金属材料工具钢

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1、工具钢 F工具钢按用途可分为 刃具钢 模具钢和量具钢 F刃具钢 在切削过程中受到各种力的作用 产生热量 刀刃 温度可达600 甚至更高 同时刃部也发生磨耗 因此要求刃具 具有高硬度 高耐磨性 一定的韧性和塑性 有的还要求热硬性 F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 热作模具钢用于加工赤热或液态金属 要求高温下的 硬度和强度 抗热疲劳和良好的韧性 冷作模具钢要求高硬度 耐磨性和一定韧性 塑料制品大部分用模压成型 塑料模具钢也 逐渐发展成专用钢系列 F量具钢 用来制作量规 卡尺 样板等 要求高硬度 耐磨 性和尺寸稳定性 工具钢的特点 工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两

2、大类 高速工具钢因其成分和组织的特殊性而另为一类 碳素工具钢 质量分数在 0 65 1 35 钢号从T7到T13用 以制作刃具 量具 模具 F 钢号用平均碳含量的千分数的数字和T一起表示 F如 T10A 1 0 C A表示高级优质碳素工具钢 FT9 0 9 C T12 1 2 C FT7 T8 强度稍低 韧性较高 可制作冲头 凿子 榔头 FT9 T10 T11 强度 韧性适中 可制作钻头 刨刀 丝锥 手锯及冷作模具 FT12 T13 硬度很高 韧性低 可制作锉刀 刮刀 量规 一 碳素及低合金工具钢 一 碳素及低合金工具钢 为弥补碳素工具钢的不足而加入合金元素 如铬 锰 硅 钨 钼 钒等元素 主

3、要钢种有Cr2 9SiCr CrMn CrWMn 等 可作刃具和量具 u合金元素的加入为了提高淬透性 可用油淬 减少了变形开 裂 u碳化物形成元素的加入细化了碳化物 使合金渗碳体均匀分 布且易于球化 改善了钢的韧性 u硅能提高抗回火稳定性 提高刀具的使用寿命 碳素工具钢一般经不完全淬火和低温回火 硬度在HRC58 64范围 不足之处在于淬透性低 必须用盐水或碱水淬火 淬火开裂倾向大 工作温度低于200 一 碳素及低合金工具钢 一 碳素及低合金工具钢 一 碳素及低合金工具钢 热处理特点 1 碳素及低合金工具钢在淬火前必须经过球化退火 得到粒状珠光体的原始组织 以利于切削加工 并且 淬火过热倾向小

4、 球化退火一般采用等温退火工艺 由退火温度以30 40 h冷至700 左右 等温4h 再 炉冷到600 出炉 2 碳素及低合金工具钢淬火温度一般为AC1 30 50 淬火介质可用油冷 也可用熔盐分级淬火 来 减小工件变形和开裂 回火温度为160 200 回火 后得到回火马氏体基体上分布均匀细小的粒状碳化物 一 碳素及低合金工具钢 高速工具钢适用于高速切削刃具 由于合金度高 可 保证刃部在650 时硬度仍高于HRC50 从而具有优良 的切削性和耐磨性 高速钢可分为三类 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应用最普遍 属于通用型高速钢 高

5、碳高 钒 含钴高钒高钴和超硬高速钢属于特殊高性能高速钢 二 高速工具钢 牌 号CWMoVCrCo W18Cr4V0 7 0 817 5 19 0 0 31 0 1 43 8 4 4 W12Cr4V4Mo1 2 1 411 5 13 00 9 1 23 8 4 43 8 4 4 W6Mo5Cr4V20 8 0 95 5 6 754 5 5 51 75 2 23 8 4 4 W6Mo5Cr4V2Co80 86 05 02 04 08 0 W6Mo5Cr4V31 26 55 03 04 0 高CW Mo系1 06 05 02 04 0 W7Mo4Cr4V2Co51 16 753 752 04 255

6、 0 W2Mo9Cr4VCo81 11 509 501 153 758 0 二 高速工具钢 高速钢刀具 双头钻 二 高速工具钢 1 高速钢的组成相 在普通型钨系和钼系高速钢中 含有高钨 钼和铬 钒 等元素 平衡态下存在合金铁素体和合金碳化物 合金碳化 物为M6C M23C6 及 MC三种类型 M6C是以钨或钼为主含铁的碳化物 其成分为为Fe2W4C Fe4W2C或 Fe2Mo4C Fe4Mo2C 在W Mo系中为Fe2 W Mo 4C Fe4 W Mo 2C 钨钼可以互换 并溶有一定量铬 钒 钴等元素 M23C6是以铬 钨 钼为主 并溶有铁等元素的 Cr Fe Mo W V 23C6 MC是以

