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1、第四章 工具钢对各种材料进行加工，需要采用各种工具，主要是各种刃具与模具。 工具钢按用途分为刃具钢、模具钢及量具钢。按成分可分为碳素工具钢，低合金工具钢，高 合金工具钢（高速钢）。刃具钢要求高硬度，高耐磨性，一定韧性和塑性，有时需热硬性。如车刀，刨刀，铣刀， 钻头，丝锥，锉刀，锯条。常用钢种为T7T12, Cr, Cr2, 9Mn2V, CrWMn, W18Cr4V。模具钢为两类：一类为热作模具钢，要求高温下的硬度的强度，抗热疲劳和良好的韧 性。如锤锻模,挤压模,压铸模。常用钢种为 T8T12, MnSi, 5CrW2Si, Cr12V,Cr12Mo V。另一类为冷作模具钢，要求具有高硬度，耐
2、磨性和一定的韧性。如冲切模，冷 镦模，搓丝模，拉丝，剪刀片。常用钢种有5CrNiMo, 3Cr2W8V。量具钢要求高硬度，高耐磨和尺寸稳定性如量规，样板，卡尺。 工具钢要求的基本性能有：（1）使用性能，如强度，塑性，韧性，耐磨性，热硬性，热 疲劳性能；（2）工艺性能，如淬透性，变形与开裂倾向，脱 C 敏感性，磨削性，切削加工 性。41 碳素及低合金工具钢一、碳素工具钢1成分：高 C 钢， 0.65-1.35%2组织：高 C 回火马氏体+细粒状 K， HRC58-643. 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。4. 热处
3、理：球化退火（粒状P组织，便于切削加工）+淬火与低温回火球化退火采用等温球化退火工艺。5. 性能：成本低，冷热性能较好，热处理简单，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200C。6. 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、低合金工具钢加入M,如Si, Mn, Cr, W, Mo, V。与碳素钢相比，具有淬透性高，耐磨性好，淬 火变形少，回火稳定性好，切削速度也较高。合金元素作用：提高耐磨性，V, W, Mo, Cr；提高淬透性；减少淬火变形； 细化晶粒提高韧
4、性；增大热硬性。常用钢种： Cr06， Cr， Cr2， 9Cr2， 9SiCr， 8MnSi， CrMn， CrWMn， CrW5， W， V但由于热硬性仍较差，难以满足高速切削的需要。4.2 高速工具钢高速工具钢适用于高速切削刀具。由于合金度高，可保证刃部在650C时实际硬度仍高 于HRC50,从而具有优良的切削性和耐磨性。根据钢中主要化学成分，高速钢可分成三类：即钨系高速钢、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；而 高碳高钒、高钒高钴超硬高速钢属于特殊高性能高速钢见表4-1。1主要高速钢的化学成分w%钢号c
5、wMoVCrCo美国俄罗斯日本W18Cr4V0.700.8017.5-l9 + 0=0.301.0- 1.43.80-4.40T1P18SKH2W12CrV4Mo1.20-1*4011,50-13,000.901.203.8-4.403.84) 7.40P143W6Mo5Cr4V20.80(L905,50-6,754.50-5.501.752.203.80 7.40M2SKH9W6Mo5Cr4V2Co80.806.005.002.004 .008.00M36SKH56W6Mo5Cr4V31.206*505.003 + 004.00M3SKH53高CW-Mo系1.006 + 005 + 002
6、+ 004 + 00CM2W7Mo4Cr4V2Co51.106.753.752 + 004.255.00M41SKH55W2Mo9Cr4VCo81.101.509 + 501 + 153.758.00M42一高速钢中的组成相和碳化物不均匀性1、高速钢中的组成相高速钢的平衡组织：合金F和合金K合金元素： W，Mo，Cr，V，Co合金K： M6C型：W, Mo的K,溶解一定的Cr, V Co6MoC 型：Cr 的 K, (Cr, Fe, Mo, W, V) 23C623 6MC型：V的K,溶解少量 W, Mo,Cr在热处理过程中还存在M2C型K： W，Mo的K，W2C，Mo2C 2高速钢的铸态组织
7、高速钢属于高合金莱氏体钢,其相图较复杂。图 4-1 为 Fe-W-Cr-C 系的变温截面。当 W18Cr4V 钢凝固时,发生下列反应：(1) 开始结晶时析出& (高温a )固溶体；(2) 冷到1400C发生L+5 Y的包晶反应；(3) 在1345C附近很窄的温度范围进行L+6 Y +M6C的包共晶反应；(4) 在1330C-1300C之间发生L-Y +MfiC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，骨络之间为Y ；(5) 凝固后继续冷却时，由奥氏体中析出过共析合金碳化物，在870-800C间发生Y +M6Cfa的包析反应；冷
8、到800C左右发生Y fa +M6C+Fe3C共析反应。实 际上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Fe3C存在。23 63在实际铸锭凝固时的冷却速度大于平衡冷却,图 4-2 W18Cr4V 钢的铸态组织其包晶反应不能进行完毕，仍有部分6 相被保留下来，在继续冷却时发生共析分解6 Y +M6C,随后Y相再发生共析反应。这种 转变产物金相形态呈黑色.称为“黑色组织” Y相的共析反应也可能破抑制而过冷到低温, 转变为马氏体和残留奥氏体，形成“白亮组织”。因此铸态组织有大量鱼骨状共晶 Le 和黑色组织(屈氏体)与白色组织
