合金工具钢-特殊性能钢

1、第三节合金工具钢第三节合金工具钢n用于制造各种刃具、模具、量具的钢叫做工具钢；它用于制造各种刃具、模具、量具的钢叫做工具钢；它可分为刃具钢、模具钢、量具钢；可分为刃具钢、模具钢、量具钢；一、刃具钢：一、刃具钢：（一）刃具钢的工作条件及性能要求：（一）刃具钢的工作条件及性能要求：刃具钢是用来制造各种切削加工工具的钢种，例刃具钢是用来制造各种切削加工工具的钢种，例如：车刀、刨刀、钻头等。如：车刀、刨刀、钻头等。受力情况受力情况: : 刀刃承受刀刃承受弯曲弯曲、扭转、剪切应力扭转、剪切应力和和冲击、震动冲击、震动负负荷，同时还要受到工件和切屑的强烈荷，同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦摩擦作用。产生作

2、用。产生大量切削热，使刃具温度升高达大量切削热，使刃具温度升高达600600左右。刃具的失左右。刃具的失效形式效形式: :卷刃、崩刃、折断和磨损卷刃、崩刃、折断和磨损. .（）性能要求（）性能要求切削时刃部与切屑之间强烈摩擦发热，刃部温度可达切削时刃部与切屑之间强烈摩擦发热，刃部温度可达500 600 ；承受冲击和震动。；承受冲击和震动。 高硬度高硬度 机加工刀具机加工刀具HRC60 高耐磨性高耐磨性 刀具寿命和生产率刀具寿命和生产率通常刃具的硬度越高，通常刃具的硬度越高，耐磨性越好。耐磨性越好。高的热硬性（红硬性）高的热硬性（红硬性） 钢在高温下保持高硬度的能钢在高温下保持高硬度的能力，与回

3、火稳定性有关。力，与回火稳定性有关。足够的塑性与韧性足够的塑性与韧性 以承受冲击载荷，防止折断和以承受冲击载荷，防止折断和崩刃崩刃n碳素刃具钢生产成本较低；易于冷、热加工，在碳素刃具钢生产成本较低；易于冷、热加工，在热处理后有相当高的硬度；在受热不大的情况下热处理后有相当高的硬度；在受热不大的情况下工作时有较好的耐磨性，所以得到广泛的使用。工作时有较好的耐磨性，所以得到广泛的使用。 n1 1、化学成分、化学成分 n 碳：碳： 为了有足够高的硬度及较好的耐磨性，为了有足够高的硬度及较好的耐磨性，碳素刃具钢一般碳素刃具钢一般是含碳量是含碳量WC=0.65WC=0.651.351.35的高碳的高碳钢

4、钢。含碳量越高，则钢的耐磨性越好，而韧性越。含碳量越高，则钢的耐磨性越好，而韧性越差。常用的碳素工具钢有差。常用的碳素工具钢有T7T7、T8AT8A、T9T9、T10T10、T11T11、T12AT12A及及T13T13各类。随着数字的升高，钢的硬度与耐各类。随着数字的升高，钢的硬度与耐磨性增高，而韧性逐渐下降。磨性增高，而韧性逐渐下降。 （二）碳素刃具钢（二）碳素刃具钢n锰：锰： 碳素工具钢中加少量碳素工具钢中加少量（0.35-0.60%0.35-0.60%）的锰，）的锰，如如T8MnT8Mn，可提高钢的淬透性，但含锰量过高会使，可提高钢的淬透性，但含锰量过高会使钢的韧性下降。钢的韧性下降。

5、 n硅：硅： 硅可提高钢的淬透性，但过高会促进石墨化硅可提高钢的淬透性，但过高会促进石墨化倾向。倾向。 n硫、磷：应严格控制硫、磷：应严格控制 牌号牌号 如如 T12A 钢，含钢，含C量为量为 12 / 1000 = 1.2 % ，A表示高级优质，表示高级优质，w(S) 0.020 % ，w(P) 0.030 % 。钢号钢号C, %Mn, %Si, %S, %P, %退火后退火后HBS, 水冷淬火水冷淬火温度，温度，T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.2

6、5-1.350.400.400.40-0.600.400.40-0.600.400.400.400.350.350.350.350.35 0.35 0.350.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780表表3-43-4碳素工具钢的化学成分和性能碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后淬火后HRC62) )( (摘自摘自GB/

7、T1298-1986)GB/T1298-1986)用途用途冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。 螺纹量规螺纹量规热处理热处理：球化退火；淬火：球化退火；淬火 + 低温回低温回火火组织组织：粒状珠光体；：粒状珠光体； 回火回火M 粒状粒状Fe3C + A 回火温度因工具的种类与用途而稍有差异。刃具通常采用180210，螺纹工具（如板牙）采用200250。 图图4-2 4-2 碳素工具钢的球状珠光体组织碳素工具钢的球状珠光体组织图中显示组织为：图中显示组织为：在铁素体的基体上在铁素体的基体上分布着颗粒状的碳分布着颗粒状的碳化物是一种球状珠化物是一种球状珠光体组织。光体组

8、织。n图图4-4 4-4 碳素工具钢淬火组织（淬火温度越高，马氏体组织越粗大）碳素工具钢淬火组织（淬火温度越高，马氏体组织越粗大）n图图D D显示的马氏体组织最粗大，其强度和塑性最低。显示的马氏体组织最粗大，其强度和塑性最低。n拟用T10制造形状简单的车刀，工艺路线为：n锻造热处理机加工热处理磨加工；n试问试写出各热处理的名称并指出各热处理工序的作用？n制订最终热处理的工艺规范（温度、冷却介质）？n指出最终热处理后的组织和大致硬度？n（1）工艺路线为：锻造）工艺路线为：锻造退火退火机加工机加工淬火后低温淬火后低温回火回火磨加工。退火处理可细化组织，调整硬度，改磨加工。退火处理可细化组织，调整硬

