金属材料学工模具用钢课件

金属材料学__第八章_工模具用钢2022/11/1金属材料学第八章工模具用钢金属材料学__第八章_工模具用钢2022/10/23金属材料1主要内容8.1工具钢的分类和基本性能要求

8.2刃具钢：碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢8.3冷作模具钢8.4热作模具钢金属材料学第八章工模具用钢主要内容8.1工具钢的分类和基本性能要求金属材料学2重点及基本要求掌握各类钢的典型牌号、成分特点、合金元素的作用、热处理及应用。重点是刃具钢、高碳高铬模具钢、锤锻模用钢。难点是高速钢的合金元素作用、热处理工艺制定的依据和显微组织与性能特点。金属材料学第八章工模具用钢重点及基本要求掌握各类钢的典型牌号、成分特点、合金元素的作用3工模具钢的定义与分类定义：用来制造刃具、模具和量具的钢种分类：刃具钢、模具钢和量具钢刃具钢：碳素钢、低合金工具钢和高速工具钢。模具钢：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.金属材料学第八章工模具用钢工模具钢的定义与分类金属材料学第八章工模具用钢4§8.1工模具钢的性能要求、成分与热处理特点主要矛盾工模具钢要有优良的耐磨性（硬度要高）；在工作过程中还要有良好的韧性。在韧度和耐磨性之间的合理平衡解决矛盾方法取决于基体马氏体的成分与硬度和碳化物的性质、数量、形态和分布。即成分与组织状态金属材料学第八章工模具用钢§8.1工模具钢的性能要求、成分与热处理特点主要工模具钢要5一、

工具钢成分与性能特点

——C含量高硬度、耐磨性、足够的强度和韧性高C（0.6～1.3%）C↑，M（马氏体）的硬度、切断抗力↑，耐磨性↑C↑，碳化物的数量↑，耐磨性↑金属材料学第八章工模具用钢一、工具钢成分与性能特点

——C含量高硬度、耐磨性、足够的6一、

工具钢成分、组织与性能特点

——合金元素高C，获得大量碳化物，保证耐磨、热稳定性主加合金元素：强碳化物或中强碳化物形成元素，如：Cr、W、Mo、V等。作用：↑耐磨性、热稳定性和淬透性；

辅加元素：Mn、Si等能提高淬透性和回火稳定性的元素金属材料学第八章工模具用钢一、工具钢成分、组织与性能特点

——合金元素高C，获得大量7一、

工具钢成分、组织与性能特点

——组织为保证耐磨性第二相碳化物→球状、细小、均匀分布规律：碳化物呈球状、细小、均匀分布时材料的耐磨性提高金属材料学第八章工模具用钢一、工具钢成分、组织与性能特点

——组织为保证耐磨性第二相8二、热加工与热处理特点－预处理第二相碳化物→球状、细小、均匀分布碳素工具钢和低合金工具钢：球化退火获得铁素体+细小球形碳化物高合金工具钢：C高、合金元素含量高，K多且不均匀高合金工具钢：球化退火前要热锻：破碎一次碳化物（细小）同时使碳化物均匀分布获得粒状珠光体组织金属材料学第八章工模具用钢二、热加工与热处理特点－预处理第二相碳化物→球状、细小、9二、热处理特点－最终热处理淬火+回火；组织：回火马氏体+K淬火温度：在Ac1～Acm，即在碳化物与奥氏体共存区原因：①碳化物的存在，可以阻止奥氏体长大，细化组织，提高韧性；②这些碳化物的存在可以提高的耐磨性；③可以用温度高低，改变奥氏体中C含量，从而改变淬透性选择依据：在消除有害应力的前提下，尽量保持钢的高硬度，以保持高耐磨性回火温度：低温回火金属材料学第八章工模具用钢二、热处理特点－最终热处理淬火+回火；组织：回火马氏体+K淬10三、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2~3HRC

对高速钢，通常就是红硬性金属材料学第八章工模具用钢三、工具钢基本性能及检测方法强度11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、NiMe↑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

注意点金属材料学第八章工模具用钢淬透断口法→碳素工具钢和低合金工具钢；Me↑淬透性,只有12Si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

金属材料学第八章工模具用钢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13§8.2刃具用钢

一、刃具的工作条件和对刃具钢的基本性能要求①、高切断抗力，防止折断、崩刃和变形②、高的耐磨性，防止人口过早和过量磨损破坏③、高硬度，使其具有高耐磨性④、高的弯曲强度和足够的韧性⑤、高的热稳定性：防止高温工作下软化导致耐磨性下降

工具钢热稳定性的衡量：用加热时能保持一定硬度的最高温度来表示。对高速钢用红硬性：正常淬火回火的高速钢加热到600、625、650℃，重复4次，每次1h，保持HRC60的温度定义为～金属材料学第八章工模具用钢§8.2刃具用钢一、刃具的工作条件和对刃具钢的基本性14二、碳素工具钢

含C量：0.65～1.35%，足够高的硬度和较好的耐磨性。优点：易于锻造及切屑加工、价格便宜。缺点：淬透性差、回火抗力差典型钢号与应用：T7~T13做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸小于15mm的工具。

T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等；T8易过热，制造形状简单的木工工具等；T10、T12耐磨性较好，强度高，但韧度低，制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等金属材料学第八章工模具用钢二、碳素工具钢T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，15最终热处理：淬火+低温回火淬火加热温度：760～800℃，防止过热淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火.回火温度：180～210℃（常用）；200～250℃（螺纹工具，如板牙）锻造：锻造性好。锻造过程中注意表面脱碳，故时间尽量短；锻压比要大于4球化退火：退火温度730～800℃碳素工具钢的热加工与热处理金属材料学第八章工模具用钢最终热处理：淬火+低温回火锻造：锻造性好。锻造过程中注意表面16三、低合金工具钢

是在T10或T12的基础上合金化得到的钢种常用合金元素：在低合金工具钢中，常加入的合金元素为：Cr、Si、Mn、W、V。为防止碳化物分布的不均匀性，总量一般不大于4%。合金元素的作用：耐磨性和回火稳性↑（碳化物形成元素）淬透性↑（提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Si）防止变形开裂金属材料学第八章工模具用钢三、低合金工具钢合金元素的作用：金属材料学第八章工模具用钢17合金元素具体作用Cr:1%左右，（大于1%且C含量大于1%，引起K分布的不均匀性）作用：①提高过冷A的稳定性，提高淬透性②使碳化物稳定性↑，分解温度↑，使钢的回火抗力↑③中强碳化物形成元素，防止Si的石墨化④细化K，均匀分布，使耐磨性↑⑤降低Ms点，使残余A量↑，使硬度↓。故总量必须控制在1%左右金属材料学第八章工模具用钢合金元素具体作用Cr:1%左右，（大于1%且C含量大于1%18Si的左右:①使淬透性↑②阻碍马氏体的分解和Fe3C的聚集，使回火稳定性↑③对Ms点影响很小，对残余A量影响小，使刀具的尺寸稳定性↑④Si强化F⑤是石墨化元素，易引起脱C和C的石墨化。

不单独加入。金属材料学第八章工模具用钢Si的左右:金属材料学第八章工模具用钢19Mn:①主要淬透性↑;②使残A量↑，减少淬火变形；③，使A晶粒粗大，过热倾向↑W:形成稳定的碳化物，使钢的耐磨性和红硬性↑

