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1、第四章第四章 工具钢工具钢工具钢：刃具用钢模具钢 量具钢使用性能要求的共同点：高硬度、高耐磨性使用性能要求的共同点：高硬度、高耐磨性 各自特殊性的要求：各自特殊性的要求： 刃具钢：刃具钢：高硬度、高耐磨性外，红硬性、强度、韧性红硬性、强度、韧性 冷作模具钢：冷作模具钢：高硬度、高耐磨性外、高强度、高韧性高强度、高韧性 热作模具钢：热作模具钢：高硬度、高耐磨性外，高的回火稳定高的回火稳定 性、高耐热疲劳性性、高耐热疲劳性第四章第四章 工具钢工具钢按化学成份分为按化学成份分为：碳素工具钢，合金工具钢，高速钢 成份：成份： 高高C C（0.651.55%0.651.55%） 高硬度、高耐磨性，高硬度
2、、高耐磨性， MnMn、 Si Si 非非C C化物形成元素，主要提高淬透性，化物形成元素，主要提高淬透性， Cr, W, Mo,V Cr, W, Mo,V 提高率透性，增加回火稳定性，提高率透性，增加回火稳定性， 较多的较多的W W、MoMo、V V、CoCo等提高红硬性。等提高红硬性。 S S、P P0.020.03%0.020.03%（高纯洁度要求）高纯洁度要求）使用状态组织：使用状态组织：回火马化体回火马化体+ +C C化物颗粒化物颗粒+ +少量残少量残A A 第一节第一节 碳素及低合金工具钢碳素及低合金工具钢碳素刃具钢碳素刃具钢 T7、T7A、T13、T13A C：0.65%1.35
3、%高碳热处理及使用态组织热处理及使用态组织： 亚共析亚共析 最终热处理：完全淬火（AC3+30-50） 低温回火回火细针马氏体+少量残A 过共析过共析：球化退火+不完全 淬火（Ac1+30-50）+ 低温回火 回火隐晶马氏体+未溶C化物颗 粒+少量残A碳素工具钢碳素工具钢碳素工具钢碳素工具钢注意的问题：注意的问题： 及时回火（应力大，变形开裂倾向）；石 墨化问题（高温下长时间保温）；脱C问题缺点：缺点：淬透性低；红硬性差；耐磨性不够在碳素工具钢的基础上添加合金元素而成在碳素工具钢的基础上添加合金元素而成 C C：0.75-1.5%0.75-1.5%， 合金元素合金元素5%5%CrCr，MnMn
4、，SiSi（提高淬透性，强化马氏体基体，（提高淬透性，强化马氏体基体，提高回火稳定性）提高回火稳定性）； W W，V V（形成（形成C C化物，细化化物，细化晶粒，红硬性）；晶粒，红硬性）；石墨化，石墨化，Si+CrSi+Cr，减少石墨化倾向，减少石墨化倾向低合金工具钢优点：（相对低合金工具钢优点：（相对C C素钢）素钢） 淬透性，淬透性，变形开裂倾向小（因为可以使用较缓和的介质）变形开裂倾向小（因为可以使用较缓和的介质）耐磨性，红硬性耐磨性，红硬性低合金工具钢低合金工具钢 低合金工具钢低合金工具钢两个体系两个体系： 高淬透性高淬透性 Cr Cr2 9SiCr 9SiCr CrWMnCrWMn
5、 等。 淬透直径大，尺寸较大的刀具。 CrWMn：Mn使有较多残A，淬火变形小，低变形 钢，高硬度HRC 64-66 高耐磨性高耐磨性 Cr06，W，W2及CrW5CrW5 淬透性不大尺寸不大，如雕刻工具，高硬度、高耐磨。 热处理：预备热处理热处理：预备热处理：球化退火球化退火 最终热处理最终热处理：淬火淬火+ +低温回火，使用状态组织：回火隐低温回火，使用状态组织：回火隐晶马氏体晶马氏体+ +剩余剩余C C化物颗粒化物颗粒+ +残残A A（导热差，淬火预热，分级加（导热差，淬火预热，分级加热）热）第二节第二节 高速工具钢高速工具钢大幅提高钢的红硬性大幅提高钢的红硬性 低合金刃具钢：250硬度