9、度，改善切削加工性；淬火及低温回火可获得高硬度和耐磨善切削加工性；淬火及低温回火可获得高硬度和耐磨性以及去除内应力。性以及去除内应力。n（2）最终热处理后的显微组织为回火马氏体）最终热处理后的显微组织为回火马氏体，大致，大致的硬度的硬度60HRC。n（3）T10车刀的淬火温度为车刀的淬火温度为780左右，冷却介质为左右，冷却介质为水；回火温度为水；回火温度为150250。组织。组织:回火马氏体基回火马氏体基体上分布着稳定性高、弥散度大的特殊碳化物颗粒体上分布着稳定性高、弥散度大的特殊碳化物颗粒.（三）低合金刃具钢（三）低合金刃具钢定义：在碳素刃具钢的基础上定义：在碳素刃具钢的基础上加入合金元素

10、加入合金元素而成的。而成的。成分成分 高碳高碳 w(C) 0.751.5%,合金元素合金元素5 % 。性能性能 HRC60，使用温度，使用温度200 300 。常用合金元素：常用合金元素：Cr、Si、Mn、W、V等等， 1 1、合金元素的作用：、合金元素的作用： n铬铬: : Cr Cr是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，增加稳定性，增加淬透性淬透性。既能阻止渗碳体型碳化。既能阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大，又提高了马氏体的分解温度，物的聚集、长大，又提高了马氏体的分解温度，从而有效地提高了钢的从而有效地提高了钢的回火抗力回火抗力。CrCr还能还能防止防

11、止SiSi的石墨化倾向的石墨化倾向。n硅硅: : SiSi增加钢的增加钢的淬透性淬透性，提高钢的，提高钢的回火稳定回火稳定性性。但。但SiSi是石墨化元素，在高碳钢中，是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时引起高温加热时引起脱碳和促进石墨化脱碳和促进石墨化，必，必须同时添加须同时添加W W、CrCr、MnMn等，减少钢的脱碳等，减少钢的脱碳倾向。倾向。 n锰锰: : 提高钢的提高钢的淬透性淬透性，但，但MnMn增加钢的增加钢的过热倾过热倾向向。n钨：钨： W W在工具钢中形成较稳定的碳化物，在工具钢中形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证阻止钢的过热，保证晶粒细化晶粒细化，有利于提，有利于提高钢

12、的耐磨性。高钢的耐磨性。 n钒：钒： V V比其他元素更为有效地阻止奥氏体比其他元素更为有效地阻止奥氏体晶粒长大，晶粒长大，降低过热敏感性降低过热敏感性。热处理热处理 球化退火球化退火（+ 机加工）机加工）+ 淬火淬火 + 低温回火低温回火最终组织最终组织 回火回火M + 点状碳化物点状碳化物 + 少量少量A 应用应用 如如9SiCr ，做板牙、丝锥等。，做板牙、丝锥等。板牙板牙丝锥丝锥n2 2、热处理工艺和碳素刃具钢基本相同。、热处理工艺和碳素刃具钢基本相同。 n 3 3、常用低合金刃具钢、常用低合金刃具钢 n表表6-16 6-16 常用低合金刃具钢的牌号、化学成分和力学性能常用低合金刃具钢

13、的牌号、化学成分和力学性能 钢号钢号化学成分（化学成分（% %）淬火钢淬火钢的硬度的硬度HRC HRC C CMnMnSiSiCrCrW W9CrSi9CrSi0.850.850.950.950.30.30.60.61.21.21.6 1.6 0.90.91.251.25- - 6262CrWMnCrWMn0.900.901.051.050.80.81.11.10.40.40.90.91.21.21.21.21.61.662629Cr29Cr20.800.800.950.950.40.40.40.41.31.31.71.7-6262（1）以）以9SiCr为例介绍低合金刃具钢：为例介绍低合金刃具

14、钢：含碳量：含碳量：Wc0.850.95，保证高硬度和高耐磨性；，保证高硬度和高耐磨性；合金元素的作用：提高淬透性及钢的强度，提高回火合金元素的作用：提高淬透性及钢的强度，提高回火稳定性，使之具有一定的红热性；稳定性，使之具有一定的红热性；应用：应用：板牙、丝锥板牙、丝锥热处理工艺：热处理工艺：球化退火：球化温度：球化退火：球化温度：800810；淬火低温回火：淬火温度：淬火低温回火：淬火温度：850870,回火温度：回火温度：190200;HRC6063;热处理后的组织：热处理后的组织： 回火马氏体回火马氏体+碳化物碳化物+少量残余奥氏体。少量残余奥氏体。CrWMn 是一种常用的微变形钢，具

15、有高的淬透性，高高的淬透性，高的硬度和耐磨性。的硬度和耐磨性。由于Cr、W、Mn三元复合作用，有较高淬透性，油淬临界直径在5070mm；淬火后钢中的残余奥氏体较多，可达18%20%，使其淬火变形小；由于含碳量高，保证形成比较多的碳化物，并且Cr、W的碳化物比较稳定，也使淬火加热时的奥氏体晶粒细小，所以该钢具有高硬度、高耐磨性；CrWMn钢的回火稳定性和9SiCr钢相似，当回火温度超过250时，硬度才低于60HRC；由于W的作用，钢中碳化物比较多而容易形成网状。适于制作截面较大、要求耐磨、淬火变形小的刃具，如拉适于制作截面较大、要求耐磨、淬火变形小的刃具，如拉刀、长丝锥等，也可制作量具及形状较复

