工具钢基础知识

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1、工具钢概述 工具钢是用以制造各种加工工具的钢种。根据用途不同。工具钢可分为刃具用钢、模具围钢和量具用钢。按化学成分不同。工具钢又可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。 各类工具钢由于工作条件和用途不同。所以对性能的要求也不同。但各类工具钢除飓有各自的特殊性能之外。在使用性能及工艺性能L也有许多共同的要求。如高硬度、高磨性是工具例最重要的使用性能之一。工具若没有足够高的硬度是不能进行切削加工的 。否则，在应力作用下工具的形状和尺寸都要发生变化而失效。高耐磨性则是保证和提高工具寿命的必要条件。 除了上述共性之外，不同用途的工具钢也有各自的特殊性能要求、例如，刃具钢除要求高硬度。高耐磨性外。还要求红

2、硬性及一定的强度和韧性。冷模具钢要求高硬度、高耐磨性、较高的强度和一定的动化热模具钢则要求高的韧性和耐热疲劳性及一定的硬度和耐磨性。对于量具钢。除要求具有高硬度、高耐磨性外。还要求高的尺寸稳定性。 在化学成分上。为了使工具钢尤其是刀具钢具有高的硬度，通常都使其含有较高的碳(含碳量为0.65% 1.55% )，以保证淬火后获得高碳马氏体、从而得到高的硬度和切断抗力，这对减少和防止工具损坏是有利的。此外。高的合碳量还可以形成足够数量的碳化物以保证高的耐磨性、所加入的合金元素主要是使钢具有高硬度和高耐磨性的一些碳化物形成元素如Cr、W、M。、V等。有时也加入Mn和Si，其目的主要是增加钢的淬透性以达

3、到减少钢在热处理时的变形。同时增加钢回火稳定性。对于切削速度较高的刃具常加入较多的W、Mo、V、Co等合金元素。以提高钢的红硬性 。 工具钢对钢材的纯洁度要求很严。对S、P含量一般均限制在0.02%0。03%以下。属于优质钢或高级优质钢。钢材出厂时。其化学成分、脱碳层、碳化物不均匀度等均应符合国家有关标准规定、否则会影响工具钢的使用寿命。 生产实践表明刃具钢理想的淬火组织应是细小的高碳马氏体和均匀细小的碳化物。因此刃具钢在热处理前都应进行球化退火，以使碳化物呈细小的颗粒状。且分布均匀。这不仅对保证钢的优良切削性、耐磨性和韧性有利。而且对热处理工艺(如防止或减轻过热敏感性、变形、淬裂倾向等)亦十

4、分有利。 经球化退火后的组织为铁素体。其基体上分布着细小均匀的粒状碳化物。工具钢因含碳量较高，因此。在热处理淬火加热时应在盐浴炉或保护气氛条件下进行加热。否则易产生氧化 脱碳现象。值得注意的是应在淬火后及时进行回火。 对于一种工具。选用什么样的钢材合理。首先应从工具的工作条件、失效形式及性能要求出发，然后选择合适的钢种。最后再制订正确的热处理工艺。同时还应考虑工具钢的工艺性能包括热加工性能、切削加工性能和热处理工艺性能。如钢的淬透性、淬硬性、过热敏感性、脱碳倾向性和热处理变形性能等)。 应该注意至，一种钢可以兼有几种用途。如T8钢既可以用来制造简单模具。也可以制造夹具、木工工具、钳工工具等。这

5、些因素在选用工具钢时。均应予以考已本章主要介绍刃具钢、模具钢的工作条件、失效形式及其性能要求。阐述各类钢种的衍变、选材原则及其发挥材料性能潜力的途径。 2 刃具用钢 刃具钢是用来制造各种切削加工工具的钢种、刃具的种类繁多加车刀、铁刀刨刀、钻头、丝锥及极牙等。其中车刀最具有代表性，车刀的工作条件基本能反映各类刃具工作条件的特点。 一、刃具钢的工作条件及性能要求 刃具在切削过程中。刀刃与工件表面金属相互作用。使切屑产生变形与断裂。并从工件整体上剥离下来。故刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、振动等负荷作用。同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用。由于切屑层金属的变形以及刃具与工件、切属的摩擦产生

