工具钢,金属材料及热处理课件.ppt

零件材料选择基本原则一、选择材料的基本原则,1、材料使用性能要求最大限度发挥材料潜力,2、材料的工艺性能加工工艺性能良好,3、经济性涉及材料的价格、加工成本、国家资源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系,4、其它因素材料毛坯的选择、生产设备的可能性、环境协调性等,二、零件的加工工艺路线基本上可分为三类：（1）性能要求不高的零件一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简单：毛坯正火（退火机械加工零件。如直接用型材加工，则不需要进行热处理。（2）性能要求较高的零件合金钢制造的轴、齿轮等零件。工艺路线：毛坯预先热处理机械粗加工最终热处理（淬火回火或渗碳淬火等)精加工。,（3）要求高的精密零件一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线为：毛坯预先热处理机械粗加工热处理半精加工氮化处理精加工去应力退火零件。,三、选择材料的基本思路及方法,分析零件工作条件,确定主要失效抗力指标作为选材的基本依据,考虑工艺措施,考察经济性和生产成本,选择材料,注意,要合理引用手册上材料的力学性能数据；尽量选用简化加工工艺的材料；零件材料选择要考虑零件的综合成本,四、典型零件材料选择与工艺分析1、齿轮类零件不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。,机床齿轮,载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力，转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、42SiMn等钢，热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火,一般工艺路线为：备料锻造正火粗加工调质处理半精加工高频淬火+回火磨削,汽拖齿轮,汽车、拖拉机上的变速箱齿轮属于重载荷齿轮。一般都采用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等，进行渗碳热处理。,一般工艺路线为：备料锻造正火粗加工渗碳+淬火+回火喷丸磨削,重载齿轮,航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢，如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等钢。,工艺路线较复杂：备料模锻正火+高温回火机械加工渗碳高温回火机械加工淬火+回火精加工检验。,2、轴类零件,轴是各类机械中最基本零件，也是关键零部件。它直接影响精度和使用寿命。各种轴的尺寸差别很大，一般钟表的轴直径在0.5mm以下，而汽轮机转子轴直径可达1m以上。,服役条件主要共同点,传递扭矩，交变性，有时会承受弯曲、拉压负荷；都有轴承支承，轴颈处受磨损，需要较高的硬度，耐磨性好；大多数承受一定的冲击和过载。,主要失效方式,断裂、疲劳断裂和过量磨损。轴类零件主要是按强度来选材的，并考虑一定韧度和耐磨性。,目前常用轴的材料及工艺如下：,（1）轻载主轴。如普通车床主轴，负荷小，冲击力不大，磨损也不严重，一般采用45钢，整体经正火或调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。,（2）中载主轴。如铣床，中等负荷，有一定冲击力，磨损也较重，一般用40Cr等制造，进行调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。如冲击力较大，也可用20Cr等钢进行渗碳淬火,（3）重载主轴。如组合机床的主轴，负荷较大，冲击力大，磨损严重，可用20CrMnTi钢制造，渗碳淬火。,（4）高精度主轴。如精密镗床的主轴，虽然负荷不大，磨损也不严重，但是精度要求很高，一般可用38CrMoAlA氮化钢制造，经调质后氮化处理，可满足要求,第六章工具钢,工具钢按其用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。高速工具钢因其成分和组织的特殊性以及产量大，一般另为一类。模具钢根据工作状态可分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢。量具钢用来制作量规、卡尺、样板等。