9、(马氏体和残余 奥氏体)。3.高速钢中碳化物的不均匀性与改善途径铸态高速钢组织中粗大的共晶碳化物必须经过锻轧将其破碎，使其尽可能成为均匀分布 的颗粒状碳化物；在锻轧变形量不足时，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。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，碳化物密集区脆性大，易引起崩刃。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、韧性指标因碳化物不均匀而降低。因此，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。改善碳化物不均匀性的措施有：
10、1) 采用200-300 kg 小锭型，使钢锭凝固快，减少结晶时宏观偏析，莱氏体共晶也细 小；(2) 采用扁锭加快凝固，一般用630 kg型，减少集中偏析和使莱氏体共晶细小；3) 增大钢锭锻压比，反复拉拔和镦粗；4) 大尺寸钢材可采用电渣重熔.钢液在水冷结晶器中径向结晶，莱氏体共晶细小；5) 粉末冶金方法。二、高速钢的热处理1. 退火高速钢经锻轧后，钢材需要退火。消除内应力，降低硬度，便于切削加工，为淬火做组 织准备。可采用一般退火或等温退火。高速钢的Ay在820-860C范围，故退火温度为870-880C，保温2-3h，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
11、变成粒状珠光体和剩余碳 化物。一般冷却速度W30C/h,冷到600C出炉空冷。退火后W18Cr4V钢中碳化物体积百 分数约为 30，其中 M C 为 16-19， M C 为 9， MC 为 1.5%-2%。组织为 S+K。623 62.淬火与回火图4-3为W18Cr4V钢的典型热处理淬火与回火工艺。热处理工艺特点：（1）往往采用一次或两次预热：高合金的高速钢导热性差，为防止工件加热时变形，开 裂和缩短加热的保温时间以减少脱碳。冈的过烧组织图4-4 W18Cr4V钢的正常淬火组织900 C开始溶解，1090 r全部溶解；1037C开始溶解，1250C以上溶解量逐惭减小;1100C开始溶解，溶解
12、速度比M6C缓慢。6（2）淬火温度高。 为使奥氏体中合金度含量较高，应尽可能提高淬火温度至晶界熔化温度偏下（晶粒仍然 很细，9 级）。淬火后获得高合金的马氏体，具有高的抗回火稳定性，在高温回火时析出弥 散的合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。图4-4 是 W18Cr4V 钢的的正 常淬火组织，图4-5 是 W18Cr4V 钢的过烧组织。MC23 6MC6MC1280C时，奥氏体中：C 0.5%, W7-8%, Cr4%, V0.6-0.8%剩余 K 总量为 9-10%：其中， M C 7.5%-9.0%， MC 1.0-1.5%6（3）可采用分级淬火。一般油淬空冷（组织为：M+A
13、r20-25%+9-10%未熔K）。对细长件和薄片件采用等温淬 火。为了减少工件变形，采用 1 次或多次分级淬火。对于大型复杂刃具，可采用等温淬火， 以减少变形并提高韧性。（ 4）回火温度高，回火次数多。回火目的是从 M 中析出弥散 M2C 和 MC 碳化物，产生二次硬化效应和消除残余奥氏 体和内应力。回火温度高是为了提高二次硬化效果；回火次数多一方面增强二次硬化效果，另一方 面（主要）是为了利用二次淬火来降低残余奥氏体的含量，也间接地提高了性能。见图 4-64-8。图4-6 W18Cr4V钢奥氏体成分与淬火T的关系图4-7 W18Cr4V钢回火时的硬为改善和提高高速钢刃具的切削效率和耐用度，
14、广泛采用表面强化方法，通过表面化学 热处理或在刃具表面覆层。高速钢工件表面化学热处理有表面氮化（如辉光离子氮化、气体 软N化）、表面硫氮共渗或硫氮硼等多元共渗、蒸气处理等。这些处理温度均不超过560, 工件的显微组织和性能均未改变。工件表面覆层是物理气相沉积（PVD法）在工件表面沉积TiC或TiN覆层，具有高硬度、 优异的耐磨性、抗粘着性扣抗咬合性，显著提高工件使用寿命。三、合金元素的作用碳化物的变化是高速钢性能的晴雨表。它决定高速钢热硬性的好坏。1. W或Mo主要是提高热硬性。可阻止奥氏体晶粒粒长大；提高马氏体的回火稳定性。Mo 高速钢的含 Mo 共晶碳化物为细鸟巢状，减少了 K 的不均匀性
15、； 抗弯强度和冲击韧性较高。Mo2C比W2C析出温度低，易长大；易脱Co现常选用W-Mo系。2. V 主要作用是提高钢的耐磨性和钢的热硬性。3. Cr 主要起提高钢的淬透性作用。可提高钢的耐蚀性和抗氧化能力，改善切削能力。4. C 形成K,固溶强化。C%提高，HRC和热硬性提高。5. Co 提高钢的热硬性，降低韧性，增加脱 C 倾向。有 5%、 8%、 12%三个级别主要通过固溶在马氏体中，提高马氏体的抗回火稳定性，减慢合金K的析出与聚集 长大，加强二次硬化效果（提高晶界开始熔化温度）。6.微合金化元素：N0.05-0.10%于高C高硬高速钢中，可提高热硬性;RE：可明显改善其在900-1150C之间的热塑性。4.3 冷作模具钢一、概述 冷作摸具钢是用来制作使金属冷变形的模具，如冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁、拉丝等