16、杂的高精度冲模。刀、长丝锥等，也可制作量具及形状较复杂的高精度冲模。Cr2 即GCr15钢，只在对非金属夹杂物要求不严格时，制作切削工具、量具及冷轧辊等。CrW5钢由于加入了较多的钨，形成M6C型碳化物。在820淬火温度溶于奥氏体中量少，淬透性低；需要 水 淬 ， 淬 火 后 剩 余 碳 化 物 多 ， 回 火 后 硬 度硬 度6465HRC，而且耐磨性好。适于制作慢速切削较硬金属的刀具，如铣刀、刨刀和雕刻用刀具。n回顾：回顾：n工具钢的性能要求：工具钢的性能要求：高的耐磨性；高硬度；高的弯曲高的耐磨性；高硬度；高的弯曲强度和足够的韧性；高的热稳定性。强度和足够的韧性；高的热稳定性。n碳素工具

17、钢：碳素工具钢：T7-T13锻造、热处理锻造、热处理n缺点：淬透性差。缺点：淬透性差。n低合金工具钢：低合金工具钢：9SiCr、Cr、Cr2、9Mn2V、CrWMn等等锻造、热处理锻造、热处理合金元素提高了淬透性，合金元素提高了淬透性，红硬性差。红硬性差。（四）高速钢（四）高速钢n 低合金刃具钢改善了碳素刃具钢的性能，但热硬性提高的幅度并不大。为了提高切削加工的效率，必须增加切削速度，这就势必造成刀具刃部温度升高，在高速切削，在高速切削，刀具的刃部温度可达刀具的刃部温度可达600600以上，以上，因此，因此，低低合金钢刃具已不能满足要求。合金钢刃具已不能满足要求。n 高速钢高速钢是适应高速切削

18、的需要而发展起来的一类刃具钢。高速钢较之低合金刃具钢服役条件恶劣。采用高速钢刃具可使切削速度提高13倍，使用寿命增加714倍。因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。n案例十五：案例十五：采用采用W18Cr4V钢制造盘形铣刀，如图钢制造盘形铣刀，如图6-46所示。所示。由于高速切削，其使用温度约由于高速切削，其使用温度约600左右，要求其硬度保左右，要求其硬度保持在持在60HRC以上。以上。W18Cr4V的的AC1为为820，拟以一般工具，拟以一般工具钢钢AC1+3050常规方法来确定其淬火加热温度。常规方法来确定其淬火加热温度。 n 图6-46 W18Cr4V钢制造的盘形铣刀 引入：引入：

19、在最终热处理后能否达到高速切削刃具所要求的性n能？为什么？主要性能特点：主要性能特点：1）很高的红硬性很高的红硬性（高温下保持高硬度的能力高温下保持高硬度的能力），淬火、），淬火、回火后的硬度高于回火后的硬度高于63HRC，高的可达，高的可达HRC6870（为超（为超硬型），一般高速钢在高速切削时，刃口温度至硬型），一般高速钢在高速切削时，刃口温度至600左左右，硬度仍保持在右，硬度仍保持在HRC60以上。以上。2 2）具有足够）具有足够高的强度高的强度；3 3）兼有适当的）兼有适当的塑性和韧性塑性和韧性；4 4）还具有很）还具有很高的淬透性高的淬透性，尺寸不大时可空冷淬火尺寸不大时可空冷淬火

20、中、小型刃具在空气中也能淬透。中、小型刃具在空气中也能淬透。 主要用途主要用途：制造尺寸大、切削速度高、负荷：制造尺寸大、切削速度高、负荷重、工作温度高的各种刃具，如车刀、铣刀、刨重、工作温度高的各种刃具，如车刀、铣刀、刨刀、拉刀、钻头等，也可制造要求一定耐磨性的刀、拉刀、钻头等，也可制造要求一定耐磨性的冷、热模具。冷、热模具。主要性能特点：主要性能特点：n定义：定义： 高速钢是由大量高速钢是由大量W W、MoMo、CrCr、V V等元素组成的等元素组成的高碳、高碳、 高合金钢。它是适应高速切削的刃具钢。高合金钢。它是适应高速切削的刃具钢。1.1.高速钢的成分特点高速钢的成分特点以以W18Cr

21、4VW18Cr4V为例：为例： 高碳：高碳：部分碳溶于奥氏体，保证淬后得到强部分碳溶于奥氏体，保证淬后得到强硬的马氏体基体以硬的马氏体基体以提高钢的硬度提高钢的硬度; ;与与CrCr、W W、MoMo、V V等形成合金碳化物，等形成合金碳化物，增大耐磨性增大耐磨性。WcWc0.70.71.01.0；加入加入CrCr提高钢的淬透性提高钢的淬透性铬的碳化物在淬火加热时铬的碳化物在淬火加热时容易溶解，铬几乎全部容易溶解，铬几乎全部溶入奥氏体中溶入奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，使钢的淬增加奥氏体的稳定性，使钢的淬透性大大提高，透性大大提高，以致截面尺寸很大的高速钢零件，以致截面尺寸很大的高速钢零件，在

22、空冷条件下都可完全淬透。在空冷条件下都可完全淬透。W W、MoMo造成二次硬化造成二次硬化, ,以保证钢的热硬性以保证钢的热硬性 在退火状态下形成在退火状态下形成M M6 6C C型碳化物，硬度很高，型碳化物，硬度很高，在淬火加热时极难溶解。在淬火加热时极难溶解。溶入奥氏体的部分溶入奥氏体的部分在在560 560 回火时回火时W2CW2C、Mo2CMo2C形式弥散析出，形式弥散析出，产生二次硬化效应，显著提高钢的红硬性、产生二次硬化效应，显著提高钢的红硬性、硬度硬度，未溶的残余碳化物提高钢的耐磨性。，未溶的残余碳化物提高钢的耐磨性。加入加入V V 提高钢的耐磨性，细化晶粒提高钢的耐磨性，细化晶