，细化A晶粒和阻止钢的过热。量过多，引起K分布不均匀↑V:形成VC，阻碍A长大，过热敏感性↓,细化晶粒；回火稳定性↑金属材料学第八章工模具用钢Mn:①主要淬透性↑;②使残A量↑，减少淬火变形；③，20热锻特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆性大。(1)加热速度不宜太快。(2)变形量足够大，终轧温度较低，控制碳化物形态。(3)轧后缓冷，避免开裂。热处理与热加工金属材料学第八章工模具用钢热锻热处理与热加工金属材料学第八章工模具用钢21球化退火退火温度要适当：太高，使氧化和脱碳倾向↑；太低，K过细，硬度过高，网状碳化物不易消除。为缩短退火时间：等温退火正火目的：在球化退火前，为消除网状碳化物正火温度：Acm以上。？金属材料学第八章工模具用钢球化退火温度要适当：太高，使氧化和脱碳正火目的：在球化退火前22热处理与热加工淬火工艺淬火温度：T淬一般与碳素工具钢相同，为Ac1+30~50℃，但保温时间较长。?冷却：油冷，熔盐分级淬火，等温淬火(B等温淬火和M等温淬火)

一般组织含碳量0.5％~0.6％的M+未溶粒状K回火低温回火，一般小于200℃。金属材料学第八章工模具用钢热处理与热加工淬火淬火温度：T淬一般与碳素工具钢相同，一般含23常用低合金工具钢的化学成分、

力学性能和用途

钢号化学成分，wt%热处理及硬度用途CMnSiCr其它淬火，℃淬火，HRC回火，℃回火后，HRCCr061.30-1.45≤0.40≤0.400.50-0.70-800-810，水63-65160-18062-64锉刀、刮刀、刻刀Cr20.95-1.10≤0.40≤0.401.30-1.65-830-850，油62-65150-17060-62同上9SiCr0.85-0.950.30-0.601.20-1.600.95-1.25-830-860，油62-64150-20061-63丝锥、板牙、钻头、铰刀CrWMn0.90-1.050.80-1.10≤0.400.90-1.20W1.20-1.60800-830，油62-63160-20061-62拉刀、长丝锥、长铰刀9Mn2V0.85-0.951.70-2.00≤0.40-V0.10-0.25760-780，油＞62130-17060-62丝锥、板牙、铰刀CrW51.25-1.50≤0.40≤0.400.40-0.70W4.50-5.50800-850，油65-66160-18064-65低速切削硬金属刃具，如车刀、铣刀金属材料学第八章工模具用钢常用低合金工具钢的化学成分、

力学性能和用途钢号化学成分，249SiCr：①Si/Cr淬透性↑，D油<40mm；②Si/Cr回稳性↑，~250℃回火，>60HRC；③K细小、均匀→不容易崩刃；④分级淬火或等温淬火处理，变形较小；⑤Si使钢的脱碳倾向较大。

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。金属材料学第八章工模具用钢9SiCr：①Si/Cr淬透性↑，D油<40mm25CrWMn：

①Cr、W、Mn复合，淬透性↑，D油=50~70mm；②AR在18~20%，淬火后变形小；③含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒细小→高硬度、高耐磨性；④回稳性较好，>250℃回火，<60HRC；⑤W使碳化物易形成网状。

适于制作要求变形小、耐磨性高的工件，如拉刀等，也可做量具及形状较复杂的高精度冲模。金属材料学第八章工模具用钢CrWMn：①Cr、W、Mn复合，淬透性↑，2627在Cr钢基础上加入5%W，生成M6C碳化物，淬火加热时未溶K多。①淬透性差；②高硬度，高耐磨性。CrW5金属材料学第八章工模具用钢27在Cr钢基础上加入5%W，生成M6C碳化物，淬火加热时未27四、高速钢

在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600℃以上，低合金钢刃具已不能满足这种要求。因此，就必须选用高速钢，它在650℃时，仍能使硬度保持HRC50以上，从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢增加1～3倍，而耐用性增加7～14倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。金属材料学第八章工模具用钢四、高速钢在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600281910年开始应用W18Cr4V（18－4－1）。1932年到1937年，应用钼系，W2Mo9Cr4V和钨－钼系，W6Mo5Cr4V2（6－5－4－2）。1939年出现高碳高钒，超硬高速钢。金属材料学第八章工模具用钢1910年开始应用W18Cr4V（18－4－1）。金属材料学29按照其成分和性能特点可分为以下几类：⑴钨系高速钢：典型牌号18-4-1，美M1，俄P18。⑵钨钼系高速钢：如6-5-4-2，美M2，目前应用普遍。⑶含钴高速钢：如W18Cr4VCo5,红硬性高。⑷超硬高速钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al。具有65~70HRC高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢低。钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其它类型称为特殊用途高速钢或高性能高速钢。金属材料学第八章工模具用钢按照其成分和性能特点可分为以下几类：⑴钨系高速钢：典型牌号301、高速钢的化学成分、铸态组织

和碳化物类型

（1）高速钢的化学成分我国最常见的高速钢为钨系和钨钼系，主要的合金元素是W、Mo、Cr、V和Co，属于高合金莱氏体钢。钢号化学成分（%）CSiMnCrMoWVW18Cr4V0.7-0.9≤0.4≤0.43.8-4.4≤0.317.5-191.0-1.4W6Mo5Cr4V20.8-0.9≤0.4≤0.43.8-4.44.5-5.55.5-6.71.75-2.2金属材料学第八章工模具用钢1、高速钢的化学成分、铸态组织

和碳化物类型（1）高速钢的31（2）高速钢的平衡凝固与铸态组织金属材料学第八章工模具用钢（2）高速钢的平衡凝固与铸态组织金属材料学第八章工模具用钢3233①δ黑色组织由于包晶和包共晶转变需要固相扩散，使δ达到所需C和Me，才能转变为γ，所以不能充分进行。部分δ被保留，随后发生共析转变，δ→γ＋K，称为δ共析。因为在金相组织中呈黑色，又称黑色组织。金属材料学第八章工模具用钢33①δ黑色组织金属材料学第八章工模具用钢33②白亮组织γ的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为M＋AR，在金相组织中呈白色，称白色组织。③共晶组织共晶反应得到M6C（呈鱼骨架状）+γ（基体）称为莱氏体（Ld′）。由于包晶和包共晶转变不彻底，δ没有完全消失，L相对增加，使Ld′增多。金属材料学第八章工模具用钢②白亮组织金属材料学第八章工模具用钢34铸态组织：大量鱼骨状Ld′和中心黑色δ共析体及白亮马氏体和残余奥氏体。鱼骨状Ld′：

M6C为鱼骨架状，基体为γ(或M)平衡凝固组织：Ld′+K+P金属材料学第八章工模具用钢铸态组织：大量鱼骨状Ld′和中心黑色δ共析体及白亮马氏体和残35（3）高速钢的碳化物所有的高速钢中，在退火状态下都含有M6C、M23C6。MC三种碳化物。18-4-1高速钢退火状态的碳化物总量约为30%左右，其中M6C型碳化物约占18%，M23C6型碳化物约占8%。MC型碳化物约占1%。在淬火状态下，只有M6C和MC。在回火（650℃）状态有M2C、MC析出。金属材料学第八章工模具用钢（3）高速钢的碳化物所有的高速钢中，在退火状态下都含有M6C36M6C型碳化物：典型的M6C型碳化物是Fe4W2C。其中Fe和W可以相互置换，形成Fe3W3C或Fe2W4C。钢中含有的Cr、Mo、V可溶解在M6C中，Mo、V可置换W；Cr可置换Fe、W，这就使M6C稳定性不同。如Cr溶入M6C中，使M6C稳定性下降。淬火加热过程中M6C可部分溶入A中，使高速钢获得高红硬性和高耐磨性。未溶的？M6C的硬度为73.5HRC~77HRC。金属材料学第八章工模具用钢M6C型碳化物：典型的M6C型碳化物是Fe4W2C。金属材37M23C6型碳化物：