6、大幅下降60HRC高红硬性高红硬性，600以上，硬度60HRC 高淬透性高淬透性：风钢之称（中小型刃具在空气中能淬透） 切削速度24倍，寿命815倍。含有大量 W，Mo， Cr, V， Co等合金元素（合金元素为高耐磨性服务，因为量大，很容易得到马氏体）高速工具钢高速工具钢高高C C 高合金高合金 C C： 0.71.65%0.71.65% W: 022% Mo 0-10% Cr 4% W: 022% Mo 0-10% Cr 4% V: 15% Co 0-12% V: 15% Co 0-12%各元素作用：各元素作用：p65p656666a.a.C:C: 淬透性及马氏体淬透性及马氏体 C C浓度
7、，浓度，硬度硬度 C C与与CrCr、W W、MoMo、V V等形成等形成C C化物，化物，硬度，耐磨硬度，耐磨 性，红硬性性，红硬性 C C含量含量 过高过高 过低都不好，平衡过低都不好，平衡C C理论理论 C = 0.033W + 0.063Mo + 0.06Cr+0.200V高速工具钢高速工具钢b b、合金元素、合金元素 红硬性红硬性 Cr. W. Mo. V大量细小，弥散、坚硬，不易聚集 长大的C化物二次硬化 W 维持马氏体晶格，马氏体高温稳定性 固溶Cr. W. Mo等高温（500-600）固溶效果好， 使基体有热强性 Cr 高温氧化能力, Cr 减少粘刀 Co 高速钢熔点 淬火温度
8、 Cr. Mo. W.V等合金元素溶解，固溶强化基体 减慢合金C化物析出和聚集长大，细化C化物 二 次硬化能力及红硬性（P66P66，figure 4figure 41010） CoW金属间化合物，弥散强化高速工具钢系列高速工具钢系列W系 （W18Cr4V 为代表）高硬，高耐磨，高红硬 性，但脆性大，产生崩刃（C化物不均匀所致）Mo系：Mo8Cr4V2为代表，高硬，高耐磨，高红硬，C 化物不均匀性小，韧性高，但脱C倾向性大， 且过热敏感性大） W-Mo系：W6Mo5Cr4V2为代表（高温轴承），小的脱C 敏感性与过热敏感性，脆性小，韧性高（红 硬性最低）高钒高速 进一步提高红硬性和耐磨性高钴高
9、速 进一步提高红硬性，超硬高速 加工难切削材料高速钢的铸态组织及其压力加工高速钢的铸态组织及其压力加工高高C C高合金，铸态有共晶体（莱氏体）高合金，铸态有共晶体（莱氏体） p60,figure 4-2C C化物量大且分布不均匀，化物量大且分布不均匀， C C化物分布不均的危害化物分布不均的危害 p61, read together消除高速钢中碳化物分布不均匀性的方法消除高速钢中碳化物分布不均匀性的方法 p61,read together 高速工具钢的热处理高速工具钢的热处理W18Cr4V, W18Cr4V, AccmAccm 1330 1330a.a.球化退火球化退火（Ac1+20-30）
10、目的：降低硬度，便于机加工，为淬火作组织准备。目的：降低硬度，便于机加工，为淬火作组织准备。 退火后组织：索氏体基体上分布着均匀的退火后组织：索氏体基体上分布着均匀的C C化物颗粒）。化物颗粒）。退火温度太高不好（退火温度太高不好（中中MeMe，冷却时稳定性差，易得，冷却时稳定性差，易得到到M M，硬度太高）硬度太高）b.b.淬火淬火， 两次预热：两次预热：减小变形开裂倾向；减小变形开裂倾向；减小高减小高 温氧化及过热倾向温氧化及过热倾向 高温淬火高温淬火：加热温度，（：加热温度，（12801280，AcAccmcm以下尽可能以下尽可能 高）促进高）促进C C化物溶解，即化物溶解，即合金元素的