用来测量工件尺寸和形状,6.1概述1、工具钢成分与性能特点,主要矛盾,韧度和耐磨性间的合理平衡基体成分、硬度和K的性质、数量、形态和分布。,成分组织,0.61.3%C+足够数量KM硬度和切断抗力较高、耐磨性好。Cr、W、Mo、V等:淬透性、耐磨性和热稳定性；Mn、Si辅助加入:淬透性，回稳性第二相K球状、细小、均匀分布。,工艺特点,锻造球化退火不完全淬火淬火工艺参数要求严格。,变形开裂倾向,工艺措施,热应力,组织应力,变形,开裂,分级加热、分级淬火、等温淬火、双液淬火等,2、工具钢基本性能及检测方法,强度塑性,静弯或扭转试验弯曲强度、挠度和扭转强度、扭转角；?,韧度,硬度,热稳定性,一般采用无缺口冲击试样?,一般硬度60HRC以上，K可适当硬度23HRC,对高速钢，通常就是红硬性,淬透性,断口法碳素工具钢和低合金工具钢；端淬法合金工具钢，以端淬曲线上60HRC处距水冷端距离表示。淬透性作用强弱顺序：Si、Mn、Mo、Cr、Ni,Me淬透性,只有溶入A中，才起作用；Me作用随钢中含碳量而变化，如Si。工具钢淬透性随热处理条件而变化,如V,注意点,Si对不同含C量钢的淬透性影响,V在不同淬火温度时对淬透性的影响,6.2刃具钢,用来制造各种切削刀具的钢种。一、性能要求失效形式：刃部磨损；受冲击崩刃或断裂；变形。,切削加工的基本形式,性能要求：高硬度(HRC60),主要取决于含碳量。高耐磨性靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。高热硬性即高温下保持高硬度的能力。足够的韧性以防止脆断和崩刃。,二、碳素工具钢共有七个牌号：T7T131、成分特点：高碳(0.651.35%C)随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。,2、热处理正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的：降低硬度,便于加工;为淬火作组织准备。,3、用途由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。,T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。,三、低合金工具钢由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成。Me作用：加入锰、硅、钨、钼、钒等元素，淬透性、耐磨性和回火稳定性等，采用缓冷方式，变形开裂。,Cr:1%左右，细化K，均匀分布；Si:低温回稳性，Si强化F,切削加工性,脱碳敏感性，不单独加入；W:0.51.5%，W含量太多，使K分布不匀，恶化性能。,热处理及组织同碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。使用状态下的组织为：M回+颗粒状碳化物+A(少量),9SiCr：,Si、Cr淬透性，D油60HRC；K细小、均匀不容易崩刃；分级或等温处理，变形较小；Si使脱碳倾向较大。,适于制作形状较复杂、变形要求小工件，特别是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。,球化退火工艺,CrWMn：,Cr、W、Mn复合，淬透性，D油=5070mm；AR在1820%，淬火后变形小；含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒细小高硬度、高耐磨性；回稳性较好，250回火，10%AR+K1,回火,回火,M回+M+少量AR+K2,M回+AR（少量）+K3,（K1等以示区别）,W18Cr4V高速钢回火次数与残余奥氏体量（a）和性能（b）的关系,W18Cr4V钢回火一次金相组织（400X）,W18Cr4V钢回火三次的金相组织（400X）,同步热处理：关键是正确选择回火温度与保温时间，以便和淬火工艺相匹配。思考:可能有什么问题?表面处理：强化方法:化学热处理或在刀具表面覆层表面氮化、表面硫氮共渗等多元共渗、蒸气处理等，560。物理气相沉积(PVD法)，在表面沉积TiC等覆层。,新型工具钢：,日本神户钢铁公司开发粉末工具钢Fe18Cr2Mo1V2.2C(KAD181)，经HIP后不用锻造，具有很好的性能，在模具、辊子、刀具等方面应用很广泛,美国开发坩埚粉末冶金法（CPM）韧性和耐磨性,使用寿命。