是以Cr、W、Mo为主并溶有铁等元素的碳化物（Cr、Fe、W、Mo、V）23C6。典型碳化物是Cr23C6，其稳定性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢的淬透性。金属材料学第八章工模具用钢M23C6型碳化物：是以Cr、W、Mo为主并溶有铁等元素的38MC型碳化物：

是以V为主的VC，也能溶解少量的W、Mo、Cr等元素。碳化物VC的稳定性最高，即使在淬火加热温度下，也不能全部溶解。阻止A的长大，细化晶粒VC的最高硬度可达83~85HRC。在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢具有高的耐磨性。金属材料学第八章工模具用钢MC型碳化物：是以V为主的VC，也能溶解少量的W、Mo、C39M2C和M7C3型碳化物：高速钢在回火过程中，当温度超过500℃时，自马氏体中析出W2C、Mo2C，引起钢的弥散硬化。当回火温度超过650℃时，则析出M6C及M7C3，它们容易聚集长大，使钢的硬度下降。金属材料学第八章工模具用钢M2C和M7C3型碳化物：高速钢在回火过程中，当温度超过5040高速钢中碳化物的小结（1）退火状态的碳化物：M6C、M23C6、MC、M7C3。稳定性排序（升序）：M7C3、M23C6、M6C、MC加热过程中溶解的先后顺序：M7C3、M23C6、M6C、MC加热过程中溶解的程度：M7C3、M23C6能完全溶解；M6C、MC部分溶解溶解的碳化物能增加钢的淬透性和红硬性；未溶的碳化物能细化晶粒，增加钢的韧性和耐磨性金属材料学第八章工模具用钢高速钢中碳化物的小结（1）退火状态的碳化物：M6C、M23C41对性能的影响：块状、带状使材料呈现各向异性，降低钢材的强度、塑性和韧性对锻造的影响：锻造过程中，分布集中处，材料塑性低，易造成锻造开裂对热处理影响:分布不均碳化物造成A中合金元素含量不同和淬透性差异对切削性能的影响:使刀具容易崩刃和磨损高速钢中碳化物的小结（1）

——分布不均匀带来的影响金属材料学第八章工模具用钢对性能的影响：块状、带状使材料呈现各向异性，降低钢材的强度、422、高速钢的热加工与热处理（1）锻造

高速钢的铸态组织很不均匀。大量不均匀分布的粗大碳化物，将造成强度及韧性的下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫正，必须借助于反复压力热加工(锻、轧)，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均匀分布在基体内高速钢在空气中冷却即可进行马氏体转变，所以锻造或轧制以后，钢坯应缓慢冷却，以防止产生过高的应力导致开裂。锻压比大于10；W系的始锻温度为：1140～1180℃，终锻温度为900℃左右；钼系的始锻温度：1000℃，终端温度850～870℃.终锻温度太低引起锻件开裂；太高，造成晶粒不正常长大。金属材料学第八章工模具用钢2、高速钢的热加工与热处理（1）锻造金属材料学第八章工模具43（2）退火高速钢锻造以后，必须进行球化退火，其目的不仅在于降低钢的硬度，以利切削加工，而且也为以后的淬火作组织上的准备。18-4-1钢的AC1温度是820-860℃，故退火温度为860℃～880℃。在该温度保温2～3h。为缩短退火时间，可采用等温退火，即在退火保温结束后，迅速冷到720～750℃（？）保温后炉冷到500℃出炉。退火组织为：粒状珠光体和剩余碳化物。6－5－4－2的退火温度取18－4－1的下限温度金属材料学第八章工模具用钢（2）退火金属材料学第八章工模具用钢44（3）淬火18-4-1淬火温度：1280℃；6-4-2-1：1220℃淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金浓度越高。只有合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和红硬性。温度超过1300℃时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至在晶界处发生溶化现象。使淬火钢的韧性大大下降。所以，1280℃作为淬火温度。金属材料学第八章工模具用钢（3）淬火金属材料学第八章工模具用钢45由于高速钢的导热性差，而淬火温度又极高，为减少工件在加热时的变形开裂和缩短高温保持时间，减少脱碳，可采用预热。一次预热在800-850℃，二次预热在800-850℃前加一次500-600℃预热。淬火一般采用油淬空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火，一般在580-620℃一次分级或在350-400℃做第二次分级。钢的正常淬火组织是马氏体＋碳化物＋残余奥氏体(30%左右)金属材料学第八章工模具用钢由于高速钢的导热性差，而淬火温度又极高，为减少工件在加热时的46

W18Cr4V高速钢不同淬火温度下的组织特征正常淬火组织(400X)

欠热组织(400X)

过热组织(400X)

过烧组织(200X)

金属材料学第八章工模具用钢W18Cr4V高速钢不同淬火温度下47（4）回火高速钢一般需进行三次560℃保温1h的回火处理。金属材料学第八章工模具用钢（4）回火金属材料学第八章工模具用钢48回火温度在500-600℃之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在550-570℃时可达到硬度、强度的最大值。在此温度区间，自马氏体中析出弥散的钨(钼)及钒的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使钢的硬度大大提高，这种现象称为二次硬化。当回火温度500～600℃之间时，残余应力松弛，基体中析出了部分碳化物，使残余奥氏体中合金元素及碳含量下降，Ms点升高。这种贫化的残余奥氏体，在回火后的冷却过程中，转变为马氏体，使钢的硬度也有所提高。即实现二次淬火。为了降低残余奥氏体量，需增加回火冷却次数，三次回火后残余奥氏体量降到5%以下。正常回火后硬度为HRC63～66，其组织为回火马氏体（含有0.25%的C）+残余A+碳化物。金属材料学第八章工模具用钢回火温度在500-600℃之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高49高速钢的热处理工艺规范图金属材料学第八章工模具用钢高速钢的热处理工艺规范图金属材料学第八章工模具用钢50（5）高速钢的表面强化为改善刃具的切削效率和提高耐用性，生产上经常对刃具进行表面强化处理。表面强化主要有化学热处理和表面复层处理两类。前者包括蒸气处理、气体软氮化、离子氮化、氧氮化(氧氮共渗)等。表面复层处理则使金属表面形成耐磨的碳化钛、氮化钛复层，许多国家已用于生产。

金属材料学第八章工模具用钢（5）高速钢的表面强化金属材料学第八章工模具用钢51(1)碳：主要强化元素，随着碳含量进一步增高，淬火回火后的硬度和热硬性都增高。高C①作用：形成足够数量的碳化物。保证马氏体中固溶碳量。②数量：定比碳公式。符合此公式时，红硬性（二次硬化）作用强。C＝0.033W＋0.063Mo＋0.2V＋0.06Cr基于两个原理：合金元素形成碳化物引起钢硬度的增加大于固溶引起的硬度增加；退火的残余碳化物引起硬度的增加小于回火析出碳化物引起硬度增加。若碳含量很高，碳化物总量增多，碳化物不均匀性增加；淬火后残余奥氏体量增多，需多次回火；使固相线温度降低，淬火温度下降。碳含量低时，则合金元素不能完全形成碳化物，使钢的红硬性和硬度下降。3、高速钢的合金化金属材料学第八章工模具用钢(1)碳：主要强化元素，随着碳含量进一步增高，淬火回火后的52(2)W、Mo

