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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
2、 球化退火不完全淬火 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
3、作用随钢中含碳量而变化，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，
4、 熔盐分级淬火， 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
5、较大。 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，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） 5.4 冷作模具钢 金属在冷 态
6、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使钢的磨削性能变差。
7、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； 调节回火温度： 4
8、50，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
9、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.模具受 热时间越长，受热程度就越严重. 许多模具还受到较大冲击力。工作条件苛刻 模具钢应具有高抗热塑性变形能力、高 韧性、高抗热
10、疲劳、良好的抗热烧蚀性 服役条件 技术 要求 钢碳含量质量分数一般在0.30.6%，还加 入Cr、Mo、W、Si、Mn、V等合金元素，以 提高钢的各种性能。 根据工作条件热作模具钢可分为三大类： 热锤锻模具钢，热挤压、热鐓锻及精锻模具钢 和压铸模用钢。 5.5 一、 热锤锻模钢 服役条件性能要求 1）反复冷、热 龟裂、热疲劳 热疲劳抗力A1， 硬度是有利的； 2）表层温度500, 冲击力大 热强性韧度高温回火； 消除回脆,整体性能好； 3）强烈摩擦磨损 模具高温耐磨性 4）模具尺寸比较大淬透性好，导热性好 2、成分特点 C：一般在0.450.60%，以保证一定硬度和冲击韧度。 Cr：一般1%左
11、右，淬透性，回稳性，改善AK； Ni：能 AK ，和Cr共同作用钢淬透性； Mn：主要代Ni，但Mn 过热敏感性和回火脆性。 Si：能强度、回稳性和耐热疲劳性，Si量1% 。 Mo、V：有效地细化晶粒，过热倾向，回稳性。 Mo（W）最重要的作用是钢的回火脆性. 所以， 不但热锤锻模钢都含有Mo元素，其他热作模具钢也都 用Mo（W）合金化。 使用最广泛的是5CrNiMo和5CrMnMo钢 。 3、工艺特点 硬度要求： 小型模硬度要求在40 44HRC，相对较高； 大型模硬度在3538HRC为宜，相对较低。 锻模模面：大中型模36 42HRC，较高； 锻模模尾：大中型模30 35HRC，较低。 思
12、考：锻模模面和模尾硬度不同，在工艺上有什么措施? 工艺要求： 注意保护模面和模尾，以避免脱碳。 加热要注意预热，450左右预热，升温速度 要慢, 50/h； 冷却要注意预冷，预冷到780左右，循环 油冷，冷至150200取出； 淬火后必须立即回火，绝对不允许冷至室 温。 思考：为什么? 热处理工艺：5CrNiMo5CrMnMo: T淬 830860; T回 450580 左图 强度和韧度与T回 的关系 右图 硬度与T回的关系 上图 锻模加热时 的保护 右图 盐浴中燕尾 部分的回火 二、热挤压模钢 和热锤锻模相比，热挤压模在工作时需要较 长时间与被变形加工的金属接触，其受热的温度 往往更高。热挤
13、压模还承受很大的应力和摩擦 力。 这类模具的尺寸一般都不大，比锤锻模要小。 热挤压模主要要求有高的热稳定性、较高的高温 强度、耐热疲劳性和高的耐磨性。有铬系、钨系 和钼系热模具钢三类。 铬系： 4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2SiV等常 用。淬透性较高，较高的强度和韧度，抗氧化性 较好。常用于制造尺寸不大的热锻模、钢及铜的 热挤压模、铝及铜合金的压铸模等。 3Cr2W8V钢使用最多，具有高的热稳定性、 耐磨性，但韧度和抗热疲劳性较差。国外已基 本停止，以H13代之。 钨系： 三、压铸模钢 压力铸造是在高的压力下，使液态 金属挤满型腔成型。在工作中模具反 复与炽热金属接触.
14、 要求压铸模具钢有高的耐热疲劳性、 较高的导热性、良好的耐磨性及耐蚀 性和一定的高温强度等 压铸模具钢的选择首先要根据浇注金属的温度 和浇注金属的种类来决定。 锌合金、铝合金、镁合金是低熔点的金属合金，可 以选择30CrMnSi、40Cr、5CrMnMo等低合金钢来制 造压铸模具。如压铸锌合金的模具可采用5CrMnMo 钢，也可使用40Cr调质钢. 压铸铝、镁合金的模具目前常选用3Cr2W8V、H13 和4Cr5MoSiV1钢 铜合金和黑色金属的熔点比较高采用难熔金属为基 的合金，如钼基合金、钨基合金等 5.6量具用钢 p基本性能： p量具，如卡尺，千分尺，块规等，是用来计 量工件尺寸的工具
15、p高的硬度和耐磨性（58HRC-64HRC） p组织稳定 p低的表面粗糙度 p耐蚀性 小 结 耐磨性与韧度的合理配合是工具钢的主要矛 盾。工具钢的合金化和热处理工艺基本上都是 围绕这主要矛盾进行优化设计的. 在工艺措施上，经常采用预热、预冷，淬火 常用等温、分级、双液淬火等方法，并且需要 及时回火。尽可能地降低淬火应力、减小变形 开裂倾向和稳定组织。 组织控制:在淬火加热时K的溶解量决定了 基体的含碳量和合金度，在回火过程中组织性 能主要取决于回火温度。K的形状、大小、数 量和均匀性对工具的性能有很大的影响 工具钢的锻造和预处理工艺非常重要，它决 定了工具钢最终热处理前的组织状态，特别是 K的形态和分布，这是保证最终热处理性能质 量的基本前提。