23、粒 V V在高速钢中生成硬度极高的在高速钢中生成硬度极高的VCVC，非常稳定，非常稳定，很难溶入奥氏体中，很难溶入奥氏体中，大部分以大部分以残余碳化物残余碳化物的的形式保留下来。且残余碳化物颗粒细小，分形式保留下来。且残余碳化物颗粒细小，分布均匀，布均匀，提高钢的耐磨性。提高钢的耐磨性。n我国常见的高速钢为钨系（我国常见的高速钢为钨系（W18Cr4VW18Cr4V）和钨钼系）和钨钼系（W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2）。它们的成分见下表。）。它们的成分见下表。 n 表表6-17 6-17 钨系和钨钼系高速钢的成分钨系和钨钼系高速钢的成分 钢号钢号化学成分（化学成分（% %） C CSi

24、SiMnMnCrCrMoMoW WV VW18Cr4VW18Cr4V0.70.70.90.90.40.40.40.43.83.84.44.40.30.317.517.519.019.01.01.01.41.4W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V20.80.80.90.90.40.40.40.43.83.84.44.44.54.55.55.55.55.56.76.71.751.752.202.20化学工业出版社化学工业出版社 n W18Cr4V（18-4-1）钢是我国发展最早、应用最广泛的高速工具钢，它具有较高的热硬性，过热和脱碳倾向小，但碳化物较粗大，韧性较差。 W6Mo5Cr4V2（6-5

25、-4-2）钢是用钼代替了部分钨而形成的钨钼系高速工具钢。由于钼的碳化物细小，从而使钢具有较好的韧性。 W18Cr4V2Co8、W18Cr4V2Al是我国研制的含钴、铝类超硬系高速工具钢。这种钢硬度可达6870HRC，热硬性达670。 常用高速工具钢有钨系、钨钼系、超硬系三大类。2.2.热处理：热处理：以以W18Cr4VW18Cr4V为例，制造一把盘型齿轮铣刀，应保证高硬为例，制造一把盘型齿轮铣刀，应保证高硬度、高耐磨性、热硬性；度、高耐磨性、热硬性；锻造：锻造：高速钢的铸态组织中高速钢的铸态组织中含有莱氏体含有莱氏体，如图所示：大量呈鱼，如图所示：大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物（骨状分布的粗

26、大共晶碳化物（M M6 6C C），），锻造的目的锻造的目的：莱氏体这些粗大的组织不能用热处理的方：莱氏体这些粗大的组织不能用热处理的方法消除，只能通过锻造的方法将其击碎，使之分布均匀；法消除，只能通过锻造的方法将其击碎，使之分布均匀；锻造后应缓冷（常采用在砂中冷却）；锻造后应缓冷（常采用在砂中冷却）；蓝色圈内为鱼骨状的蓝色圈内为鱼骨状的伪共晶莱氏体伪共晶莱氏体；绿色圈内为；绿色圈内为马马氏体和残余奥氏体氏体和残余奥氏体( ( 转变而来转变而来)； 红色圈内为红色圈内为共共析体析体- M6C （13401320)。退火：退火：目的目的：降低硬度，消除应力，以利切削加工，：降低硬度，消除应力，以

27、利切削加工，同时也使碳化物形成均匀分布的颗粒，改善钢同时也使碳化物形成均匀分布的颗粒，改善钢淬、回火后的性能；淬、回火后的性能；退火方法退火方法：等温球化退火：等温球化退火T T加加=860=860880880保温保温4h4h，（，（AcAc1 1为为820820840 840 ）打开炉门冷至）打开炉门冷至720720760760保温保温3h3h，出炉空冷如图所示；，出炉空冷如图所示；lW18Cr4V钢退火后硬度为钢退火后硬度为207255HB，组织为，组织为索氏体上分布着细小颗粒状的碳化物。如索氏体上分布着细小颗粒状的碳化物。如P149图图7-15所示；所示；（3 3）淬火：）淬火：A A）

28、淬火加热温度：温度很高）淬火加热温度：温度很高T T加加=1280=1280 55（W18Cr4VW18Cr4V钢钢A AC1C1约为约为820820）。）。原因原因：温度愈高，合金元素溶入奥氏体的数量愈多，淬火温度愈高，合金元素溶入奥氏体的数量愈多，淬火后马氏体的合金浓度愈高。后马氏体的合金浓度愈高。而只有合金元素含量高而只有合金元素含量高的马氏体才具有高的红硬性。的马氏体才具有高的红硬性。 对高速钢热硬性影响最大的合金元素对高速钢热硬性影响最大的合金元素W、Mo、V只有在只有在1000以上时，其在奥氏体中的溶解量才以上时，其在奥氏体中的溶解量才急剧增加。温度超过急剧增加。温度超过1300，

29、各元素的溶解量虽有，各元素的溶解量虽有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至发生晶界熔增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至发生晶界熔化。因而，致使钢的化。因而，致使钢的韧性韧性大大下降。所以在大大下降。所以在不发生不发生过热的前提下，高速钢的淬火温度愈高，其红硬性过热的前提下，高速钢的淬火温度愈高，其红硬性则愈好。则愈好。图图4-8 4-8 淬火温度与奥氏体内合金元素的含量淬火温度与奥氏体内合金元素的含量高速钢淬火加热高速钢淬火加热温度越温度越高高， 奥氏奥氏体内的合金溶解体内的合金溶解度也越度也越高高，其中，其中钨元素需要很高钨元素需要很高的加热温度才能的加热温度才能溶解。溶解。B)B)淬火组织：

30、淬火组织：马氏体（马氏体（60606565）+ +残余奥氏体（残余奥氏体（25253030）+ +合金碳化物（约合金碳化物（约=10=10），如图所示。硬度为），如图所示。硬度为HRC62HRC626464。回火：回火：回火温度：回火温度：560;三次回火三次回火；560原因原因：在此温度区，一部分碳和合金元素从残余奥氏体在此温度区，一部分碳和合金元素从残余奥氏体中析出，合金元素与碳形成碳化物，中析出，合金元素与碳形成碳化物，起到弥散强起到弥散强化的作用化的作用；由于碳和合金元素的析出，使残余奥；由于碳和合金元素的析出，使残余奥氏体的稳定性下降，在随后的冷却中可转变为氏体的稳定性下降，在随后的