W：造成红硬性的主要元素。但是会使钢的导热性变差。退火时主要以M6C型碳化物存在。淬火加热时：一部分M6C型碳化物溶入奥氏体一部分M6C型碳化物未溶入奥氏体金属材料学第八章工模具用钢(2)W、Mo金属材料学第八章工模具用钢53溶入奥氏体的W、Mo：①强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，提高回火稳定性，在600℃回火时，仍为过饱和固溶体，具有高的红硬性。②回火时在马氏体中弥散析出M2C，造成二次硬化，具有高的红硬性和耐磨性金属材料学第八章工模具用钢溶入奥氏体的W、Mo：金属材料学第八章工模具用钢54未溶入奥氏体的M6C型碳化物：①强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用1220－1310℃的高温，使足够数量的碳化物溶入奥氏体，保证高的红硬性。②提高耐磨性。金属材料学第八章工模具用钢未溶入奥氏体的M6C型碳化物：金属材料学第八章工模具用钢55Mo的作用与钨相同，1%Mo可取代2%WMo取代W带来的好处和不足：钼使共晶碳化物由鱼骨状变成细鸟巢状，减小碳化物的不均匀性；钼系抗弯强度和韧性远高于钨系；热硬性略低；脱碳倾向大。淬火加热温度低。金属材料学第八章工模具用钢Mo的作用与钨相同，1%Mo可取代2%W金属材料学第八章工模56

（3）铬所有高速钢都含有4%Cr作用：提高淬透性，也增加耐蚀性、切削性能和抗氧化能力。Cr在钢中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化物中。淬火加热Cr几乎全部溶于奥氏体中，主要提高淬透性。金属材料学第八章工模具用钢（3）铬金属材料学第八章工模具用钢57（4）钒

细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性。V在钢中主要以VC存在，也溶于其他类型碳化物。淬火加热时，VC部分溶于奥氏体中，未溶部分阻碍奥氏体晶粒长大，溶解部分使马氏体回火稳定性提高；回火时析出弥散VC产生二次硬化，提高热硬性。高速钢中含V量增多，热硬性明显提高。高V高速钢中，鸟巢状的共晶碳化物VC增多，可达10%左右，提高钢的耐磨性，但也使切削加工性能降低。高V高速钢属于高热硬性高耐磨性钢。金属材料学第八章工模具用钢（4）钒金属材料学第八章工模具用钢58

（5）钴提高回火稳定性和热硬性。降低韧性、增大脱碳倾向。淬火加热时溶于奥氏体中，提高马氏体的回火稳定性。Co与W和Mo原子间结合力强，可减轻W和Mo原子扩散速率，减慢合金碳化物析出和聚集长大，增加热硬性。金属材料学第八章工模具用钢（5）钴金属材料学第八章工模具用钢59（6）微合金元素氮：提高热硬性，同时也提高抗弯强度和挠度，改善韧性。N溶于碳化物中，形成合金碳氮化物，使M6C碳化物稳定性提高，减小聚集倾向。N细化奥氏体晶粒，提高晶界开始熔化温度，因而提高了淬火温度和合金元素溶解量，增加回火硬度和热硬性。稀土元素：提高钢在900-1150℃间的热塑性。加入稀土元素降低硫在晶界的偏聚，提高热塑性。金属材料学第八章工模具用钢（6）微合金元素金属材料学第八章工模具用钢60（1）过热由于淬火温度过高等原因，造成晶粒过大，剩余碳化物数量减少，碳化物出现粘连、拖尾、角状或沿晶界呈网状分布的现象称为过热。（2）过烧淬火温度接近钢的熔化温度，晶界熔化，出现莱氏体及黑色组织，称为过烧。过烧的刃具，常常出现严重的变形或皱皮现象，这种缺陷是不可挽救的。4、高速钢刃具的热处理缺陷金属材料学第八章工模具用钢（1）过热4、高速钢刃具的热处理缺陷金属材料学第八章工模具61（3）脱碳表面脱碳使工具的硬度降低，金相组织中出现明显的铁素体，在其基体上还有碳化物存在。钢的表层脱碳，使Ms点升高，在淬火时，表层先转变为马氏体，形成一层薄的硬壳，随后心部进行马氏体转变时，体积膨胀，表层受到张应力，易于引起开裂，同时其硬度和耐磨性也降低，从而大大降低刃具寿命。（4）萘状断口萘状断口呈闪光粗粒状，有如萘光，故得名。其金相组织为粗大的晶粒。产生萘状断口的刀具，强度、韧性极低，使用时易崩刃或折断，是一种不可挽救的缺陷。萘断口的形成主要是由于停锻温度过高(1050～1100℃)，而且变形量又在10～15％左右，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，也容易产生萘状断口。金属材料学第八章工模具用钢（3）脱碳金属材料学第八章工模具用钢625、常用钢号W系高速钢：W18Cr4V（18-4-1）型W-Mo系高速钢:6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）型Co系高速钢:在前二者基础上增加5-15%Co。如：W18Cr4VCo5，W6Mo5Cr4V2Co8。超硬高速钢:高V：W6Mo4Cr4V5Si。加Al：W10Mo4Cr4V3Al。金属材料学第八章工模具用钢5、常用钢号W系高速钢：W18Cr4V（18-4-1）型金属63

金属在冷态下变形

拉延、冲压、冷鐓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§8.3冷变形模具钢金属材料学第八章工模具用钢金属在冷拉延、冲压、冷鐓或共同工作T不高，模具主64一、冷作模具钢的概况1.用途制造使金属在常温状态下变形的模具。2.性能要求(1)高硬度、高强度、高耐磨性。(2)一定的韧性。(3)淬透性高。(4)淬火变形小。金属材料学第八章工模具用钢一、冷作模具钢的概况金属材料学第八章工模具用钢65