7、钒为主的VC 也能溶解少量钨 钼 铬等元素 在热处理过程中 还存在含钼 钨的M2C介稳碳化物 即 W2C或Mo2C 二 高速工具钢 1 2 3 4 5 6 7 1 工业纯铁 0 0218 2 共析钢 0 77 C 3 亚共析钢 0 0218 0 77 C 4 过共析钢 0 77 2 11 C 5 共晶白口铁 4 3 C 6 亚共晶白口铁 2 11 4 3 C 7 过共晶白口铁 4 3 6 69 C 高速钢属于高合金莱氏体钢 其 相图较为复杂 当W18Cr4V钢 凝固时发生下列反应 开始凝固析出 高温 固溶体 冷到1400 发生L 的 包晶反应 在1345 附近很窄的温度 范围进行L M6C的包

8、共晶 反应 Fe W Cr C系18 W 4 Cr的变温 截面图 C1 M6C C2 Fe3C 2 高速钢相变与组织 二 高速工具钢 W18Cr4V钢的铸态显微组织 在1330 1300 之间发生 L M6C的共晶反应 一直到完 全凝固 形成由奥氏体和碳化物 组成的共晶莱氏体 存在于奥氏 体晶之间 其中碳化物呈鱼骨状 骨骼之间为 相 凝固后继续冷却时 由奥氏体 中析出过共析合金碳化物 在870 800 间发生 M6C 的包析 反应 冷到800 发生共析反应 M6C Fe3C W18Cr4V钢中在共晶结晶时还 出现VC 并在随后冷却时 由奥 氏体中还析出VC和M23C6型碳化 物 在低温下未发现

9、Fe3C存在 高速钢中的黑色组织 铸锭实际冷却速度大于平衡 冷速 包晶反应不能进行完毕 有部分 高温 相 被保留下来 在继续冷却时发生共析分解 M6C 随后 相再发生共析反应 这种转变产物金相形态呈黑 色 成为 黑色组织 高速钢中的白色组织 相的共析反应也有可能被抑 制而过冷到低温 转变为马氏体和残留奥氏体 形成 白亮组织 2 高速钢相变与组织 二 高速工具钢 组织 鱼骨状莱氏体Ld 黑色组织 共析体 白色组织 M AR W6Mo5Cr4V2钢的变温截面图与 W18Cr4V基本相似 只是前者的 结晶温度略低 其共晶碳化物与W18Cr4V的不同 其形态呈鸟巢状 其共晶碳化 物为M2C型的 W M

10、o 2C 而非 M6C型的Fe3W3C 高温长时间 保温后 可以转变为M6C 这种 鸟巢状的共晶碳化物M2C比鱼骨 状的共晶碳化物M6C较为细小 W6Mo5Cr4V2钢铸态显微组织 2 高速钢相变与组织 二 高速工具钢 u碳化物是高速钢的主要合金相 钢加热时碳化物的变化 反映了奥氏体中合金成分的变化和淬火后回火时马氏体的 二次硬化情况和红硬性的好坏 u钢的红硬性表示抗回火软化能力 测定高速钢红硬性是在600 625 650 温度加 热四次后测定其室温硬度 能保持HRC60的最高温度即表 示该钢的红硬性 或者在高温硬度计上加热到600 650 保温4h直接测定其高温硬度 3 高速钢中合金元素的作

11、用 二 高速工具钢 u钨是高速钢中获得红硬性的主要元素 在钢中形成M6C 是 共晶碳化物的主要组成 它还以二次碳化物由奥氏体中析出 溶在奥氏体中约7 8 的W淬火后保留在马氏体中 提高 马氏体抗回火稳定性 在560回火时析出W2C 产生弥散强化 u钼和钨属于同族 可互相取代 1 Mo可取代1 5 W 含钼 共晶碳化物由粗鱼骨状变为细鸟巢状 钼系高速钢红硬性逊 于钨系 但钼系高速钢的抗弯强度和冲击韧性远高于钨系 钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2具有钨系和钼系的优点 又克服 两者的缺点 其使用量已超过W18Cr4V 1 钨和钼 二 高速工具钢 钒在钢中主要是以VC存在 淬火加热时 VC部分溶于奥氏

