第四章工具钢

第四章工具钢 第一节碳素及低合金工具钢第二节高速工具钢第三节冷作模具钢第四节热作模具钢 概述 工具钢按用途 分为刃具钢 模具钢和量具钢三大类 按照钢的化学成分 分为碳素工具钢和合金工具钢两大类 在合金工具钢中 又分为低合金刃具钢 高速钢和模具钢 实际使用上有时同一个钢种往往既可作刃具又可作模具或量具 第一节碳素及低合金工具钢 概述 刃具中有车刀 刨刀 铣刀 滚刀 钻头 丝锥 板牙以及挫刀 锯条等等 服役条件 在切削金属的过程中刀刃受到弯 扭 剪 冲击 震动和摩擦等力的作用 同时引起刀刃温度的升高而失去切削能力 也易被磨耗 性能要求 要求刃具钢具有高的强度 硬度 耐磨性和热硬性 一 碳素工具钢碳素工具钢是工具钢中冷 热加工性良好 使用范围较广 成本较低的一类钢种 它的碳含量在0 65 1 35 锰含量在0 15 0 60 钢号从T7 T13计八种 在淬火 低温 50 250 回火后硬度可达HRC58 64 并且具有较好的综合机械性能 二 低合金工具钢1 常用的低合金工具钢有Cr Cr2 9SiCr 9Mn2V CrMn CrWMn等 其特点如下 1 工作温度低于300 2 高碳 0 90 1 10 C 保证高硬度与高耐磨性 3 加入铬 硅 锰 钒等元素提高淬透性和回火稳定性 常用合金工具钢牌号 成分及用途 总之 低合金工具钢的工作温度不能超过250 否则硬度下降 切削能力减低 因此 只宜用于制造慢速切削硬金属或耐磨性要求稍高的车 刨 铣等刀具 圆饭牙生产过程的工艺路线如下 下料 球化退火 机械加工 淬火 低温回火 磨平面 抛槽 开口 第二节高速工具钢 一 概述按照钢中主要的化学成分 高速钢可分为三大类 1 钨系 代表性钢号为W18Cr4V 即所谓18一4 1 2 钨一钼系 钢号为W6Mo5Cr4V2 即所谓6 5 4 2 3 钼系 代表性钢号为Mo8Cr4VW 二 高速钢的主要特点是 1 工作温度可达500 600 有很高的热硬性 593 HRC 55 2 高碳 0 70 1 10 C 保证硬度和耐磨性 3 加入较多的钨 钼 钒 铬等元素 钨 钼 可产生 二次硬化 以保证热硬性 同时较多的碳化物可显著地提高耐磨性 V部分溶于奥氏体中 淬火后使马氏体抗回火稳定性增高 阻碍马氏体分解 并弥散析出VC产生次生硬化 铬可提高淬透性 铸态高速钢组织中粗大的共晶碳化物必须经过反复锻轧将其破碎 使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物 不然 这种碳化物的不均匀性对高速钢刀具的质量和使用寿命将有极大影响 原因是 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 热处理后刀具的硬度 热硬性和耐磨性都降低 抗弯强度 韧性指标挠度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 三 热处理1 淬火高速钢高温加热淬火的目的是为了获得高合金的马氏体 钢号W18Cr4VW6Mo5Cr4V2淬火温度范围 1260 13101210 1245常用淬火温度 12801230淬火时通常采用油淬到300 出油空冷 高速钢淬火后有20 以上的残留奥氏体 在 70 80 冷处理 残留奥氏体量可减到6 8 再经两到三次回火可消除 2 回火高速钢淬火后在回火过程中 随回火温度升高 硬度略有下降 在450 以上硬度又重新升高 此时 钼 钨和钒的原子开始扩散 并从马氏体中脱溶 形成特殊碳化物M2C和MC 这些微细的碳化物很稳定 不易聚集长大 起着弥散硬化作用 产生二次硬化 并在550 570 硬度达到最高值 因此 高速钢的回火温度范围约在540 580 区间 齿轮滚刀可用高速钢W18Cr4V钢制造 其工艺路线为 热轧棒材下料 锻造 球化退火 粗加工 淬火 回火 精加工 表面处理 粉末高速工具钢的开发 高速工具钢一次碳化物完全微细化且均匀分布是高速工具钢生产者的理想 其实际的方法是使钢液快速凝固 减小钢模锭的尺寸 可以达到快速冷却的目的 此时碳化物尺寸及偏析也小 将钢锭模尺寸推向极限小的称为粉末高速工具钢 硬质合金 金属陶瓷 硬质合金是将碳化物 TiC WC TaC SiC 粉末与Fe Co Ni及其合金混合 采用烧结方法制成的复合合金的总称 其中WC Co系合金具有优越的性能 近年来 应用化学气相沉积 CVD 法 TiN TiCN TiC Al2O3 或物理气相沉积 PVD 法 TiN TiC TiCN 发展了包覆着各种硬质保护膜的覆膜硬质合金 正在逐步占领高速工具钢的一部分领域 第三节冷作模具钢 一 概述冷作模具钢是用来制造金属在常温状态下变形的模具 如冷冲 冷镦 切边 搓丝 拉丝等模具 它们工作条件的共同点是 使用温度虽然不高 但模具工作时受到高的压力或冲击力 与被加工金属之间发生强烈摩擦 为了保证模具的几何精度 减小磨耗 提高使用寿命 模具钢应具有高强度 高耐磨性和一定的韧性 同时要求热处理淬火变形要小 淬透性要高 热处理后的硬度应在58 