3.常用钢种(1)碳素及低合金工具钢。(2)高铬及中铬冷作模具钢。(3)基体钢及低碳高速钢。(4)新型冷作模具钢。金属材料学第八章工模具用钢3.常用钢种金属材料学第八章工模具用钢66二、碳素及低合金模具钢1、碳素模具钢常用的冷变形模具钢有:T8A、T10A、T12A等。特点：可加工性好；价格便宜。缺点：淬透性差、耐磨性差、淬火变形大、寿命低用途：制造尺寸不大，形状简单，负荷不大的模具或硬化层不深、要求高韧性的冷镦模金属材料学第八章工模具用钢二、碳素及低合金模具钢1、碳素模具钢金属材料学第八章工模具用672、低合金冷变形模具钢常用低合金冷变形模具钢有9Mn2V、CrWMn、GCr15、9SiCr等。性能特点：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。用途：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。金属材料学第八章工模具用钢2、低合金冷变形模具钢金属材料学第八章工模具用钢68三、高铬及中铬冷作模具钢高C高铬冷作模具钢成分特点：较高的C（1.4～2.3%）、大量的Cr（11~13%)、少量的Mo、V。Mo（W）、V的作用：提高回火稳定性、增加淬透性、细化组织、改善韧性。主要钢号：Cr12：2-2.3%C，12%Cr。Cr12MoV：1.45-1.7%C，12%Cr，0.5%Mo，0.2%V。金属材料学第八章工模具用钢三、高铬及中铬冷作模具钢金属材料学第八章工模具用钢692、高碳高铬冷变形模具钢热加工与热处理高碳高铬冷变形模具钢的锻造与退火：高碳高铬型钢的组织和性能与高速钢有许多相似之处，也属于莱氏体钢。铸态组织也有共晶莱氏体存在，必须通过轧制或锻造，破碎共晶碳化物，也减少碳化物的不均匀分布。锻造后通常采用等温球化退火进行软化。A1温度为800℃~820℃，所以等温球化退火的加热温度一般为850℃~870℃，保温3h~4h；退火等温温度为720℃~740℃，保温6h~8h，炉冷至小于500℃出炉空冷，如下图。等温球化退火后的组织与高速钢的退火组织相似，为索氏体型珠光体+粒状碳化物。退火后硬度为207~267HB。

金属材料学第八章工模具用钢2、高碳高铬冷变形模具钢热加工与热处理高碳高铬冷变形模具钢的70金属材料学第八章工模具用钢金属材料学第八章工模具用钢71高碳高铬冷变形模具钢的淬火和回火随着加热温度的升高，合金碳化物Cr7C3继续向奥氏体中溶解，增加了奥氏体中碳和铬的浓度，可获得较高的淬火硬度。淬火温度升高到1050℃时，淬火硬度达最大值。若淬火温度再升高，由于奥氏体中合金元素增多，使Ms点下降，从而导致残余奥氏体量的增加，硬度急剧下降。见下图。金属材料学第八章工模具用钢高碳高铬冷变形模具钢的淬火和回火随着加热温度的升高，合金碳化72金属材料学第八章工模具用钢金属材料学第八章工模具用钢73

高碳高铬型钢的淬火、回火处理有下列两种工艺方法：(1)一次硬化处理

采用较低的淬火温度并进行低温回火。选用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强度和韧性较好。通常Cr12MoV钢选用980～1030℃淬火，如希望得到较高的硬度，淬火温度可取上限。回火温度一般在150-170℃。硬度HRC61-63。回火温度升高时硬度降低,但强度和韧性提高。大多数Cr12型钢制作冷变形模具均采用此工艺。金属材料学第八章工模具用钢高碳高铬型钢的淬火、回火处理有下列两种工艺方法：金属74(2)二次硬化处理在较高的温度淬火（如，对Cr12MoV采用1050～1080℃的淬火温度），然后进行多次（2～3次）高温回火（490～520℃），以达到二次硬化的目的。这样可以获得高的回火稳定性，但稍降低钢的强度和韧性。二次硬化处理适于工作温度较高(400-500℃)且负荷不大或淬火后表面需要氮化的模具。金属材料学第八章工模具用钢(2)二次硬化处理金属材料学第八章工模具用钢75高碳高铬冷变形模具钢具有以下特点：

①高的耐磨性和硬度：回火时析出淬火溶解的大量碳化物M7C3。②高的淬透性：淬火加热时A中溶解了大量合金元素Cr、Mo等，提高过冷奥氏体稳定性。直径大于200～300mm的工模具，可以完全淬透。650-350℃有过冷奥氏体稳定区。③淬火变形小：通过调节淬火温度来调节淬火组织中残余A的量，从而调节淬火变形量（？）。④高的红硬性：高温回火处理产生二次硬化⑤铸态组织为高碳亚共晶组织；淬火加热时有大量未溶碳化物（Cr7C3），耐磨性好。⑥碳化物不均匀比较严重：（？）需通过锻造或轧制来改善其分布的均匀性。金属材料学第八章工模具用钢高碳高铬冷变形模具钢具有以下特点：金属材料学第八章工模具用76四、高碳中铬模具钢1中铬模具钢的成分和特点典型钢种：Cr6WV、Cr4W2MoV和Cr5Mo1V。W、Mo、V的作用同高C高Cr模具钢。含碳量相对低、铬量低，属于过共析钢，但仍有部分莱氏体共晶。碳化物以Cr7C3为主，并有少量M6C和MC型。碳化物分布较均匀（？），退火态含有15%左右的碳化物。耐磨性好、热处理变形小，适用于既要求耐磨性又具有一定韧性的模具。

金属材料学第八章工模具用钢四、高碳中铬模具钢1中铬模具钢的成分和特点金属材料学第八772淬火、回火

Cr6WV淬火温度通常采用960-980℃，热油淬火，150-200℃回火，硬度HRC58-62。淬火温度提高，可获得最高的硬度和淬透性。耐磨性低于Cr12钢，但有较好的强韧性。Cr4W2MoV：因含有V，能细化奥氏体晶粒，可采用一次硬化法（960～980℃淬火，260～320℃回火1h，2次）和二次硬化法（1020～1040℃淬火，500～540℃回火1～2h，3次），耐磨性，回火稳定性比Cr6WV强。金属材料学第八章工模具用钢2淬火、回火Cr6WV淬火温度通常采用960-980℃，78五、基体钢或低碳高速钢

所谓基体钢系指含有高速钢淬火组织中除过剩碳化物外的基体化学成分的钢种。或者在高速钢基体成分上添加或调整合金元素并适当增减C含量，以改善钢的性能，适宜某些用途的钢种。这种钢，既有高速钢基体的强度和热硬性，又不含有大量的未溶碳化物，故不致使韧性和疲劳强度降低。一般18-4-1和6-5-4-2高速钢正常淬火后基体的成分如表8－15。我国研制的基体钢成分见表8－16金属材料学第八章工模具用钢五、基体钢或低碳高速钢所谓基体钢系指含有高速钢淬火组织中除79金属材料学第八章工模具用钢金属材料学第八章工模具用钢801、50Cr4Mo3W2V(1)相当于W6Mo5Cr4V2高速钢的基体成分。C：0.5，W：2%，Mo：2.75%，Cr：4.5%，V：1%。(2)过共析钢。(3)1110-1120℃淬火后，未溶碳化物为5%，AR较多。510-620℃，多次回火，HRc61-65。(4)制作冷作模具，使用寿命比W6Mo5Cr4V2高速钢长。金属材料学第八章工模具用钢1、50Cr4Mo3W2V金属材料学第八章工模具用钢812、65Cr4W3Mo2VNb（65Nb）(1)以高速钢W6Mo5Cr4V2为母体，淬火基体成份为：(wt%)C,0.5;Cr,4;W,2;Mo,3;V,1。在此基础上适当增加含碳量，添加少量Nb，调整W，Mo含量。(2)抗弯强度和冲击韧性比高速钢好。(3)1080℃淬火：未溶碳化物5～11%，奥氏体晶粒度11～12级，520～550℃二次回火。韧性较好。(4)制作冷作模具为主，兼作热模具。金属材料学第八章工模具用钢2、65Cr4W3Mo2VNb（65Nb）金属材料学第八章工823、低碳高速钢(1)典型钢种6W6Mo5Cr4V。碳和钒的含量比W6Mo5Cr4V2高速钢低。(2)属莱氏体钢。(3)1180-1200℃淬火,560-580℃，三次回火，HRc60-63。(4)强度、韧性和耐磨性较高，用做冷挤压模，寿命比高铬冷作模具钢好。金属材料学第八章工模具用钢3、低碳高速钢金属材料学第八章工模具用钢83五、新型冷作模具钢为适应冷镦模和厚板冲剪模的要求，既有良好的耐磨性，又有较高的韧性，发展的高韧、高耐磨的钢种。典型钢种：7Cr7Mo2V2Si。合金元素总量为12%。淬透性好，热处理变形小。淬火加热时未溶碳化物少（3%），韧性好。金属材料学第八章工模具用钢五、新型冷作模具钢为适应冷镦模和厚板冲剪模的要求，既有良好的84§8.4热变形模具钢金属材料学第八章工模具用钢§8.4热变形模具钢金属材料学第八章工模具用钢85