31、冷却中可转变为M，从而使硬度增高；从而使硬度增高；即二次硬化作用即二次硬化作用；图图6-51 6-51 高速钢的正常淬火组织。高速钢的正常淬火组织。三次回火的原因：三次回火的原因：高速钢淬火后的残余奥氏体量达高速钢淬火后的残余奥氏体量达25-30%，一回火后，一回火后难以全部消除，经三次回火即可使残余奥氏体减至难以全部消除，经三次回火即可使残余奥氏体减至最低量（一次回火后约剩最低量（一次回火后约剩10%，二次回火约剩，二次回火约剩3-5%，三次回火约剩三次回火约剩1%-2%）。后一次回火还可以消除前）。后一次回火还可以消除前一次回火由于奥氏体转变为马氏体所产生的内应力。一次回火由于奥氏体转变为

32、马氏体所产生的内应力。回火组织为回火组织为:回火马氏体碳化物少量的残余奥氏体。回火马氏体碳化物少量的残余奥氏体。W18Cr4V的淬火回火工艺见图的淬火回火工艺见图热处理热处理（锻造（锻造 +）球化退火球化退火（+ 机加工）机加工） 淬火淬火+回火回火锻造目的锻造目的 成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀。成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀。淬火淬火，1280 增加增加A中合金含量、淬后得高硬度中合金含量、淬后得高硬度M ，提高回火后热硬性。，提高回火后热硬性。淬火组织淬火组织（左图）：（左图）：M + 碳化物碳化物 + A 最终组织最终组织（右图）：回火（右图）：回火M + 粒状

33、碳化物粒状碳化物 + 少量少量 A 退火退火便于机加工便于机加工回火回火，560 ，三次，三次 消除大量消除大量A（二次淬火基本消除二次淬火基本消除A ），），后次回火消除后次回火消除前次回火内应力前次回火内应力 。应用应用 高速车刀、钻头、铣刀等。高速车刀、钻头、铣刀等。 ( (三三) ) 高速钢刃具的热处理缺陷高速钢刃具的热处理缺陷n n 高速钢热处理时经常出现的主要缺陷高速钢热处理时经常出现的主要缺陷有：有：n 过热、过烧、变形开裂、硬度不足、过热、过烧、变形开裂、硬度不足、脱碳、萘状断口及腐蚀麻点脱碳、萘状断口及腐蚀麻点。 n（1 1）过热：）过热： n由于淬火温度过高等原因，造成由于

34、淬火温度过高等原因，造成晶粒过大晶粒过大，剩余，剩余碳化物数量减少，碳化物出现粘连。拖尾、角状碳化物数量减少，碳化物出现粘连。拖尾、角状或沿晶界呈或沿晶界呈网状分布网状分布的现象称为的现象称为过热过热( (图图4-13)4-13)。 图图4-13 4-13 高速钢的过热组织高速钢的过热组织高速钢过热高速钢过热组织的特征组织的特征是是碳化物沿碳化物沿晶界呈网状晶界呈网状分布分布。n2 2）过烧：）过烧： n淬火温度接近钢的熔化温度，淬火温度接近钢的熔化温度，晶界熔化晶界熔化，出现，出现莱莱氏体及黑色组织氏体及黑色组织，称为过烧，称为过烧( (图图4-14)4-14)。过烧的刃。过烧的刃具，常常出

35、现严重的变形或皱皮现象，是具，常常出现严重的变形或皱皮现象，是不可挽不可挽救救的。的。高速钢过烧高速钢过烧组织的特征组织的特征 是是出现呈鱼出现呈鱼骨状的莱氏骨状的莱氏体体。图图4-14 4-14 高速钢的过烧组织高速钢的过烧组织n3 3）脱碳：）脱碳： n高速钢的脱碳组织如图高速钢的脱碳组织如图4-154-15所示。表面脱碳所示。表面脱碳使工具的硬度降低，金相组织中出现有明显使工具的硬度降低，金相组织中出现有明显的的铁素体铁素体，在其基体上还有碳化物存在。钢，在其基体上还有碳化物存在。钢的表层脱碳，使的表层脱碳，使MsMs点升高，在淬火时，表层点升高，在淬火时，表层先转变为马氏体，形成一层薄

36、的硬壳，随后先转变为马氏体，形成一层薄的硬壳，随后心部进行马氏体转变时，体积膨胀，心部进行马氏体转变时，体积膨胀，表层受表层受到张应力，易于引起开裂到张应力，易于引起开裂，同时其，同时其硬度和耐硬度和耐磨性也降低磨性也降低，从而大大降低刃具寿命。，从而大大降低刃具寿命。n图图4-15 4-15 高速钢的脱碳组织高速钢的脱碳组织n（4 4）萘状断口：）萘状断口： n萘状断口呈萘状断口呈闪光粗粒状闪光粗粒状，有如萘光，故得名。，有如萘光，故得名。其金相组织为其金相组织为粗大的晶粒粗大的晶粒( (图图4-16)4-16)。产生萘状。产生萘状断口的刀具，断口的刀具，强度、韧性极低，使用时易崩刃强度、韧

37、性极低，使用时易崩刃或折断或折断，是一种，是一种不可挽救的缺陷不可挽救的缺陷。n萘状断口的形成主要是由于萘状断口的形成主要是由于停锻温度过高停锻温度过高(1050(10501100)1100)，而且变形量又在，而且变形量又在10101515左左右，或由于需返修而进行两次淬火，其间未经右，或由于需返修而进行两次淬火，其间未经退火造成的。如果淬火前不进行充分退火，也退火造成的。如果淬火前不进行充分退火，也容易产生萘状断口。容易产生萘状断口。n图图4-16 4-16 高速钢的萘状断口高速钢的萘状断口 二、合金模具钢 1. 1. 冷作模具钢冷作模具钢 (1) (1) 用途用途 制造冷冲模、制造冷冲模、

