第4章 工具钢--20090316

第四章工具钢 主要内容概述 刃具钢 模具钢 量具钢 碳素及低合金工具钢高速工具钢 重点 冷作模具钢热作模具钢 工具钢与常用结构钢的简单比较 结构钢工具钢成分 C 中低C中高C合金元素 中偏低中偏高组织 P S T B MM S T热处理 退正淬回淬火回火性能 综合性能 强韧 热 硬 强应用 工程或制造结构各种工具 4 1概述 一 按用途分类刃具钢应用 用于刃具 如车刀 刨刀 丝锥 锉刀 锯条性能要求 要求高硬度 高耐磨性 一定韧性和塑性 有时需要热硬性 钢种 T7 T12 W V Cr Cr2 CrWMn 9Mn2V CrW5 W18Cr4V 模具钢热作模具钢要求高温下的硬度和强度 抗热疲劳和良好的韧性 如锤锻模 挤压模 压铸模 5CrNiMo 5CrMnMo 3Cr2W8V冷作模具钢高硬度 耐磨性和一定的韧性 如冲切模 搓丝模 拉丝 剪刀片 T8 T12 Cr12V Cr12MoV量具钢要求高硬度 高耐磨性和尺寸稳定性如量规 样板 卡尺 二 按成分分类1 碳素工具钢2 低合金工具钢3 高合金工具钢 高速钢 注意 同一种钢种有时既可作刃具钢又可作模具钢或量具钢 三 基本性能要求 使用性能硬度与耐磨性 热硬性 强度韧塑性热疲劳性能工艺性能淬透性 变形与开裂倾向氧化与脱C敏感性切削加工性 磨削性 4 2碳素及低合金工具钢 一 碳素工具钢成分 中高C钢 0 65 1 35 组织 高C回火马氏体 细粒状K HRC58 64 牌号 T7 T13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 热处理球化退火 淬火与低温回火性能成本低 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200 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 加入合金元素 如Si Mn Cr W Mo V合金元素作用 提高耐磨性 高淬透性 淬火变形小 回火稳定性好 细化晶粒 提高韧性 增大热硬性 钢种 Cr06 Cr Cr2 9Cr2 9SiCr 8MnSi CrMn CrWMn CrW5 W V不足 热硬性差 难以满足高速切削的需要 HighSpeedToolSteel 4 3高速工具钢 一 高速钢概述用途 适用于高速切削刀具 也可制作高温工作的弹簧 轴承和模具 特点 合金度高 高热硬性 刃部在650 时实际硬度仍高于HRC50 主要性能 高硬度 高热硬性 高耐磨性 高强度和一定的韧性成分 C W Mo Cr V Co Nb Al Si 高速钢的分类W系W18Cr4VW Mo系W6Mo5Cr4V2Mo系Mo8Cr4VW高C高V含Co高V 通用型高速钢 特殊高性能高速钢 表主要高速钢的平均化学成分 二 高速钢中的组成相 高速钢的平衡组织 合金F和合金K常加入合金元素 W Mo Cr V可形成的合金碳化物 M6C型 W Mo的K 溶解Cr V CoM23C6型 Cr Fe Mo W V 23C6MC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 三 高速钢的铸态组织 高合金莱氏体钢平衡结晶过程为 L 高温 1400 包晶反应L 1345 包共晶反应L K1330 1300 L K共晶反应碳化物呈鱼骨状 骨络之间为 870 800 包析反应 K 800 共析反应 K Fe W Cr C系的变温截面 平衡状态组织 合金 合金KK M6C M23C6 MC Fe3C少或无 铸态组织鱼骨状Le 黑色与白色组织凝固过程包晶反应不能进行完毕 部分 相被保留 1 共析分解 M6C 随后 K T 屈氏体 这种转变产物金相形态呈黑色 称为 黑色组织 2 共析反应被抑制而过冷到低温 转变为M和Ar 形成 白亮组织 四 碳化物的不均匀性与改善途径 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 粗大的共晶碳化物 碎化 颗粒状K危害 热处理后刃具的硬度 热硬性 耐磨性 抗弯强度 韧性指标因碳化物不均匀而降低 W18Cr4V的铸态组织 W6Mo5Cr4V2的铸态组织 改善碳化物不均匀性的措施 1 采用小锭型 或扁锭 加快凝固 减少集中偏析和使莱氏体共晶细小 2 增大钢锭锻压比 反复拉拔和镦粗 3 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 4 粉末冶金方法 五 高速钢的热处理 球化 退火 淬火与回火 球化 退火组织 粒状P S