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1、机械工程材料,倪兆荣 张海筹/主编 张帆 朱成华/副主编 王宏启/主审,刃具钢的工作条件和基本性能要求,根据刃具的使用条件，通常对刃具提出以下基本性能要求： 1）高的硬度，一般要求刃具的硬度在6065HRC。 2）高的耐磨性，以延长刃具的使用寿命。 3）高的强度、足够的塑性和韧性，以保证刃具在工作时不产生断裂、崩刃。 4）高的红硬性，红硬性是指刃具在高温下能够保持高硬度的能力。 对于刃具钢而言，常用的刃具钢有刃具用碳素工具钢、刃具用的低合金工具钢、高速钢等。,刃具用的碳素工具钢,碳素工具钢的含碳量一般在0.651.35范围内，以保证有足够高的硬度和耐磨性。碳素工具钢的特点是加工性能好，易于锻造
2、和切削加工，热处理后具有相当高的硬度，而且价格便宜，因而得到广泛的应用。 T12、T13钢，淬火后有较多的剩余碳化物，硬度和耐磨性高，但韧性偏低，用于不受冲击的工具。,刃具用的低合金工具钢,低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢，其wC0.75%1.5的范围内，以保证钢的淬硬性和形成合金碳化物的需要。,高速钢,采用高速钢制作的刃具在使用时，能以比低合金刃具钢刀具更高的切削速度进行切削，因而被称为高速钢，它的特点是热硬性高达600，切削时能长时间保持刃口锋利，故又称为“锋钢”，并且还具有高的强度、硬度和淬透性。淬火时在空气中冷却即可得到马氏体组织，因此，又俗称“风钢”、“白钢”。
3、,1.高速钢的成分特点 高速钢的含碳量较高，wC在0.751.60的范围内，并含有大量的碳化物形成元素如钨、钼、铬、钒等。高的含碳量是为了在淬火后获得高碳马氏体，并保证形成足够的碳化物，从而保证其高硬度、高的耐磨性和良好的热硬性。,2. 高速钢的锻造 高速钢铸态组织中含有大量的鱼骨状碳化物，分布很不均匀，显著降低了钢的力学性能，特别是韧性。而且用热处理的方法不能根本改变碳化物的分布状态，只能通过反复锻造的方法将碳化物打碎，并使其尽可能均匀分布。锻造比大于10，锻后缓冷，以免锻件开裂。,3. 高速钢的热处理 高速钢的热处理包括退火、淬火和回火，其特点是退火温度低，淬火温度高，回火温度高且次数多。
4、 （1）退火 为了消除坯料在锻造时产生的内应力，降低硬度，细化晶粒，为切削加工和淬火做准备，高速钢在锻后必须及时进行球化退火。 （2）淬火 高速钢只有在正确的淬火及回火后才能获得优良的性能。高速钢的淬火加热温度很高（12001300），目的是为了使碳化物尽可能多地溶入奥氏体，从而提高淬透性、回火稳定性和热硬性。 （3）回火 高速钢淬火后应立即回火，一般在550570回火三次。,4. 高速钢的表面强化 为了改善和提高刃具钢的切削效率和使用寿命，表面强化技术受到普遍重视。表面强化处理技术包括蒸气处理、气体软氮化、氧氮化、硫氮共渗、渗碳等化学热处理和化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、离
5、子溅射、电弧蒸镀、涂镀TiN、TiC等。,5. 常用的高速钢 高速钢的种类很多，应用最多的有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V三种。W18Cr4V是我国最早使用的高速钢，其特点是热硬性较高，过热敏感性较小，加工性好。,模具钢,1. 冷作模具钢的工艺性能要求 冷作模具种类繁多，结构复杂，在工作中受到拉伸、弯曲、压缩、冲击、疲劳、摩擦等机械力的作用，其正常的失效形式是磨损、脆断、变形、咬合等。因此，对冷作模具钢使用性能基本要求是： （1）良好的耐磨性 （2）高强度 （3）足够的韧性 （4）良好的抗疲劳性能 （5）良好的抗咬合能力,2. 冷作模具钢的工艺性能要求 （1）可锻性