6、大量的摩擦热。均使刃具温度升高一切削速度越快。则刃具的温度越高，有时刀刃温度可达600左右。 刀刃温度的升高(T)与切削速度(v)、走刀量(S)和切削进对深度(t)之间有如下经验关系 公式 T=CVaSbtc 式中a、b、c、C均为随刃具与工件材料而异的常数。其中对对对温度升高的影响以切削速度(v)的影响最大。 刀刃的失效形式写多种。有的刀具刀刃处受压弯曲有的刀具受强烈振动、冲击时崩落一块(即崩刃)有的小型刃具整体折断等等。但这些情况毕竟比较少见，刃具较普遍的失效形式是磨损，当刃具磨削到一定程度后就不能正常工作了。否则会影响加工质量。 由上述可知。刃具钢应具有如下使用性能 (1)为了保证刀刃能

7、犁人工件并防止卷刃必须使刃具具有高于被切削材料的硬度(一般应在HRC60以上，加工软材料时可为HRC4555)故刃具钢应是以高碳马氏体为基体的组织。 (2)为了保证刃具的使用寿命。应当要求有足够的耐磨性。高的耐磨性不仅决定于高便度，同时也决定于钢的组织。在马氏体基体上分布着弥散的碳化物。尤其是各种合金碳化物能有效地提高刃具钢的耐磨损能力 (3)由于在各种形式的切削加工过程中。对具承受着冲击、振动等作用，应当要求对具有足够的塑性和韧性。以防止使用中崩刃或折断。 (4)为了使刃具能承受切削热的作用。防止在使用过程中因温度升高而导致硬度下降。应要求刃具有高的红硬性。钢的红硬性是指钢在受热条件下。仍能

8、保持足够高的硬度和切削能力，这种性能称为钢的红硬性。红硬性可以用多次高温回火后在室温条件下测得的硬度值来表示。所以红硬性是钢抵抗多次高温回火软化的能力，实质上这是一个回火抗力的问题。 应当指出。上述四点是对刃具钢的一般使用性能要求。而视使用条件的不同可以有所侧重。如挫刀不一定需要很高的红硬性。而钻头工作时。其对部热量散失困难。所以对红硬性要求很高。 此外，选择刃具钢时。应当考虑工艺性能的要求。例如。切削加工与磨削性能好。具有良好的淬透性。较小的淬火变形、开裂敏感性等各项要求都是刀具钢合金化及其选材的基本依据。 二、刃具钢的钢种衍变 通常按照使用情况及相应的性能要求不同。将刃具钢分为：碳素工具钢

9、、合金工具钢和高速钢三类。衡量一个国家工具材料的水平常以高速钢为标准。故重点讨论之。 1.碳素刃具钢 由二所述。刃具钢最基本的性能要求是；高硬度高耐磨性。高硬度是保证进行切削的基本条件，高耐磨性可保证刃具有一定的寿命。即耐用度。针对上述两个要求。最先发展起来的是碳素刃具钢。其合碳量范围在0.65%1。35%，属高碳钢。包括亚共析钢、共析钢和过共析钢。 碳素刃具钢的热处理工艺为淬火+低温回火。一般亚共析钢采用完全淬火。淬火后的组织为细针状马氏体。过共析钢采用不完全淬火。淬火后的组织为隐晶马氏体十位溶碳化物。且由于未溶碳化物的存在，使钢的韧性较低。脆性较大。所以在使用中脆断倾向性大。应予以充分注意

10、。 在碳素刃具钢正常淬火组织中还不可避免地会有数量不等的残余奥氏体存在。 常用的碳素对具钢的成分、性能和用途如表4.1所示。 表 碳素工具钢的牌号、成分和用途 牌号化学成分(%)硬度用途举例CSiMn供应状态HB(不大于)淬火后HRC(不大于)T7T7A0.650.750.350.4018762承受冲击，任性较好，硬度适当的工具，如扁铲、手钳、大锤、木工工具T8T8A0.750.840.350.4018762承受冲击，任性较好，硬度适当的工具，如扁铲、手钳、大锤、木工工具T8MnT8MnA0.800.900.350.400.6018762承受冲击，任性较好，硬度适当的工具，如扁铲、手钳、大锤、