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金属材料学第八章工模具用钢使热或液态金属获得所需形状模具是在反复受热和冷86

钢碳含量质量分数一般在0.3~0.6%，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、热鐓锻及精锻模具钢和压铸模用钢。金属材料学第八章工模具用钢钢碳含量质量分数一般在0.3~0.6%，还加金属87一、热锻模钢1.工作条件(1)冲击负荷大。(2)压应力，张应力和弯曲应力大。；(3)热疲劳。表面反复加热到400℃，再冷却。(4)摩擦。金属材料学第八章工模具用钢一、热锻模钢金属材料学第八章工模具用钢882、性能要求(1)高的强度和高的冲击韧性；(2)一定的硬度和耐磨性（HRC33～47）(3)高的淬透性,使模具钢整体性能均匀(4)良好的导热性；(5)优良的耐热疲劳。金属材料学第八章工模具用钢2、性能要求金属材料学第八章工模具用钢89二、热挤压模和压铸模钢1、工作条件(1)使高温金属挤压变形或凝固；(2)反复加热、冷却，因和高温金属接触时间长，其热疲劳和热冲刷比热锻模严重。(3)高温金属或金属液流的腐蚀作用。金属材料学第八章工模具用钢二、热挤压模和压铸模钢金属材料学第八章工模具用钢902.性能要求(1)良好的高温机械性能（强度、韧性、耐磨性）；(2)优良的抗热烧蚀性能（包括：耐热疲劳性和抗氧化性）和抗热冲刷能力(3)耐腐蚀性。（4）良好的导热能力（5）高的淬透性金属材料学第八章工模具用钢2.性能要求金属材料学第八章工模具用钢91三、塑料模具用钢

对塑料模的要求：①加工表面应有高的光洁度，所以要求模具材料夹杂物少，组织均匀，表面硬度高；②表面耐磨耐蚀，能长期保持表面光洁度；③有足够的强韧性，能承受一定负荷而不变形；④变形要小，以保证互换性和配合精度。

塑料模具用钢范围非常广泛，作为塑料模具专用钢并已纳入国家标准的仅有十余个.金属材料学第八章工模具用钢三、塑料模具用钢①加工表面应有高的光洁度，所以要求模具92塑料模制造成本高，材料费只占模具成本的一小部分，一般在10~20%，有时甚至低于10%。因此模具材料一般是优先选用工艺性好、性能稳定和使用寿命长的材料。常用牌号有SM4Cr5MoSiV、SM2Cr13等。（S代表塑料、M代表模具）金属材料学第八章工模具用钢塑料模制造成本高，材料费只占模具成本金属材料学第八章工模具用93四、热变形模具钢的化学成分、热处理1、成分：与合金调质钢相似，C≤0.5%（个别可达0.6～0.7%），保证钢具有足够的韧性；含有Cr、Mn、Ni、Si等合金元素，强化铁素体和增加淬透性，属于亚共析钢；为防止回火脆性，提高热强性、热疲劳性和耐磨性，需要加入W、Mo、Cr、Si。具有高的热强性、热疲劳性和耐磨性是热变形模具钢在性能上区别合金调质钢的重要特点。常见的钢种与成分见表8－17金属材料学第八章工模具用钢四、热变形模具钢的化学成分、热处理1、成分：金属材料学第八章94金属材料学第八章工模具用钢金属材料学第八章工模具用钢952、热处理最终热处理：淬火+高温回火。获得回火屈氏体或回火索氏体组织。保证高韧性、高温热强性和高温热疲劳性。W、Mo、V等碳化物在回火时析出，产生二次硬化，使模具钢在较高温度下仍然保持相当高的硬度，这是热变形模具钢正常工作的重要条件之一。各种模具钢的热处理工艺见表8－18金属材料学第八章工模具用钢2、热处理金属材料学第八章工模具用钢96金属材料学第八章工模具用钢金属材料学第八章工模具用钢97演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain3rew2022/11/1金属材料学第八章工模具用钢演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain3rew98金属材料学__第八章_工模具用钢2022/11/1金属材料学第八章工模具用钢金属材料学__第八章_工模具用钢2022/10/23金属材料99主要内容8.1工具钢的分类和基本性能要求

8.2刃具钢：碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢8.3冷作模具钢8.4热作模具钢金属材料学第八章工模具用钢主要内容8.1工具钢的分类和基本性能要求金属材料学100重点及基本要求掌握各类钢的典型牌号、成分特点、合金元素的作用、热处理及应用。重点是刃具钢、高碳高铬模具钢、锤锻模用钢。难点是高速钢的合金元素作用、热处理工艺制定的依据和显微组织与性能特点。金属材料学第八章工模具用钢重点及基本要求掌握各类钢的典型牌号、成分特点、合金元素的作用101工模具钢的定义与分类定义：用来制造刃具、模具和量具的钢种分类：刃具钢、模具钢和量具钢刃具钢：碳素钢、低合金工具钢和高速工具钢。模具钢：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.金属材料学第八章工模具用钢工模具钢的定义与分类金属材料学第八章工模具用钢102§8.1工模具钢的性能要求、成分与热处理特点主要矛盾工模具钢要有优良的耐磨性（硬度要高）；在工作过程中还要有良好的韧性。在韧度和耐磨性之间的合理平衡解决矛盾方法取决于基体马氏体的成分与硬度和碳化物的性质、数量、形态和分布。即成分与组织状态金属材料学第八章工模具用钢§8.1工模具钢的性能要求、成分与热处理特点主要工模具钢要103一、

工具钢成分与性能特点

——C含量高硬度、耐磨性、足够的强度和韧性高C（0.6～1.3%）C↑，M（马氏体）的硬度、切断抗力↑，耐磨性↑C↑，碳化物的数量↑，耐磨性↑金属材料学第八章工模具用钢一、工具钢成分与性能特点

——C含量高硬度、耐磨性、足够的104一、

工具钢成分、组织与性能特点

——合金元素高C，获得大量碳化物，保证耐磨、热稳定性主加合金元素：强碳化物或中强碳化物形成元素，如：Cr、W、Mo、V等。作用：↑耐磨性、热稳定性和淬透性；

辅加元素：Mn、Si等能提高淬透性和回火稳定性的元素金属材料学第八章工模具用钢一、工具钢成分、组织与性能特点

——合金元素高C，获得大量105一、

工具钢成分、组织与性能特点

——组织为保证耐磨性第二相碳化物→球状、细小、均匀分布规律：碳化物呈球状、细小、均匀分布时材料的耐磨性提高金属材料学第八章工模具用钢一、工具钢成分、组织与性能特点