38、冷镦模、冷挤压冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，模和拉丝模等，工作温度不超过工作温度不超过200 200 300 300 。 (2) (2) 性能要求性能要求 冷模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冷模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损，常出冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损，常出现崩刃、断裂和变形等失效现象。现崩刃、断裂和变形等失效现象。 高硬度，一般为高硬度，一般为58 HRC58 HRC62 HRC;62 HRC; 高耐磨性高耐磨性; ; 足够的韧性和疲劳抗力足够的韧性和疲劳抗力; ; 热处理变形小。热处理变形小。 (3) (3) 成分特点成分特点 高碳高碳 碳质

39、量分数多在碳质量分数多在1.0%1.0%以上，个别钢种达到以上，个别钢种达到2.0%2.0%，以保证高的硬度和高耐磨性。，以保证高的硬度和高耐磨性。 加入加入CrCr、MoMo、W W、V V等合金元素等合金元素 形成难熔碳化物，提高耐磨性。形成难熔碳化物，提高耐磨性。 典型钢种是典型钢种是Cr12Cr12型钢，铬的含量高达型钢，铬的含量高达12%12%。 铬与碳形成铬与碳形成M M7 7C C3 3型碳化物，能极大提高钢的型碳化物，能极大提高钢的耐磨性，铬还显著提高钢的淬透性。耐磨性，铬还显著提高钢的淬透性。 （4 4）. .冷作模具钢的热处理冷作模具钢的热处理 一般在锻造之后进行球化退火。

40、最终热处理为淬火一般在锻造之后进行球化退火。最终热处理为淬火+低低温回火，温回火，高碳高铬型钢的淬火、回火处理有下列两种工艺方法。高碳高铬型钢的淬火、回火处理有下列两种工艺方法。 一次硬化法一次硬化法采用较低的淬火温度和较低的回火温较低的淬火温度和较低的回火温度，度， 950 1000 淬火，150 180 回火，硬度达61HRC64HRC，钢有较好的耐磨性和韧性，用于重载模具。大多数Cr12型钢制作冷变形模具均采用此工艺。 二次硬化法二次硬化法采用较高的淬火温度和多次高温回火。较高的淬火温度和多次高温回火。如Cr12钢采用11001150淬火，淬火后由于残余奥氏体量较多，钢的硬度较低，约为4

41、050HRC。如果在510520进行23次回火，将发生二次硬化现象将发生二次硬化现象。硬度达60 HRC62 HRC，红硬性和耐磨性都较高，但韧性较差。适于工作温度较高(400-500)且受荷不大或淬火后表面需要氮化的模具。 组织：组织：回火马氏体回火马氏体+ +碳化物碳化物+ +残余奥氏体残余奥氏体n图图4-20 4-20 回火温度对油淬回火温度对油淬Cr12MoVCr12MoV钢硬度的影响钢硬度的影响图中曲线显示图中曲线显示955955以下温度以下温度淬火没有二次硬淬火没有二次硬 化现象。化现象。10651065淬火淬火 ，二次硬，二次硬化现象最明显。化现象最明显。 (5) (5) 钢种和

42、牌号钢种和牌号 9Mn2V9Mn2V、9SiCr9SiCr、CrWMnCrWMn 要求不高的冷作模具用低合金刃具钢制造。要求不高的冷作模具用低合金刃具钢制造。热处理与刃具钢相同。热处理与刃具钢相同。 Cr12 Cr12 大型冷模具用钢，热处理变形很大型冷模具用钢，热处理变形很小，制造重载和形状复杂的模具。小，制造重载和形状复杂的模具。 冷挤压模工作时受力很大，条件苛刻，选冷挤压模工作时受力很大，条件苛刻，选用基体钢（成分与高速钢基体相同）或马氏体用基体钢（成分与高速钢基体相同）或马氏体时效钢制造。时效钢制造。 2. 2. 热作模具钢热作模具钢 (1) (1) 用途用途 制造热锻模、热压模、热挤

43、压模和压铸模等，制造热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达工作时型腔表面温度可达600 600 以上。以上。 (2) (2) 工作条件和性能要求工作条件和性能要求 承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、热应承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、热应变和热应力，高温氧化，出现崩裂、磨损、龟变和热应力，高温氧化，出现崩裂、磨损、龟裂等失效形式。裂等失效形式。 高的热硬性和高温耐磨性；高的热硬性和高温耐磨性； 高的抗氧化性能；高的抗氧化性能； 高的热强性和足够的韧性，尤其是受冲高的热强性和足够的韧性，尤其是受冲击较大的热锻模钢；击较大的热锻模钢； 高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏；高的热疲劳抗

44、力，以防止龟裂破坏； 有高的淬透性和导热性。有高的淬透性和导热性。 (3) (3) 成分特点（与调质钢相似）成分特点（与调质钢相似） 中碳中碳 碳质量分数一般为碳质量分数一般为0.3%0.3%0.6%0.6%，保证高强度、高韧性、较高的硬度（保证高强度、高韧性、较高的硬度（35 35 HRCHRC52 HRC52 HRC）和较高的热疲劳抗力。）和较高的热疲劳抗力。 Cr Cr、NiNi、MnMn、SiSi等等 CrCr主要提高淬透主要提高淬透性，和性，和NiNi一起提高回火稳定性。一起提高回火稳定性。NiNi强化铁素强化铁素体，增加钢的韧性，与体，增加钢的韧性，与CrCr、MoMo一起提高钢的

45、一起提高钢的淬透性和耐热疲劳性能。淬透性和耐热疲劳性能。 Mo Mo、W W、V V等元素等元素 产生二次硬化。产生二次硬化。MoMo还能防止第二类回火还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。脆性，提高高温强度和回火稳定性。 (4) (4)钢种和热处理钢种和热处理 5CrMnMo5CrMnMo w w(C)0.5%(C)0.5%、 w w(Cr)0.7%(Cr)0.7%、 w w(Mn)1.4%(Mn)1.4%、w w(Mo)0.25%(Mo)0.25%、 5CrNiMo 5CrNiMo w w(C)0.5%(C)0.5%、 w w(Cr)0.7%(Cr)0.7%、 w w(Ni)1