12、体 中 淬火后使马氏体抗回火稳定性增高 阻碍马氏体分解 并析 出弥散VC产生次生硬化 淬火加热未溶的VC起阻止晶粒长大作 用 u高速钢中加钒是使钢具有良好热硬性的重要因素 含钒量的提 高使热硬性有明显提高 如W18Cr4V钢中含钒的质量分数从 1 2 提高到1 9 其热硬性由610 提高到628 u高钒高速钢将钒含量提高3 5 属于高热硬性高耐磨高速钢 如W12Cr4V4Mo 退火后MC M6C M23C6碳化物的体积分 数分别为10 12 和10 热处理后硬度在HRC64 66 2 钒 二 高速工具钢 碳对高速钢的硬度影响很大 是高速钢的主要 强化元素 随着碳含量进一步增高 淬火后硬度和红硬

13、 性都增高 若碳和碳化物形成元素满足以下关系 可获 得最大的二次硬化效应 C 0 033W 0 063Mo 0 20V 0 060Cr wt 碳含量提高也有负面作用 碳含量增高 钢中 碳化物总量增加 碳化物不均匀性加重 淬火后残留奥 氏体量增多 需要多次回火才能消除 另外对钨系高速 钢 碳含量增加使钢的抗弯强度和韧性明显下降 而钨 钼系这种变化不大 3 碳 二 高速工具钢 4 高速钢中的碳化物 u在高速钢锻轧变形量不足时 仍存在粗的碳化物网和密集的 带状碳化物 这种碳化物的不均匀性对高速钢刀具的质量和使 用寿命有极大影响 u淬火加热时 碳化物稀少区奥氏体晶粒易粗化 淬火开裂倾 向大 碳化物密集

14、区脆性大 易引起崩刀 u粗大碳化物在淬火加热时溶解少 使附近奥氏体合金度低 热处理后刃具的硬度 热硬性和耐磨性都降低 抗弯强度 挠 度因碳化物不均匀而降低 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 二 高速工具钢 改善碳化物不均匀性的措施 采用200 300Kg小锭型 使钢锭凝固快 减少 结晶时的宏观偏析 莱氏体共晶也细小 采用扁锭加快凝固 一般用630Kg型 减少集中 偏析和使莱氏体细小 增大钢锭锻压比 反复拉拔和镦粗 二 高速工具钢 微合金的作用 在高碳超硬高速钢中加入0 05 0 1 的氮 可形成 合金碳氮化物 使M6C碳化物稳定性增高 减小聚集倾向 氮可细化奥 氏体晶粒

15、 提高晶界开始熔化温度 因而提高了淬火温度和合金元素含 量 增加淬火回火硬度和热硬性 同时也提高了抗弯强度和挠度 改善 了韧性 稀土元素加入高速钢 可明显改善其在900 1150 间的热塑性 当钢中加入稀土元素后 降低了硫在晶界的偏聚 由于有较高的热塑性 可适应刃具的热扭轧工艺 钴 钴淬火后存在于马氏体 提高马氏体抗回火稳定性 加强二次硬化 效果 有较好的红硬性 钴与钨 钼原子间结合力强 可减小钨钼原子 扩散速率 减慢合金碳化物析出和聚集长大 增加红硬性 铬 高速钢中主要存在于M23C6 淬火加热时 铬几乎全溶于奥氏体 主要起增加钢的淬透性作用 铬也增加高速钢耐蚀性和增大抗氧化能力 减少粘刀现

16、象 改善刃具切削能力 u退火 高速钢的AC1在820 860 故退火温度为870 880 保温2 3小时 由于大部分合金碳化物未溶入奥氏体 此时奥氏 体中合金元素含量不多 冷却时易转变为粒状珠光体和剩余碳化 物 一般冷却速度 30 h 冷到600 出炉空冷 退火后 W18Cr4V钢中碳化物体积百分数约为30 其中M6C为16 19 M23C6为9 MC为1 5 2 5 高速钢的热处理 淬火 高速钢淬火是为了获得高合金奥氏体 淬火后获得高 合金马氏体 具有高回火稳定性 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 5 高速钢的热处理 高速钢中M6C M23C6和 MC比较稳定 必须在高 温下才能将其溶解 三 者中M23C6稳定性最差 在900 以上大量溶解 到1090 溶解完毕 M6C在1037 以上开始 溶解 对W18Cr4V钢 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慢 W18Cr4V钢奥氏体成 分与淬火温度的关系 W18Cr4V钢在900 以上加 热时 奥氏体中合金元素的质量 分数如右图 正常淬火温度1280 下