6、为了获得良好的锻造质量，对可锻性的要求是：热锻变形抗力低，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂、冷裂及析出网状碳化物的倾向性小。 （2）可切削性 对可切削性的要求是切削力小，切削用量大，刀具磨损小，加工表面光洁。对于表面质量要求极高的模具，往往选用含S、Ca等元素的易切削模具钢。 （3）可磨削性 为了达到模具的尺寸精度和表面粗糙度的要求，许多模具零件必须经过磨削加工。对磨削性的要求是：对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤与磨裂。 （4）热处理工艺性 热处理工艺性主要包括：淬透性、回火稳定性、脱碳倾向、过热敏感性，淬火变形与开裂倾向等。,模具钢,3. 冷作模具钢的成分特点 根据冷作模具钢的性能要求，
7、冷作模具钢的成分特点如下： （1）钢的含碳量 含碳量是影响冷作模具钢性能的决定性因素。一般，随着含碳量的增加，钢的硬度、强度和耐磨性提高，塑性、韧性变差。 （2）合金化特点 冷作模具钢的合金化主要特点是：加入强碳化物形成元素，获得足够数量的合金碳化物，并增加钢的淬透性和回火稳定性，以达到耐磨性和强韧化的要求。,模具钢,模具钢,4. 常用的冷作模具钢 （1）低淬透性冷作模具钢 低淬透性冷作模具钢中，使用最多的是碳素工具钢和GCr15，表8.7为典型钢号的化学成分。,4. 常用的冷作模具钢 （2）低变形冷作模具钢 低变形冷作模具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素而发展起来的，常用的钢种有Cr
8、WMn、9Mn2V等，其化学成分见表8.8。,4. 常用的冷作模具钢 （3）高耐磨微变形冷作模具钢 低变形冷作模具钢的性能虽然优于碳素工具钢，但其耐磨性、强韧性、变形要求等仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的需要。为此，发展了高耐磨微变形冷作模具钢。其牌号、成分、主要特点见表8.9。,4. 常用的冷作模具钢 （4）高强度高耐磨冷作模具钢 传统的高速钢（W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2）即是此类钢的典型钢种，自20世纪70年代开始用于冷作模具，现已成为重载冲头的基本材料。 冷作模具对热硬性要求不高，主要要求有较高的强度和韧性，所以对于高承载的高速钢冷作模具，采用低温淬火、低温回火方法可以防止崩
9、刃和折断。 （5）抗冲击冷作模具钢 抗冲击冷作模具钢成分接近合金调质钢，主要合金元素是Mn、Si、Cr、W、Mo。此类钢具有一些共同特点，如碳化物少，组织均匀，淬火组织以板条马氏体为主；具有高抗弯强度，高冲击疲劳抗力、高韧性和良好的耐磨性。但抗压强度低，热稳定性差，淬火变形难以控制等缺陷。,4. 常用的冷作模具钢 （6）高强韧性冷作模具钢 随着低合金钢、不锈钢和轴承钢冷挤压技术的发展，对冷作模具钢提出了不但要有高硬度、高耐磨性，而且还要有高韧性的要求。为了满足冷挤压工艺发展的需要，目前已研制出多种高强韧性模具钢，如降碳高速钢、基体钢、低合金高强度钢、马氏体时效钢等。见表8.10所示。,4. 常
10、用的冷作模具钢 （7）高耐磨高韧性冷作模具钢 高强韧性钢虽然克服了高铬、高速钢的脆断倾向，但由于钢中含碳量的减少，其耐磨性不如高铬钢和高速钢，为此研制了高耐磨、高韧性的冷作模具钢，其典型钢种及化学成分见表8.11。 （8）特殊用途冷作模具钢 特殊用途冷作模具钢主要分两类：一类为典型的耐蚀冷作模具钢，如9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo；另一类为无磁模具钢，如1Cr18Ni9Ti、5Cr21Mn9Ni5W等。,热作模具钢 1. 热作模具钢的性能要求 热作模具主要用于热变形加工和压力铸造的模具，其工作特点是，在外力作用下，使加热的固体金属材料产生一定的塑性变形，或者使高温的液态金属铸造成形，
11、从而获得各种所需形状的零件或精密毛坯。 根据工作条件，热作模具可分为热锻模、热挤压模、压铸模和热冲裁模等几类。 1）较高的高温强度和良好的韧性。 2）良好的耐磨性。 3）高的热稳定性。 4）优良的耐热疲劳性。 5）高淬透性。 6）良好的导热性。 7）良好的成形加工工艺性能，以满足加工成形的需要。,模具钢,2. 热作模具钢的成分特点 热作模具钢的成分与合金调质钢的成分相似，一般碳的质量分数小于0.5，并含有Cr、Mn、Ni、Si等合金元素。低碳量可保证其具有足够的韧性，合金元素的作用是强化铁素体和增加淬透性。为了防止回火脆性，还加入Mo、W等元素；为了提高高温强度和热疲劳抗力，需增加相当数量的C