——组织为保证耐磨性第二相106二、热加工与热处理特点－预处理第二相碳化物→球状、细小、均匀分布碳素工具钢和低合金工具钢：球化退火获得铁素体+细小球形碳化物高合金工具钢：C高、合金元素含量高，K多且不均匀高合金工具钢：球化退火前要热锻：破碎一次碳化物（细小）同时使碳化物均匀分布获得粒状珠光体组织金属材料学第八章工模具用钢二、热加工与热处理特点－预处理第二相碳化物→球状、细小、107二、热处理特点－最终热处理淬火+回火；组织：回火马氏体+K淬火温度：在Ac1～Acm，即在碳化物与奥氏体共存区原因：①碳化物的存在，可以阻止奥氏体长大，细化组织，提高韧性；②这些碳化物的存在可以提高的耐磨性；③可以用温度高低，改变奥氏体中C含量，从而改变淬透性选择依据：在消除有害应力的前提下，尽量保持钢的高硬度，以保持高耐磨性回火温度：低温回火金属材料学第八章工模具用钢二、热处理特点－最终热处理淬火+回火；组织：回火马氏体+K淬108三、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2~3HRC

对高速钢，通常就是红硬性金属材料学第八章工模具用钢三、工具钢基本性能及检测方法强度109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、NiMe↑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

注意点金属材料学第八章工模具用钢淬透断口法→碳素工具钢和低合金工具钢；Me↑淬透性,只有110Si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

金属材料学第八章工模具用钢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111§8.2刃具用钢

一、刃具的工作条件和对刃具钢的基本性能要求①、高切断抗力，防止折断、崩刃和变形②、高的耐磨性，防止人口过早和过量磨损破坏③、高硬度，使其具有高耐磨性④、高的弯曲强度和足够的韧性⑤、高的热稳定性：防止高温工作下软化导致耐磨性下降

工具钢热稳定性的衡量：用加热时能保持一定硬度的最高温度来表示。对高速钢用红硬性：正常淬火回火的高速钢加热到600、625、650℃，重复4次，每次1h，保持HRC60的温度定义为～金属材料学第八章工模具用钢§8.2刃具用钢一、刃具的工作条件和对刃具钢的基本性112二、碳素工具钢

含C量：0.65～1.35%，足够高的硬度和较好的耐磨性。优点：易于锻造及切屑加工、价格便宜。缺点：淬透性差、回火抗力差典型钢号与应用：T7~T13做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸小于15mm的工具。

T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等；T8易过热，制造形状简单的木工工具等；T10、T12耐磨性较好，强度高，但韧度低，制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等金属材料学第八章工模具用钢二、碳素工具钢T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，113最终热处理：淬火+低温回火淬火加热温度：760～800℃，防止过热淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火.回火温度：180～210℃（常用）；200～250℃（螺纹工具，如板牙）锻造：锻造性好。锻造过程中注意表面脱碳，故时间尽量短；锻压比要大于4球化退火：退火温度730～800℃碳素工具钢的热加工与热处理金属材料学第八章工模具用钢最终热处理：淬火+低温回火锻造：锻造性好。锻造过程中注意表面114三、低合金工具钢

是在T10或T12的基础上合金化得到的钢种常用合金元素：在低合金工具钢中，常加入的合金元素为：Cr、Si、Mn、W、V。为防止碳化物分布的不均匀性，总量一般不大于4%。合金元素的作用：耐磨性和回火稳性↑（碳化物形成元素）淬透性↑（提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Si）防止变形开裂金属材料学第八章工模具用钢三、低合金工具钢合金元素的作用：金属材料学第八章工模具用钢115合金元素具体作用Cr:1%左右，（大于1%且C含量大于1%，引起K分布的不均匀性）作用：①提高过冷A的稳定性，提高淬透性②使碳化物稳定性↑，分解温度↑，使钢的回火抗力↑③中强碳化物形成元素，防止Si的石墨化④细化K，均匀分布，使耐磨性↑⑤降低Ms点，使残余A量↑，使硬度↓。故总量必须控制在1%左右金属材料学第八章工模具用钢合金元素具体作用Cr:1%左右，（大于1%且C含量大于1%116Si的左右:①使淬透性↑②阻碍马氏体的分解和Fe3C的聚集，使回火稳定性↑③对Ms点影响很小，对残余A量影响小，使刀具的尺寸稳定性↑④Si强化F⑤是石墨化元素，易引起脱C和C的石墨化。

不单独加入。金属材料学第八章工模具用钢Si的左右:金属材料学第八章工模具用钢117Mn:①主要淬透性↑;②使残A量↑，减少淬火变形；③，使A晶粒粗大，过热倾向↑W:形成稳定的碳化物，使钢的耐磨性和红硬性↑

，细化A晶粒和阻止钢的过热。量过多，引起K分布不均匀↑V:形成VC，阻碍A长大，过热敏感性↓,细化晶粒；回火稳定性↑金属材料学第八章工模具用钢Mn:①主要淬透性↑;②使残A量↑，减少淬火变形；③，118热锻特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆性大。(1)加热速度不宜太快。(2)变形量足够大，终轧温度较低，控制碳化物形态。(3)轧后缓冷，避免开裂。热处理与热加工金属材料学第八章工模具用钢热锻热处理与热加工金属材料学第八章工模具用钢119球化退火退火温度要适当：太高，使氧化和脱碳倾向↑；太低，K过细，硬度过高，网状碳化物不易消除。为缩短退火时间：等温退火正火目的：在球化退火前，为消除网状碳化物正火温度：Acm以上。？金属材料学第八章工模具用钢球化退火温度要适当：太高，使氧化和脱碳正火目的：在球化退火前120热处理与热加工淬火工艺淬火温度：T淬一般与碳素工具钢相同，为Ac1+30~50℃，但保温时间较长。?冷却：油冷，熔盐分级淬火，等温淬火(B等温淬火和M等温淬火)

一般组织含碳量0.5％~0.6％的M+未溶粒状K回火低温回火，一般小于200℃。金属材料学第八章工模具用钢热处理与热加工淬火淬火温度：T淬一般与碳素工具钢相同，一般含121常用低合金工具钢的化学成分、

力学性能和用途

钢号化学成分，wt%热处理及硬度用途CMnSiCr其它淬火，℃淬火，HRC回火，℃回火后，HRCCr061.30-1.45≤0.40≤0.400.50-0.70-800-810，水63-65160-18062-64锉刀、刮刀、刻刀Cr20.95-1.10≤0.40≤0.401.30-1.65-830-850，油62-65150-17060-62同上9SiCr0.85-0.950.30-0.601.20-1.600.95-1.25-830-860，油62-64150-20061-63丝锥、板牙、钻头、铰刀CrWMn0.90-1.050.80-1.10≤0.400.90-1.20W1.20-1.60800-830，油62-63160-20061-62拉刀、长丝锥、长铰刀9Mn2V0.85-0.951.70-2.00≤0.40-V0.10-0.25760-780，油＞62130-17060-62丝锥、板牙、铰刀CrW51.25-1.50≤0.40≤0.400.40-0.70W4.50-5.50800-850，油65-66160-18064-65低速切削硬金属刃具，如车刀、铣刀金属材料学第八章工模具用钢常用低合金工具钢的化学成分、

