金属材料学课件：工模具用钢

概述碳素钢及低合金刃具钢高速钢冷作模具钢热作模具钢其他类型工具用钢工模具用钢4.1概述

按用途分为刃具钢、模具钢、量具钢三大类。①刃具钢可分为碳素、低合金工具钢和高速钢三大类。②模具钢按工作温度可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。③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。4.1概述主要矛盾

韧度和耐磨性间的合理平衡→基体成分和K的性质、数量、形态和分布。成分组织

一般含0.6~1.3%C→M+足够数量K。M硬度高、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，回火稳定性；第二相K→球状、细小、均匀分布。4.2碳素钢及低合金工具钢一、碳素工具钢

1.含碳量

0.65～1.35%。钢号从T7到T13。做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸<15mm的工具。T7有较好的塑韧性，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。4.2碳素钢及低合金刃具钢2.热处理工艺及性能采用球化退火→不完全淬火→低温回火。淬火：760~800℃，盐水冷却（因淬透性低）。回火：150~250℃。性能：HRC58~64，但韧性、耐磨性不同。淬火变形开裂倾向大，工件厚淬不透。组织稳定性差，高于200℃硬度明显下降。4.2碳素钢及低合金刃具钢二、低合金工具钢合金元素作用Cr：1%左右，细化K，均匀分布；

Mn：主要是提高淬透性；

Si：提高低温回火稳定性，还可强化铁素体，降低切削加工性；但会增大脱碳敏感性，不单独加入；

W：0.5~1.5%，含量过多会形成碳化物，且使碳化物分布不均匀，恶化性能。

V：降低过热敏感性，细化晶粒，提高回火稳定性。弥补碳素工具钢的不足。4.2碳素钢及低合金刃具钢球化退火2.热处理工艺及性能采用球化退火→不完全淬火→低温回火。

等温退火，由退火温度以30~40℃/h冷至700℃左右，等温4h，再炉冷到600℃出炉。T淬为Acm+30~50℃，油冷、熔盐分级淬火、等温淬火（B等温淬火和M等温淬火）。淬火工艺一般组织

含碳量0.5~0.6%的M+未溶粒状K4.2碳素钢及低合金刃具钢①Si、Cr↑淬透性，D油<40mm；②Si、Cr↑回火稳定性，~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使钢的脱碳倾向增大。9SiCr：

适于制作形状较复杂、变形要求小的工件，特别是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。4.2碳素钢及低合金刃具钢CrWMn：①Cr、W、Mn复合加入：↑淬透性，D油=50~70mm；②AR在18~20%，淬火后变形小；③含Cr、W的碳化物较多且稳定，晶粒细小→高硬度、高耐磨性；④回火稳定性较好，>250回火，硬度才<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。4.3高速工具钢1898年就有含W钢，1910年生产了W18Cr4V。近几十年来，高速钢的产量、品种和质量都有了很大的发展。按照其成分和性能特点可分为以下几类：（1）W系高速钢：W18Cr4V（18-4-1）型，M1。（2）W-Mo系高速钢：W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）型，（M2）。（3）Co系高速钢：W18Cr4VCo5，W6Mo5Cr4V2Co8。红红硬性高、切削性能好。（4）超硬高速钢：W6Mo5Cr4V2Al。具有65~70HRC高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢高。钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其他类型称为高性能或特殊用途高速钢。4.3高速钢4.3高速钢4.3高速钢一、高速钢中合金元素的作用C

一般高速钢含0.7~1.65%C。形成足够数量的碳化物；保证马氏体中固溶碳量。影响

C%过高：a.AR增多；b.碳量的提高使固相线降低，晶界熔化温度降低→淬火温度↓→A中Me%↓→红硬性↓；c.韧性低。4.3高速钢W：造成红硬性的主要元素。退火时主要以M6C型碳化物存在。

一部分M6C型碳化物溶入奥氏体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。回火时在马氏体中弥散析出W2C，造成二次硬化，具有高的红硬性和耐磨性。淬火加热时

一部分M6C型碳化物未溶入奥氏体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，提高耐磨性。W↓↓热导率→钢导热性差。W和Mo相似，1%Mo可取代1.5~2.0%W。4.3高速钢VV显著↑红硬性、↑硬度和耐磨性，细化晶粒，↓过热敏感性。以VC存在。CrCr加热时全溶，保证钢淬透性，4%Cr。改善抗氧化能力、切削能力。Co

可显著↑红硬性、有5%、8%和12%三个级别。但↓钢的韧性，↑钢脱碳倾向。微量元素

微量N可增加硬红硬性，一般~0.1%。稀土可明显改善热塑性，↓硫在晶界的偏聚。4.3高速工具钢

在所有的高速钢中，除钴高速钢以外，退火状态下都含有M6C、M23C6、MC三种碳化物，在含W、Mo较少的高速钢中还有M7C3型碳化物。在淬火状态下，只有M6C和MC。回火状态（650℃左右）有M2C、MC析出。二、高速钢中的碳化物1.碳化物的类型淬火态