11、木工工具，但淬透性较大。可制断面较大的工具T9T9A0.850.940.350.4019262韧性中等、硬度高的工具、如冲头、木工工具、凿岩工具T10T10A0.951.040.350.4018762不受剧烈冲击，高硬度耐磨的工具、如车刀、刨刀、丝锥、钻头、手锯条T11T11A1.051.140.350.4020762不受剧烈冲击，高硬度耐磨的工具、如车刀、刨刀、丝锥、钻头、手锯条T12T12A1.151.240.350.4020762不受剧烈冲击，高硬度耐磨的工具、如锉刀、刮刀、丝锥、精车刀、量具T13T13A1.251.350.350.4021762不受冲击，高硬度耐磨的工具、如锉刀、刮刀

12、、丝锥、精车刀、量具要求更高耐磨的工具如刮刀、锉刀。淬火后硬度不是指用途举例中各种工具的硬度，而是指碳素工具钢材料在淬火后的最低硬度。 碳素刃具钢在性能上有两个缺点、一个不足。即淬透性低。工具断面尺寸大于15mm时。水淬后只有工件表面层有高硬度。故不能做形状复杂、尺寸较大的刀具；红硬性差。当工作温度超过250，硬度和耐磨性迅速下降。而失去正常工作的能力；碳素刃具钢从成分上看，不含有合金元素。淬火回火后碳化物属于渗碳体型。硬度虽然可达HRC62但耐磨性不足。 碳素刃具钢在热处理时须注意以下几点碳素工具钢淬透性低，为了淬火后获得马氏体组织。淬火时工件要在强烈的淬火介质(如水、盐水、碱水等)中冷却。

13、因而淬火时产生的应力大。将引起较大的变形甚至开裂。故而淬火后应及时回火碳素刃具钢在淬火前经球化退火处理，在退火处理过程中。由于加热时间长、冷却速度慢，会有石墨析出使钢脆化(称为黑脆)。碳素刃具钢由于含碳量高。在加热过程中易氧化脱碳。所以加热时须注意保护。一般用盐浴炉或在保护气氛条件下加热。 综上所述，由于碳素工具钢淬透性低、红硬性差、耐磨性不够高。所以只能用来制造切屑量小、切削速度较低的小型刃具。常用来加工硬度低的软金属或非金属材制。对于重负荷、尺寸较大、形状复杂工作温度超过200的刃具。碳素刃具钢就满足不了工作的要求、在制造这类刃具时应采用合金刃具钢、但碳素刃具钢成本低，在生产中应尽量考虑选

14、用。 2.合金刃具钢 合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加入某些合金元素而发展起来的。其目的是克服碳素刃具钢的淬透性低、红硬性差、耐磨性不足的缺点。合金刃具钢的合碳量在0.75%1.5%合金元素总量则在5%以下。所以又称低合金刃具钢。加入的合金元素为Cr、Mn、Si、W和V等。其中Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬造性。同时强化马氏体基体，提高h回火稳定性；W和V还可以细化晶粒； Cr、 Mn等可溶入渗碳体。形成合金渗碳体，有利于钢耐磨性的提高。 另外，Si使钢在加热时易脱碳和石墨化。使用中应注意。如 Si、 Cr同时入钢中则能降低钢的脱碳和石墨化倾向。 合金刃具钢有如下特点；淬透性较碳素刃具钢好

15、，淬火冷却可在油中进行，放热处理变形和开裂倾向小，耐磨性和红硬性也有所提高。但合金元素的加入，提高了钢的临界点，故一般淬火温度较高。使脱碳倾向增大。 合金刃具钢主要用于制作：截面尺寸较大且形状复杂的刃具：精密的刀具；切削刃在心部的刃具，此时要求钢的组织均匀性要好：切削速度较大的刃具等。 我国冶标YB 7-59列入了56种合金刃具钢。表4。2列出了最常用的合金刀具钢的成分、热处理工艺、性能和用途。 由表可见。合金刀具钢分为两个体系 针对提高钢的淬透性的要求，发展了Cr、Cr2、9SiCr和CrWMn等钢。其中9SiCr钢在抽中淬火淬造直径可达40-50 mm。适宜制造薄刃或切削刀在心部的工具。如板牙、滚丝轮、丝 锥等。 CrWMn钢是最常用的合金刃具钢。经热处理后硬度可达HRC64-66且有较高的耐磨性。CrWMn钢淬火后。有较多的残余奥氏体，使其淬火变形小。故有低变形钢之称。生产中常用调整淬火温度和冷却介质配合，使形状复杂的薄壁