如CRMT440V(Fe17Cr0.4Mo5.5V)的耐蚀性与不锈钢T-440C差不多，但耐磨性是T-440C的几倍，制成的造球机刮刀，其实际使用寿命是T-440C的20倍.,经济合金化是高速钢的一个发展方向，在不降低性能的前提下尽可能降低钢中的W含量,工模具表面技术:是高速工具发展的一个重要方面，近年来已成功利用离子渗入法在工具表面涂覆TiC、TiN、Ti(C,N)等涂层，发挥了优越的性能。在新型工具材料的开发上具有重要的意义。日本开发了以硼砂熔盐为基稀土钒共渗工艺，经过该工艺处理的模具耐磨性比常规处理的要提高2.8倍。这些研究提高了工模具性能和使用寿命。这些研究都是不可忽视的开发课题.,汽车冲压模具,4.3冷作模具钢,金属在冷态下变形,拉延、冲压、冷镦或冷挤成形等,共同特点,工作T不高，模具主要承受高压力或冲击力，有强烈的摩擦,主要技术要求为具有高硬度和耐磨性，有一定韧性,技术要求,一、低合金工具钢常用低合金工具钢有9Mn2V、CrWMn、GCr15、9SiCr等。和碳素工具钢相比，这类钢的淬透性比较高，热处理变形较小，耐磨性也较好，所以可制造工具尺寸较大、形状比较复杂、精度要求相对较高的模具。,9Mn2V特点：,Mn淬透性，D油=30mm；MnMS，AR约2022%，变形小；V能克服Mn缺点,过热敏感性，细化晶粒；硬度稍低，回稳性较差200以下回火；VC使磨削性能变差。各种类型的中小冷作模具都可采用。,二、高铬和中铬模具钢1、高碳高铬模具钢主要有Cr12、Cr12MoV钢。Cr12MoV钢具有高淬透性，截面200300mm以下可以完全淬透。Cr12MoV钢主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经有“冷作模具王牌”之称。,组织变化特点一：选择T淬和回火温度来控制工具的变形。,调节淬火温度：T淬AR体积V一定程度可抵消M转变所引起的胀大；,调节回火温度：450，AR转变为M体积,组织变化特点二：,随T淬升高，K溶解量增加，奥氏体合金度增加，淬火后残余奥氏体增加，硬度下降。淬火温度的波动可引起组织和性能的较大变化。,一次硬化法,低淬和低回晶粒细小，强韧性好。9801030淬火150170回火，硬度为6163HRC，残奥量少。12左右未溶（Cr，Fe）7C3碳化物。一次硬化法使用较普遍,二次硬化法,1050l100500左右多次回火，硬度回升到6062HRC。热硬性较好，强韧性较低。二次硬化法适合于工作温度比较高（400500）且受载荷不大或淬火后表面需要氮化处理的模具。,Cr12MoV钢的硬度、残余奥氏体量与淬火温度的关系,高碳高铬型冷变形模具钢具有以下特点：高的耐磨性主要由于存在大量的M7C3型碳化物；高的淬透性直径大于200mm300mm的工模具均可以完全淬透；淬火时可以得到最小的体积变形随着淬火温度的升高，体积变化减小，至某一温度淬火后，尺寸变化可以接近于零；经二次硬化处理的高碳高铬钢有较高的红硬性和耐磨性；碳化物不均匀性比较严重，尤其是含碳较高的Cr12钢更甚，通常需要通过改锻来降低碳化物的级别。,2、高碳中铬模具钢,Cr5Mo1V（美A2）是值得推广的空冷淬硬冷作模具钢，是国际上通用的钢种。100mm以下可空冷淬硬，适用于形状复杂、要求热处理变形小又需要好的耐磨性和良好韧度的冷作模具，如下料模、成形模、冲头、剪刀片等。,典型钢号：Cr4W2MoV和Cr5Mo1V。K以M7C3型为主，分布较均匀，具有耐磨性好和热处理变形小的特点，适于制造既要求有高的耐磨性，又具有一定韧度的模具。用于制造硅钢片冲模等，其使用寿命比Cr12MoV钢提高13倍以上。,3、新型冷作模具钢我国常用7Cr7Mo2V2Si钢，淬透性较好，热处理变形小。用来制造冷鐓模、冷冲模及冲头、冲剪模等。,4.4热作模具钢,使热或液态金属获得所需形状,模具是在反复受热和冷却条件下工作.模具受热时间越长，受热程度就越严重.许多模具还受到较大冲击力。工作条件苛刻,模具钢应具有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。,服役条件,技术要求,钢碳含量质量分数一般在0.30.6%，还加入Cr、Mo、W、Si、Mn、V等合金元素，以提高钢的各种性能。根据工作条件热作模具钢可分为三大类：热锤锻模具钢，热挤压、热镦锻及精锻模具钢和压铸模用钢。,一、热锤锻模钢,服役条件,性能要求,1）反复冷、热龟裂、热疲劳,热疲劳抗力A1，硬度是有利的；,2）表层温度500,冲击力大,热强性韧度高温回火；消除回脆,整体性能好；,3）强烈摩擦磨损,模具高温耐磨性,4）模具尺寸比较大,淬透性好，导热性好,2、成分特点,C：一般在0.450.60%，以保证一定硬度和冲击韧度。