11、含量，保合金元素的含量，保 证红硬性（马氏体中合金元素含量证红硬性（马氏体中合金元素含量，回，回 火稳定性火稳定性） 冷却：大、中尺寸，油冷；小尺寸刃具，冷却：大、中尺寸，油冷；小尺寸刃具， 分级淬火、等温淬火分级淬火、等温淬火 （高速钢淬火后的正常组织，（高速钢淬火后的正常组织，p63p63， figure 4 figure 46 6，过烧组织，过烧组织，4 47 7）高速工具钢热处理高速工具钢热处理三次高温回火：三次高温回火：560560，回火时马氏体，残，回火时马氏体，残A A变化，变化， 未溶未溶C C化物不变化化物不变化 组织：马氏体（组织：马氏体（60%60%）+ +残残A A（3
12、0%30%）+C+C化物颗粒（化物颗粒（10%10%） 560 560左右，回火时硬度，抗弯强度达到峰值左右，回火时硬度，抗弯强度达到峰值 p64， figure 48，figure 49 二个原因：二次硬化二个原因：二次硬化+ +二次淬火二次淬火 大量的大量的W W、MoMo、V V的的C C化物析出，化物析出，C C化物粒状细小，弥散，均化物粒状细小，弥散，均 匀，弥散分布（第二相强化）匀，弥散分布（第二相强化）二次硬化二次硬化 残残A A应力释放，析出应力释放，析出C C化物，化物，C C和合金含量和合金含量，残，残AMAM，硬度，硬度 二次淬火现象二次淬火现象 600600以上回火，以
13、上回火，C C化物聚集，硬度化物聚集，硬度W18Cr4V, W18Cr4V, AccmAccm 1330 1330高速工具钢的热处理高速工具钢的热处理 高速钢热处理高速钢热处理：球化退火球化退火+ +（二次预热）（二次预热）+ +高温淬火高温淬火+ +三次高温回火三次高温回火使用态组织：回火马氏体（使用态组织：回火马氏体（6570%6570%）+ + C C化物颗粒（化物颗粒（20%-25%20%-25%）+ +残残A A（5%5%左右）左右）（插入 “王” p75，figure 4.6）总结总结:第三节第三节 冷作模具钢冷作模具钢 冷变形模具（又称冷作模具）包括拉延模、拔丝模、压弯模、冲裁模
14、(落料、冲孔、修边模、冲头等)、冷镦模和冷挤压模等。使用性能要求：使用性能要求： 高淬透性，更高耐磨性，更高韧性高淬透性，更高耐磨性，更高韧性 冷作模具钢钢种冷作模具钢钢种（1 1）尺寸小，形状简单，轻负荷的冷作模具尺寸小，形状简单，轻负荷的冷作模具 优质C素工具钢，T7A，T8A等 缺点：淬透性低，淬火变形大，耐磨性低。（2 2）尺寸大，形状复杂，轻负荷的冷作模具）尺寸大，形状复杂，轻负荷的冷作模具 （淬透性必须高，变形必须小，耐磨要求不高） 9SiCr9SiCr， CrWMnCrWMn，GCr15 等（低变形钢），它们淬 透性大， 油冷即可，变形开裂倾向小（3 3）尺寸大，形状复杂，重负荷
15、（中、高合金）尺寸大，形状复杂，重负荷（中、高合金 钢，高速钢）钢，高速钢） 高铬及中铬的模具钢高铬及中铬的模具钢高铬及中铬的模具钢高铬及中铬的模具钢 Cr12Cr12(C2.002.30%)；Cr6WV高高C C，高合金，高合金，注意：a.C化物不均匀性及危害，去除方法、铸态多次墩粗，拉伸去除；锻造后正火去除b.加热时分级预热 热处理：热处理：一次硬化法：球化退火+低温淬火+低温回火 组织：回火马氏体+粒状C化物+少量残A二次硬化法：球化退火+高温淬火+23次高温回火 组织：回火马氏体+粒状C化物+少量残A 高硬度，高耐磨，高红硬，但韧性低，变形大，少用第四节第四节 热作模具钢热作模具钢与冷