46、.6%(Ni)1.6%、w w(Mo)0.25%(Mo)0.25%、 制造对韧性要求高而热硬性要求不太高的制造对韧性要求高而热硬性要求不太高的热锻模。热锻模。 锤锻模钢热处理：锤锻模钢热处理：和调质钢相似，和调质钢相似，830830850850淬火后高温（淬火后高温（490490650650左右）左右）回火。回火。 组织：组织：回火屈氏体回火屈氏体或或回火索氏体回火索氏体。 n锤锻模用钢的淬火温度和回火如下：锤锻模用钢的淬火温度和回火如下：钢钢 号号淬火温度淬火温度()()冷却介质冷却介质 硬度硬度(HRC)(HRC)5CrNiMo5CrNiMo830-860830-860油油53535858

47、5CrMnMo5CrMnMo820-850820-850油油53535858钢钢 号号锻模类型锻模类型回火温度回火温度()()硬度硬度(HRC)(HRC)5CrNiMo5CrNiMo小型小型49049052052044444747中型中型52052054054038384242大型大型560560590590343437375CrMnMo5CrMnMo小型小型49049052052041414747中型中型52052054054038384141 4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV、5Cr4W5Mo2V5Cr4W5Mo2V 制造热强性更好的大型锻压模或压铸模。受制造热强性更好的大型锻压模或压

48、铸模。受热的温度比较高。此类钢常见的有铬系和钨系。热的温度比较高。此类钢常见的有铬系和钨系。 热压模钢热处理：热压模钢热处理： 1000100011001100淬火淬火 600600左右回火。为保证热硬性，要进行多次左右回火。为保证热硬性，要进行多次回火。回火。 组织：组织：与高速钢类似。与高速钢类似。 回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体钢钢 号号化学成分（化学成分（% %）C CSiSiMnMnCrCrNiNiMoMoW WV V5CrNiMo5CrNiMo0.50.50.6 0.6 0.40.40.50.50.80.80.50.50.80.81.4

49、1.41.81.80.150.150.30.3-5CrMnMo5CrMnMo0.50.50.60.60.250.250.60.61.21.21.61.60.60.60.90.9-0.150.150.30.3-4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV0.30.30.420.420.80.81.21.20.40.44.54.55.55.5-1.21.21.51.5-0.30.30.50.54Cr5MoSiV14Cr5MoSiV1H13H130.30.30.420.420.80.81.21.20.40.44.54.55.55.5-1.21.21.51.5-0.80.81.11.13Cr2W8V3Cr2W

50、8V0.30.30.40.40.40.40.40.42.22.22.72.7-7.57.59.09.00.20.20.50.5表表4-4 4-4 常用压铸模具用钢的化学成分常用压铸模具用钢的化学成分 二、模具钢小结二、模具钢小结（一）冷模具钢（一）冷模具钢 冷冲、冷镦、冷挤压模等。冷冲、冷镦、冷挤压模等。性能性能 高硬度、耐磨性，足够韧性。高硬度、耐磨性，足够韧性。应用应用小型模具小型模具 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等低合金刃具钢制作。等低合金刃具钢制作。大型模具大型模具 Cr12、Cr12MoV 等，热处理变形小。等，热处理变形小。最终热处理最终热处理 淬火淬火 + 低温回火低温回

51、火最终组织最终组织 回火回火M + 碳化物碳化物 + 少量少量 A Cr12MoV冲孔落料模冲孔落料模含碳量含碳量1.45%-1.70%C,合金元素：合金元素：11%-12.5%Cr,0.4%- 0.6%Mo,0.15-0.3%VCr淬透性，并形成淬透性，并形成Cr7C3合金碳化物，具有极高硬度和耐磨合金碳化物，具有极高硬度和耐磨性性;Mo、V淬透性淬透性回火稳定性，细化晶粒、回火稳定性，细化晶粒、 强度和韧性，锻造锻造等温球化退火等温球化退火机加工机加工淬火回火淬火回火精磨或电火花加工精磨或电火花加工成成品品（）热模具钢（）热模具钢 热锻、热挤压、压铸模等热锻、热挤压、压铸模等。性能性能 强

52、、硬、耐磨、韧、强、硬、耐磨、韧、 耐热性、热疲劳抗力耐热性、热疲劳抗力高。高。含碳量含碳量0.3%-0.6%C合金元素合金元素Cr、Mn、 Ni、Mo、W等。等。淬透性淬透性回火稳定性，强化铁素体回火稳定性，强化铁素体;Mo、W高温回高温回火脆性火脆性;Cr 、Mo、W 耐热疲劳性能耐热疲劳性能应用应用 中小型模具中小型模具 5CrMnMo 等。等。 大型模具大型模具 3Cr2W8V等，淬透性好。等，淬透性好。最终热处理最终热处理 淬火淬火 + 高温回火高温回火最终组织最终组织 回火回火T 或或 回火回火S（回火马氏体、粒状（回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体）碳化物和少量残余奥氏体）三

53、、量具用钢三、量具用钢 卡尺、千分尺、塞规等卡尺、千分尺、塞规等性能性能 高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。应用应用 简单量具简单量具 T10A、T12A 等。等。 高精度量具高精度量具 GCr15、CrWMn 等。等。最终热处理最终热处理 淬火淬火 +（ -70-80 ）冷处理冷处理 + 低温回火低温回火 + 时效处时效处理理时效处理：时效处理：120130，保温几几十小时，使，保温几几十小时，使M、 A 稳定，稳定，消除内应力。消除内应力。最终组织最终组织 回火回火M + 碳化物碳化物 + 少量少量A 第五节第五节 特殊性能钢特殊性能钢一、不锈钢：一、