12、r、W、Si。另外，W、Mo、V等在回火时以碳化物形式析出而产生二次硬化，使热作模具钢在较高温度下保持相当高的硬度。,模具钢,3. 热锻模具钢 热锻模是在高温下通过冲击力或压力使炽热的金属坯料成形的模具，包括锤锻模、压力机锻模、热镦模、精锻模和高速锻模等，其中锤锻模最具有代表性。,模具钢,4. 热挤压模具钢 热挤压模的工作条件相当繁重。既承受压缩应力和弯曲应力，脱模时也承受一定的拉应力，还受到冲击负荷的作用。常用的热挤压模具钢有： 1）钨系热作模具钢。 2）铬系热作模具钢。 3）铬钼钢。,5. 压铸模具钢 压铸模具钢用于制造压力铸造和挤压铸造模具，根据被压铸材料的性质，压铸模可分为锌合金压铸模
13、、铝合金压铸模、铜合金压铸模。压铸模工作时与高温液态金属接触，不仅受热时间长，而且受热的温度比热锻模要高，同时承受很高的压力，此外还受到反复加热和冷却以及金属液流的高速冲刷而产生磨损和腐蚀。因此，热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀是压铸模常见的失效形式。所以，压铸模的性能要求是：较高的耐热性和良好的高温力学性能，优良的耐热疲劳性，高的导热性，良好的抗氧化性和耐蚀性，高的淬透性等。 常用的压铸模具钢以钨系、铬系、铬钼系和铬钨钼系热作模具钢为主，主要牌号有3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V钢，这两种钢的化学成分见表8.12。,模具钢,塑料模具钢 1. 塑料模的工作条件及基本要求 塑料模的工作条件如下。
14、（1）工作温度 温度通常是在200250。 （2）受力情况 对于普通热塑性注射模具，其型腔承受的成型压力约为2545MPa；对某些热塑性工程塑料的精密注射模，成型压力有时可达100 MPa。对热固性注射模，型腔承受的压型压力约3070MPa。 （3）摩擦磨损 注射模和浇注系统会受到熔融塑料对它们的流动摩擦和冲击；脱模时还受到固化后的塑料对其产生的刮磨作用。 （4）腐蚀作用 腐蚀的原因时由于高温塑料分解后挥发出的腐蚀性气体。,模具钢,塑料模具钢 2. 塑料模具钢 我国目前用于塑料模具的钢种，可按照钢材特性和使用时的热处理状态分类，见表8.13。,模具钢,3. 塑料模具钢的成分、性能及应用 （1）
15、渗碳型塑料模具钢 渗碳型塑料模具钢主要用于冷挤压成形的塑料模，为了便于冷挤压成形，这类钢在退火态须有高的塑性和低的变形抗力，成形复杂型腔时，其退火硬度100HBS，成形浅型腔时，其退火硬度160HBS。 LJ钢的化学成分见表8.14。,模具钢,3. 塑料模具钢的成分、性能及应用 （2）淬硬型塑料模具钢 对于负荷较大的热固性塑料模和注射模，除了型腔表面应有高耐磨性之外，还要求模具基体具有较高的强度、硬度和韧性，以避免或减少模具在使用中产生塌陷、变形和开裂等现象，这类模具可选用淬硬型塑料模具钢来制造。,模具钢,（3）预硬型塑料模具钢 所谓预硬型钢就是供应时已预先进行了热处理，并使之达到模具使用态硬
16、度，该硬度变化范围不大，较低硬度为2535HRC，较高硬度为4050HRC。在这些硬度条件下把模具加工成形不再进行热处理而直接使用，从而保证了模具的制造精度。,（4）时效硬化型塑料模具钢 时效硬化型塑料模具钢的特点是含碳量低、合金度较高，经高温淬火（固溶处理）后，钢处于软化状态，组织为单一的过饱和固溶体，经过加热到某一较低温度并保持一段时间后，固溶体中就会析出细小弥散的金属化合物，从而造成钢的强化和硬化，这个过程称为时效处理。,模具钢,（5）耐蚀塑料模具钢 具有腐蚀性的塑料，其成型模具应选用耐腐蚀的马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢制造，一般采用2Cr13、4Cr13、3Cr17Mo、1Cr18Ni9、0Cr16Ni4Cu3Nb（PCR）、AFC77。 0Cr16Ni4Cu3Nb（PCR）是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，因含碳量低，耐蚀性和焊接性都优于马氏体型不锈钢，而接近奥氏体不锈钢。PCR钢热处理工艺简单，固溶处理后可获得单一的板条马氏体组织，硬度为3235HRC