64HRC之间 冷作模具钢按性能可分为 1 淬透性低的碳素工具钢T8 T12 2 淬透性较高的9Mn2V 9SiCr CrWMn等 3 高韧性的4CrW2Si 5CrW2Si 6CrW2Si等 4 高淬透性 高耐磨性和淬火变形小的Cr12 Cr12V Cr12MoV Cr6WV等钢种 二 Cr12型冷作模具钢Cr12 Cr12V和Cr12MoV含12 Cr 均属于高碳 最高可达2 3 C 高铬的亚共晶钢 铸态的组织为莱氏体 共晶碳化物 Cr7C3 为了提高钢的韧性并细化晶粒 加入钼和钒 同时适当降低碳量 因而Cr12V 1 3 C 和Cr12MoV 1 6 C 钢的综合性能比Cr12有所改善 广泛用于制作截面大 负荷重 形状复杂能经受大冲击力的冷作模具 三 Cr12型钢的热处理退火 热加工成型后要进行等温退火 得到的组织是铁素体基体上分布着较大颗粒的共晶碳化物和均匀分布的粒状碳化物 淬火 一次硬化法 低温淬火 低温回火法 即在980 1030 的较低温度加热淬火后 进行150 170 低温的一次回火 保温2 3小时 这种处理方法变形小 耐磨性高 硬度可达HRC61 63 Cr12MoV钢制冲孔落料模生产过程的工艺路线如下 锻造 退火 机加工 淬火 回火 精磨或电火花加工 成品 几种冷作模具钢性能比较 1 耐磨性 T10 9Mn2V CrWMn Cr6WV Cr12MoV 抗磨能力不同的主要原因是这三类钢中的碳化物类型和数量的不同 如T10 9Mn2V钢约有Fe3C8 CrWMn约有Cr23C68 而Cr6WV和Cr12MoV均含有Cr7C316 19 2 强度 强度取决于钢的淬透性 奥氏体晶粒大小和钢中碳化物分布的均匀性 3 韧性 T10 Cr6WV Cr12MoV Cr12 冲击韧性除与奥氏体晶粒大小有关外 还与碳化物的不均匀度相关 基体钢 对基体钢实际上没有明确的定义 凡是在高速钢基体成分上添加少量其他元素 适当增减碳含量以改善钢的性能 适应某些用途的钢种都可称为基体钢 它既有高速钢基体的强度和热硬性 又不含有由于过多的未溶碳化物带来的脆性 常见的有 5Cr4W2Mo3V 6Cr4Mo3Ni2WV 55Cr4Mo5WVCo等 低碳高速钢 应用较多的是6W6Mo5Cr4V钢 碳与钒都降低 其碳含量w C 为0 55 0 65 钒含量w V 为0 70 1 10 仍属莱氏体钢 由于碳化物少 韧性和工艺性能也明显改善 用做冷挤压模 比高铬冷作模具钢寿命长 第四节热作模具钢 一 概述 金属在一定形状的膜腔内流动成型的加工方法可分为两类 一类是将固态金属加热到高温 然后在巨大压力或冲击力作用下使其在型腔内变形成型 如锤锻 挤压 拉伸 顶锻等 另一类是将金属熔化后 用压力将液态金属注入型腔内凝固成型 这种方法叫压铸 热作模具钢就是制做热压 锤锻和压铸模具的材料 要求钢的热强性 抗热疲劳性能和抗氧化性都要好 钢还应具有高的淬透性和较小的变形 热作模具钢的合金化特点 热作模具钢的含碳量大多是中碳 0 30 0 50 C 范围 钢中加入铬 镍 钨 钼 钒 硅 锰等合金元素 铬 硅 锰提高淬透性 镍可提高钢的韧性 并与铬 钼一起提高耐热疲劳性能 钨 钼 钒可产生二次硬化效果 钼还能防止第二类回火脆性 提高高温硬度和回火稳定性 铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性 二 锤锻模钢锻模按尺寸分为三种 1 模子高度 300毫米为小型锻模 2 模子高度在300一400毫米之间为中型锻模 3 模子高度 400毫米为大型锻模 热锻模钢对韧性要求高 而对热硬性要求不太高 典型的有 5CrMnMo钢适于制造中小型锻模 5CrNiMo和5CrMnSiMoV适于制造形状复杂 冲击负荷重的大型锻模 5CrMnMo钢制扳手热锻模生产过程的工艺路线如下 锻造 退火 粗加工 成型加工 淬火 高温回火 精加工 修型 抛光 三 热压模及压铸模模具与热的金属接触时 热压模温度高达500 800 以上 同时由于模具使用时受周期性的急冷 急热 模子内外温差较大 内应力也大 容易引起热疲劳裂纹的产生 所以要求钢的热强性 抗热疲劳性能和抗氧化性都要好 钢还应具有高的淬透性和较小的变形 常用钢种是中铬中碳系列 如3Cr2W8V 4Cr5MoSiV1 H13 等 4Cr5MoSiV1 H13 是一种空冷硬化的热作模具钢 具有较高的热强度和硬度 高的耐磨性和韧性 且具有较好的耐冷热疲劳性能 一般在1000 1025 淬火后 在略高于二次硬化峰值的温度540 650 回火 组织为回火马氏体 粒状碳化物和少量残余奥氏体 与高速钢类似 为了保证热硬性 要进行多次回火 3Cr2W8V钢虽然只含有0 3 0 4 C 但合金元素更多 因而热强性也更好 常采用固溶处理 温度为1050 1100 回火时也有二次硬化现象 因而选择550 620 的高温回火 3Cr2W8V钢的主要缺点是在常温下承受冲击的能力差 使用前模子必须很好地预热 使用中防止急冷 否则会引起开裂 该钢种也可用于制造铜 镁