54、不锈钢：“不锈钢不锈钢”是是指能抵抗大气及弱腐蚀介质的指能抵抗大气及弱腐蚀介质的钢钢；而；而“耐酸钢耐酸钢”是指在各种强腐蚀介质中耐是指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。没有绝对不锈、不受腐蚀的钢种。蚀的钢。没有绝对不锈、不受腐蚀的钢种。1.1金属腐蚀的概念：金属腐蚀的概念：金属腐蚀的形式有两种，一种是金属腐蚀的形式有两种，一种是化学腐化学腐蚀，一种是电化学腐蚀蚀，一种是电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接。化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用。例如钢在氧化性与周围介质发生纯化学作用。例如钢在氧化性气氛中加热发生氧化反应形成氧化铁皮。电化气氛中加热发生氧化反应形成氧化铁皮。电化学腐蚀是金属在酸、碱、

55、盐等电介质溶液中由学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。于原电池的作用而引起的腐蚀。 钢 在 电 介 质钢 在 电 介 质 中的腐蚀原理：中的腐蚀原理： 钢在电介质中钢在电介质中由于本身各部分电由于本身各部分电极电位的差异，在极电位的差异，在不同区域产生不同区域产生电位电位差差，如图，如图1129所所示，例如示，例如区电位区电位低，为阳极；低，为阳极；区区电位高，为阴极。电位高，为阴极。电介质溶液在钢的电介质溶液在钢的这两个区域发生不这两个区域发生不同的反应。同的反应。n 阳极：氧化反应阳极：氧化反应n 阴极介质中：还原反应。阴极介质中：还原反应。n电位较低的阳极

56、电位较低的阳极区将不断被腐蚀，而区将不断被腐蚀，而电位较高的阴极区受到保护。电位较高的阴极区受到保护。n 化学性质较活泼的区域为阳极化学性质较活泼的区域为阳极（如晶界、塑性变形区、温度较高的（如晶界、塑性变形区、温度较高的区域）；而晶内、未塑性变形区、温区域）；而晶内、未塑性变形区、温度较低的区域等则为阴极区。度较低的区域等则为阴极区。 n 钢的组织和化学成分不均匀会钢的组织和化学成分不均匀会产生原电池，（如钢中碳化物、硫产生原电池，（如钢中碳化物、硫化物、夹杂物等第二相和基体，晶化物、夹杂物等第二相和基体，晶内和晶界）。变形和应力的不均匀内和晶界）。变形和应力的不均匀分布也会造成各部分之间产

57、生电极分布也会造成各部分之间产生电极电位差。电位差。n 电位差越大，阳极电流密度越大，电位差越大，阳极电流密度越大，钢的腐蚀速度越大。钢的腐蚀速度越大。1.2电化学腐蚀：电化学腐蚀：n例如：珠光体组织在硝酸酒精中的腐蚀；例如：珠光体组织在硝酸酒精中的腐蚀；珠光体珠光体铁素体：电极电位较低，成为阳极，不铁素体：电极电位较低，成为阳极，不断的被腐蚀；断的被腐蚀；渗碳体：电极电位较高，成为阴极，渗碳体：电极电位较高，成为阴极，不易被腐蚀；不易被腐蚀；这样，原先被抛光的磨面变得凹凸不平，凸出这样，原先被抛光的磨面变得凹凸不平，凸出的部分为渗碳体，凹陷的部分为铁素体，故可的部分为渗碳体，凹陷的部分为铁素

58、体，故可观察珠光体组织；观察珠光体组织；所以，电极电位较高的具有较高的耐蚀性；两所以，电极电位较高的具有较高的耐蚀性；两相组织越细，所形成的原电池就越多，耐蚀性相组织越细，所形成的原电池就越多，耐蚀性就越差；就越差；应力腐蚀冲刷腐蚀总结：总结：n提高钢的耐蚀性的方法：提高钢的耐蚀性的方法：尽量在室温下获得相尽量在室温下获得相组织；组织；提高合金本身的电极提高合金本身的电极电位，为此常加入少电位，为此常加入少量地量地Cr、Ni等；等；形成氧化膜形成氧化膜n1.31.3不锈钢的分类：不锈钢的分类：n n 不锈钢按化学成分可分为：不锈钢按化学成分可分为： n铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰不锈钢等。铬不锈

59、钢、铬镍不锈钢、铬锰不锈钢等。 n 不锈钢按金相组织可分为不锈钢按金相组织可分为: : n马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体- -铁素体不铁素体不锈钢。锈钢。二、不锈钢的合金化原理二、不锈钢的合金化原理 方法方法: 如表面镀金属、涂非金属层、如表面镀金属、涂非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境、介质等。电化学保护和改变腐蚀环境、介质等。利用合金化提高材料本身的耐蚀性是最利用合金化提高材料本身的耐蚀性是最有效的控制腐蚀的措施。有效的控制腐蚀的措施。n 1. 合金元素合金元素Cr、Ni、Si等提高基等提高基体金属的体金属的电极电位电极电位，减少微电池数目，减少微电池数目，可

60、有效地提高钢的耐蚀性。可有效地提高钢的耐蚀性。 2. 合金元素改变组织合金元素改变组织 加入合金元素使钢在室温下获得加入合金元素使钢在室温下获得单单相固溶体组织相固溶体组织，也能减少微电池数目，也能减少微电池数目，从而有效提高钢的耐蚀性。从而有效提高钢的耐蚀性。 不锈钢中的不锈钢中的Ni、Mn、Cu等都是扩等都是扩大大区的元素。区的元素。 随含镍量增多，随含镍量增多， A3点点降低，降低，A4点升高；当超过一定含量后，点升高；当超过一定含量后，FeNi合金合金不再出现不再出现相相，从高温到室，从高温到室温都是温都是单相奥氏体单相奥氏体。 Cr是很强的铁素体形成元素，含量是很强的铁素体形成元素，