Cr：一般1%左右，淬透性，回稳性，改善AK；Ni：能AK，和Cr共同作用钢淬透性；Mn：主要代Ni，但Mn过热敏感性和回火脆性。Si：能强度、回稳性和耐热疲劳性，Si量1%。Mo、V：有效地细化晶粒，过热倾向，回稳性。Mo（W）最重要的作用是钢的回火脆性.所以，不但热锤锻模钢都含有Mo元素，其他热作模具钢也都用Mo（W）合金化。,使用最广泛的是5CrNiMo和5CrMnMo钢。,3、工艺特点硬度要求：,小型模硬度要求在4044HRC，相对较高；大型模硬度在3538HRC为宜，相对较低。,?,锻模模面：大中型模3642HRC，较高；锻模模尾：大中型模3035HRC，较低。,?,思考：锻模模面和模尾硬度不同，在工艺上有什么措施?,工艺要求：,注意保护模面和模尾，以避免脱碳。加热要注意预热，450左右预热，升温速度要慢,50/h；冷却要注意预冷，预冷到780左右，循环油冷，冷至150200取出；淬火后必须立即回火，绝对不允许冷至室温。思考：为什么?,二、热挤压模钢,和热锤锻模相比，热挤压模在工作时需要较长时间与被变形加工的金属接触，其受热的温度往往更高。热挤压模还承受很大的应力和摩擦力。这类模具的尺寸一般都不大，比锤锻模要小。热挤压模主要要求有高的热稳定性、较高的高温强度、耐热疲劳性和高的耐磨性。有铬系、钨系和钼系热模具钢三类。,铬系：,4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiV1（H13）、4Cr5W2SiV等常用。淬透性较高，较高的强度和韧度，抗氧化性较好。常用于制造尺寸不大的热锻模、钢及铜的热挤压模、铝及铜合金的压铸模。,4Cr5MoSiV1钢有较高的临界点，Ac1为875，Acm为935。由于含较多的钒，钢有良好的抗过热敏感性。淬火硬度随淬火温度升高而增高，到10501070时达到最高值。超过此温度范围硬度很少增加，而奥氏体晶粒开始长大。4Cr5MoSiV1钢的淬火温度为10201050。钢的回火温度为580600，硬度为HRC4850，b为16001800MPa，s为14001500MPa，为912，为4550，冲击韧性为4050J/cm2。,钨系：,3Cr2W8V钢使用最多，具有高的热稳定性、耐磨性，但韧度和抗热疲劳性较差。国外已基本停止，以H13代之。,最终热处理工艺采用淬火及高温回火，淬火加热一般采用800850预热，10801150淬火加热。回火温度一般采用560600，回火两次。这类钢主要用于制造高温下承受高应力，但不承受冲击负荷的压铸模、热挤压模和顶锻模等。,三、压铸模钢,汽车四缸压铸模,压力铸造是在高的压力下，使液态金属挤满型腔成型。在工作中模具反复与炽热金属接触。,要求压铸模具钢有高的耐热疲劳性、较高的导热性、良好的耐磨性及耐蚀性和一定的高温强度等。,压铸模具钢的选择首先要根据浇注金属的温度和浇注金属的种类来决定。,锌合金、铝合金、镁合金是低熔点的金属合金，可以选择30CrMnSi、40Cr、5CrMnMo等低合金钢来制造压铸模具。如压铸锌合金的模具可采用5CrMnMo钢，也可使用40Cr调质钢。,压铸铝、镁合金的模具目前常选用3Cr2W8V和4Cr5MoSiV1钢,铜合金和黑色金属的熔点比较高采用难熔金属为基的合金，如钼基合金、钨基合金等,制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。,4.5量具钢,1、性能要求量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。高硬度和耐磨性。高的尺寸稳定性。足够的韧性。,2、量具用钢低碳钢渗碳、中碳钢表面淬火碳素工具钢、低合金工具钢两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。,滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具.不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。,3、量具钢的热处理特点淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。,下限温度淬火及冷处理。目的是减少A。长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。,量规,4.6其它类型工具用钢1、耐冲击用钢,切边、冲孔、剪切等,剪切力和一般模具比，刃口薄冲击