力学性能和用途钢号化学成分，1229SiCr：①Si/Cr淬透性↑，D油<40mm；②Si/Cr回稳性↑，~250℃回火，>60HRC；③K细小、均匀→不容易崩刃；④分级淬火或等温淬火处理，变形较小；⑤Si使钢的脱碳倾向较大。

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。金属材料学第八章工模具用钢9SiCr：①Si/Cr淬透性↑，D油<40mm123CrWMn：

①Cr、W、Mn复合，淬透性↑，D油=50~70mm；②AR在18~20%，淬火后变形小；③含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒细小→高硬度、高耐磨性；④回稳性较好，>250℃回火，<60HRC；⑤W使碳化物易形成网状。

适于制作要求变形小、耐磨性高的工件，如拉刀等，也可做量具及形状较复杂的高精度冲模。金属材料学第八章工模具用钢CrWMn：①Cr、W、Mn复合，淬透性↑，124125在Cr钢基础上加入5%W，生成M6C碳化物，淬火加热时未溶K多。①淬透性差；②高硬度，高耐磨性。CrW5金属材料学第八章工模具用钢27在Cr钢基础上加入5%W，生成M6C碳化物，淬火加热时未125四、高速钢

在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600℃以上，低合金钢刃具已不能满足这种要求。因此，就必须选用高速钢，它在650℃时，仍能使硬度保持HRC50以上，从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢增加1～3倍，而耐用性增加7～14倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。金属材料学第八章工模具用钢四、高速钢在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达6001261910年开始应用W18Cr4V（18－4－1）。1932年到1937年，应用钼系，W2Mo9Cr4V和钨－钼系，W6Mo5Cr4V2（6－5－4－2）。1939年出现高碳高钒，超硬高速钢。金属材料学第八章工模具用钢1910年开始应用W18Cr4V（18－4－1）。金属材料学127按照其成分和性能特点可分为以下几类：⑴钨系高速钢：典型牌号18-4-1，美M1，俄P18。⑵钨钼系高速钢：如6-5-4-2，美M2，目前应用普遍。⑶含钴高速钢：如W18Cr4VCo5,红硬性高。⑷超硬高速钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al。具有65~70HRC高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢低。钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其它类型称为特殊用途高速钢或高性能高速钢。金属材料学第八章工模具用钢按照其成分和性能特点可分为以下几类：⑴钨系高速钢：典型牌号1281、高速钢的化学成分、铸态组织

和碳化物类型

（1）高速钢的化学成分我国最常见的高速钢为钨系和钨钼系，主要的合金元素是W、Mo、Cr、V和Co，属于高合金莱氏体钢。钢号化学成分（%）CSiMnCrMoWVW18Cr4V0.7-0.9≤0.4≤0.43.8-4.4≤0.317.5-191.0-1.4W6Mo5Cr4V20.8-0.9≤0.4≤0.43.8-4.44.5-5.55.5-6.71.75-2.2金属材料学第八章工模具用钢1、高速钢的化学成分、铸态组织

和碳化物类型（1）高速钢的129（2）高速钢的平衡凝固与铸态组织金属材料学第八章工模具用钢（2）高速钢的平衡凝固与铸态组织金属材料学第八章工模具用钢130131①δ黑色组织由于包晶和包共晶转变需要固相扩散，使δ达到所需C和Me，才能转变为γ，所以不能充分进行。部分δ被保留，随后发生共析转变，δ→γ＋K，称为δ共析。因为在金相组织中呈黑色，又称黑色组织。金属材料学第八章工模具用钢33①δ黑色组织金属材料学第八章工模具用钢131②白亮组织γ的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为M＋AR，在金相组织中呈白色，称白色组织。③共晶组织共晶反应得到M6C（呈鱼骨架状）+γ（基体）称为莱氏体（Ld′）。由于包晶和包共晶转变不彻底，δ没有完全消失，L相对增加，使Ld′增多。金属材料学第八章工模具用钢②白亮组织金属材料学第八章工模具用钢132铸态组织：大量鱼骨状Ld′和中心黑色δ共析体及白亮马氏体和残余奥氏体。鱼骨状Ld′：

M6C为鱼骨架状，基体为γ(或M)平衡凝固组织：Ld′+K+P金属材料学第八章工模具用钢铸态组织：大量鱼骨状Ld′和中心黑色δ共析体及白亮马氏体和残133（3）高速钢的碳化物所有的高速钢中，在退火状态下都含有M6C、M23C6。MC三种碳化物。18-4-1高速钢退火状态的碳化物总量约为30%左右，其中M6C型碳化物约占18%，M23C6型碳化物约占8%。MC型碳化物约占1%。在淬火状态下，只有M6C和MC。在回火（650℃）状态有M2C、MC析出。金属材料学第八章工模具用钢（3）高速钢的碳化物所有的高速钢中，在退火状态下都含有M6C134M6C型碳化物：典型的M6C型碳化物是Fe4W2C。其中Fe和W可以相互置换，形成Fe3W3C或Fe2W4C。钢中含有的Cr、Mo、V可溶解在M6C中，Mo、V可置换W；Cr可置换Fe、W，这就使M6C稳定性不同。如Cr溶入M6C中，使M6C稳定性下降。淬火加热过程中M6C可部分溶入A中，使高速钢获得高红硬性和高耐磨性。未溶的？M6C的硬度为73.5HRC~77HRC。金属材料学第八章工模具用钢M6C型碳化物：典型的M6C型碳化物是Fe4W2C。金属材135M23C6型碳化物：

是以Cr、W、Mo为主并溶有铁等元素的碳化物（Cr、Fe、W、Mo、V）23C6。典型碳化物是Cr23C6，其稳定性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢的淬透性。金属材料学第八章工模具用钢M23C6型碳化物：是以Cr、W、Mo为主并溶有铁等元素的136MC型碳化物：

是以V为主的VC，也能溶解少量的W、Mo、Cr等元素。碳化物VC的稳定性最高，即使在淬火加热温度下，也不能全部溶解。阻止A的长大，细化晶粒VC的最高硬度可达83~85HRC。在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢具有高的耐磨性。金属材料学第八章工模具用钢MC型碳化物：是以V为主的VC，也能溶解少量的W、Mo、C137M2C和M7C3型碳化物：高速钢在回火过程中，当温度超过500℃时，自马氏体中析出W2C、Mo2C，引起钢的弥散硬化。当回火温度超过650℃时，则析出M6C及M7C3，它们容易聚集长大，使钢的硬度下降。金属材料学第八章工模具用钢M2C和M7C3型碳化物：高速钢在回火过程中，当温度超过50138高速钢中碳化物的小结（1）退火状态的碳化物：M6C、M23C6、MC、M7C3。稳定性排序（升序）：M7C3、M23C6、M6C、MC加热过程中溶解的先后顺序：M7C3、M23C6、M6C、MC加热过程中溶解的程度：M7C3、M23C6能完全溶解；M6C、MC部分溶解溶解的碳化物能增加钢的淬透性和红硬性；未溶的碳化物能细化晶粒，增加钢的韧性和耐磨性金属材料学第八章工模具用钢高速钢中碳化物的小结（1）退火状态的碳化物：M6C、M23C139对性能的影响：块状、带状使材料呈现各向异性，降低钢材的强度、塑性和韧性对锻造的影响：锻造过程中，分布集中处，材料塑性低，易造成锻造开裂对热处理影响:分布不均碳化物造成A中合金元素含量不同和淬透性差异对切削性能的影响:使刀具容易崩刃