500600 580620 550570 1h 油冷 一次 350400 分级 二次 三次回火 分级 时间t,