16、作模具相比，使用条件与冷作模具相比，使用条件( (p69p69) )，性能要求：性能要求：（1 1）模腔表层金属受热（热挤压模）模腔表层金属受热（热挤压模500-800500-800受热，受热， 锤锻模，锤锻模，400400以上）以上） 高温硬度，高温强度，高温塑变抗力，即钢的回火稳定性要高，加入Cr,W.Si等提高回火稳定性，而非红硬性，只要有强度即可（2 2）抗热疲劳性能）抗热疲劳性能 反复的热胀冷缩要求高的热疲劳抗反复的热胀冷缩要求高的热疲劳抗力，其影响因素力，其影响因素 a、钢的导热性，这与C含量有关，选用中C钢（0.30.6），C太低也不利（硬度，强度下降） b、钢的临界点影响，AC
17、1，疲劳倾向性小 (Cr,W,Si提高临界点)锤锻模锤锻模 要求：要求：冲击韧性（冲击力大），冲击韧性（冲击力大）， 淬透性要求高（模具尺寸淬透性要求高（模具尺寸 较大，而且要求组织和性能均匀）较大，而且要求组织和性能均匀）常用的锤锻模钢常用的锤锻模钢，以，以5CrNiMo5CrNiMo，5CrMnMo5CrMnMo最常用，成分最常用，成分 与调质钢相近，只是与调质钢相近，只是C C含量较高含量较高 Cr Cr提高淬透性，耐磨性及回火稳定性，提高淬透性，耐磨性及回火稳定性， Ni Ni提高韧性，淬透性，耐热疲劳性。提高韧性，淬透性，耐热疲劳性。 MnMn代替代替NiNi，淬透性，但强度，韧性不
18、如含淬透性，但强度，韧性不如含NiNi Mo Mo：细化晶粒，提高韧性及减小回火脆性：细化晶粒，提高韧性及减小回火脆性热处理：淬火热处理：淬火+ +高温回火（高温回火（450-500450-500）组织：回火索氏体（回火屈低体）组织：回火索氏体（回火屈低体）+ + 残残A A（高强、（高强、 高韧）高韧）热挤压模用钢热挤压模用钢 性能要求：性能要求：高的高温强度和高的耐热疲劳性能，冲高的高温强度和高的耐热疲劳性能，冲 击韧性要求不高，因为加载速度慢击韧性要求不高，因为加载速度慢常用钢种：常用钢种： 3Cr2W8V3Cr2W8V 半高速钢，是高热强钢，有明显的二次硬化效半高速钢，是高热强钢，有明
19、显的二次硬化效果，热硬性，热强性，回火稳定性都较高，能在果，热硬性，热强性，回火稳定性都较高，能在600-650600-650长期长期股役）股役） H13H13(4Cr5MoSiV1)(4Cr5MoSiV1)(进口进口) ) （韧性与热疲劳抗力都较前者高）（韧性与热疲劳抗力都较前者高）热处理：热处理： 冲击负荷大的模具冲击负荷大的模具：低温淬火（：低温淬火（11001100以下）以下） 工作温度高但冲击负荷不大的模具工作温度高但冲击负荷不大的模具：高温淬火（高温淬火（1140-11501140-1150） 回火回火：560-660560-660，多次回火，多次回火，550550回火，出现二次硬化效果。回火，出现二次硬化效果。 组织组织：回火马化体回火马化体+ +粒状炭化物残粒状炭化物残A A 压铸模用钢压铸模用钢 要求与热挤压模相近，选钢种相要求与热挤压模相近，选钢种相 近，但对不同熔点的合金压铸，选材近，但对不同熔点的合金压铸，选材 不同。不同。低熔点合金：调质钢低熔点合金：调质钢40Cr,40CrMo40Cr,40CrMo A1 A1，MgMg，可用热挤压模具用钢，可用热挤压模具用钢， 4CrW2Si 4CrW2Si（高韧冷作模、热挤压、模（高韧冷作模、热挤压、模 压铸模均可用）压铸模均可用）高熔点：高熔点：Cu, Cu, 可用可用3Cr2W8V 3Cr2W8V