KK vol 约为30 W18Cr4V钢 其中 M6C 16 19 M23C6 9 MC 1 5 2 图3W18Cr4V钢的淬火回火工艺图 W18Cr4V热处理工艺特点 1 一次或两次预热 往往采用 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 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 8 9级 目标 淬火后获得高合金的M组织 具有很高抗回火稳定性 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4W18Cr4V钢奥氏体成分与淬火温度的关系 M23C6 900 开始溶解 1090 全部溶解 M6C 1037 开始溶解 1250 以上溶解量逐惭减小 MC 1100 开始溶解 溶解速度比M6C缓慢 1280 时 奥氏体中 0 5 C 7 8 W 4 Cr 0 6 0 8 VK总量为9 10 其中 M6C7 5 9 MC1 1 5 3 可采用分级淬火一般采用油淬空冷 淬火后组织为 M 20 25 Ar 9 10 未熔K为了减少工件变形 采用一次或多次分级淬火 对于大型复杂刃具 细长件和薄片件采用等温淬火 以减少变形并提高韧性 贝氏体组织 4 回火温度高 回火次数多回火目的 是从马氏体中析出弥散M2C和MC 产生强烈二次硬化效应 同时消除残余奥氏体和组织应力 回火温度高 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含量 也间接地提高了性能 图5W18Cr4V钢回火时硬度变化 进一步提高高速钢的性能 采用表面强化方法 通过化学热处理或在刃具表面覆层 1 表面氮化 如辉光离子氮化 气体软N化 硫氮共渗或硫氮硼等多元共渗 蒸气处理等 2 PVD法在工件表面沉积TiC或TiN覆层 具有高硬度 高耐磨性 抗粘着性和抗咬合性 显著提高工件使用寿命 六 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 C 0 70 1 65 除0 5 固溶在M中 大部分C与W Mo V Nb Cr形成K W或Mo主要是提高热硬性 比较 Mo系高速钢共晶碳化物为细鸟巢状 减少了K的不均匀性 抗弯强度和冲击韧性较高 磨削性能好 Mo2C比W2C析出温度较低 易长大 热硬性不如W系 高温下容易脱C 现常选用W Mo系 V提高钢的耐磨性和钢的热硬性 Cr主要起提高钢的淬透性 可提高钢的回火稳定性和抗氧化性 Co主要是提高钢的热硬性 但降低韧性 增加脱C倾向 有5 8 12 三个级别 1 绝大部分溶于固溶体 使钢熔点升高 有利于提高热硬性 2 使W Mo较多在基体中 提高抗回火稳定性 延缓K析出 保持亚结构 加入Si Al Ti Nb N BN 0 05 0 10 于高C超硬高速钢中 可提高热硬性 常与Al配合加入 RE 可明显改善其在900 1150 之间的热塑性 Si 提高抗氧化性能 4 4冷作模具钢 一 概述冷作模具钢是用来制作使金属冷变形的模具 如冷冲 冷镦 冷挤压 冲裁拉丝等模具 具有高硬度和耐磨性 一定韧性 常用两类1 中小型模具如T12 Mn2V Cr2 CrWMn等 2 大型模具高淬透性 高耐磨的高碳高铬钢 高碳中铬钢 低C高速钢或基体钢 如 Cr12 Cr12MoV 高碳高铬钢 Cr6WV Cr4W2MoV Cr5Mo1V 高碳中铬钢 6W6Mo5Cr4V2 5Cr4W3Mo2VNb 低C高速钢 50Cr4Mo3W2V 60Cr4Mo3Ni2WV 基体钢 二 高铬和中铬模具钢 Cr12及Cr12MoV高C亚共晶莱氏体钢 Cr7C3型 HV2100 具有高淬透性 可用两种热处理工艺 1 低温淬火和低温回火 M Ar 少 HRC61 63 2 高温淬火与高温回火 M Ar 多 多次回火 提高硬度 三 新型冷作模具钢 1 高韧性 高耐磨性模具钢8Cr8Mo2VSi Cr8Mo2V2WSi等 2 粉末冶金冷作模具钢用水雾化法将钢水雾化成细小钢粉末 通过快速凝固 每颗粉末中的高合金莱氏体得到细化 显著改善烧结后钢的韧性 可以生产用传统冶金方法难以生产的高碳高合金冷作模具钢 使钢中含有更多的硬质碳化物VC 具有更高的耐磨性 4 5热作模具钢 金属的热成型有两种途径锤锻 挤压 压铸工作条件对热作模具钢提出的要求高温硬度 高温强度 高抗热塑性变形能力 高韧性 高抗热疲劳 良好的抗热烧蚀性 一 锤锻模钢 锤锻模具钢的组织应是中碳 0 5 C 回火索氏体5CrMnMo 5CrNiMo 830 850 淬火 5