加热时，K溶解顺序为：

M7C3、M23C6型在1000℃左右溶解完→M6C型在1200℃时比分溶解→

MC型比较稳定，在1200℃时开始少量溶解。回火态

主要为M6C（淬火残留）、MC（回火时析出和淬火残留）、M2C（回火析出）等碳化物。4.3高速工具钢2.碳化物不均匀性对高速钢性能的影响K不均匀性结果①各向异性；②形变时易应力集中而开裂；③热处理工艺性变坏。关键是必须经过正确的锻造

控制终锻温度；用合适的锻压比；锻造时先轻锤快打，后重锤锻打；锻后要缓慢冷却，锻后进行退火。4.3高速工具钢

钨系高速钢的始锻温度一般为1140℃~1180℃，终锻温度为900℃左右；钼系及钨系高速钢的始锻温度要低一些，为了减少氧化与脱碳，可以降低至1000℃左右，终锻温度为850℃~870℃。终锻温度太低会引起锻件开裂，而终锻温度太高（大于1000℃）会造成晶粒的不正常长大，出现萘状断口。

高速钢的导热性能较差，锻造加热过程中，一般应在850℃~900℃以下应缓慢进行；锻造或轧制后为防止产生过多的马氏体组织，应缓慢冷却（常用灰坑缓冷），以防止产生过高的应力和开裂。采用合适的锻压比，一般在7~11之间，反复拉拔和锻粗2~3次；锻造时先轻锤快打，后重锤锻打，锻后要缓慢冷却，进行退火。高速钢退火后的组织为索氏体+碳化物，硬度为HB207~255。4.3高速工具钢三、高速钢的铸态组织1.高速钢的平衡结晶过程平衡组织为：L’d+K+P2.高速钢的实际铸态组织

若包晶反应不能进行完毕，仍有部分高温铁素体δ相被保留下来，在继续冷却时发生共析转变δ→γ＋K，称为δ共析，随后γ相再发生共析反应。因为在金相组织中呈黑色，又称黑色组织。

若γ相的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为M＋AR，在金相组织中呈白色，称白亮组织。

鱼骨状莱氏体（L’d）、黑色组织（δ共析体等）和白亮组织（M+AR）高速钢的铸态组织

这是由于高速钢在实际铸锭凝固时的冷却速度大于平衡冷却，合金元素来不及扩散，在结晶和固态相变过程中的转变不能完全进行。4.3高速工具钢四、高速钢的热处理1.退火：采用球化退火，也可分为一般退火和等温退火两种。(a)普通退火工艺(b)等温退火工艺4.3高速工具钢2.淬火、回火思考：为什么需要采用一次或多次预热，预热有何作用？高速钢工具一般在高温盐浴炉中加热，速度较快，常采用预热。4.3高速工具钢：4.3高速工具钢淬火要求：A．奥氏体中有足够的C和Me，只有合金元素含量高的马氏体才具有高的红硬性。B．有相当的未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。过热

淬火温度过高，晶粒长大，K溶解过多，K发生角状化；奥氏体中合金度过高，冷却时易在晶界上析出网状K。过烧

淬火温度再高→晶界熔化→出现铸态组织特征（鱼骨状共晶莱氏体及黑色组织）。欠热

淬火温度较低，大量K未溶解，且晶粒特别细小。淬火温度应精确控制4.3高速工具钢高速钢特点：

①淬透性好，空冷可得马氏体。（但为保证钢的红硬性和避免在高温时产生氧化腐蚀，一般不采用空冷。）②在650~350℃，有过冷奥氏体稳定区。③奥氏体中合金度较高，有碳化物析出倾向，在650℃以上范围停留或缓冷至675℃时，奥氏体中会出现二次碳化物。4.3高速工具钢淬火后冷却也很重要，方式很多，可根据工具不同情况进行选择。4.3高速工具钢分级淬火的分级温度停留时间一般不宜太长，否则二次碳化物可能大量析出，对钢的性能不利。分级淬火

常用一次分级或多次分级方法。

80%高速钢工具是采用一次分级淬火，分级温度常在600℃左右，停留时间严格控制，一般<15min。多次分级适用于形状特殊、极易变形的工具。4.3高速工具钢等温淬火：有贝氏体等温淬火（235~315℃，2~4h）和马氏体等温淬火（200℃左右，5~60min）。采用较多的是贝氏体等温淬火。可提高工具的强度、韧度和切削性能。降低中心钻及仪表刀具等在使用中发生断头、崩刃等现象。4.3高速工具钢回火：为消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量。

560℃三次回火，每次保温1h，回火后需冷至室温。560℃回火后，硬度反而升高，有二次硬化现象：①560℃回火析出弥散的M2C和VC，起弥散硬化作用。②二次淬火：AR在回火后的冷却过程中转变为马氏体。4.3高速钢4.3高速工具钢正常回火后的组织为回火马氏体＋碳化物以及少量AR。4.3高速工具钢3、表面处理工模具表面技术是高速工具钢发展的一个重要方面，在新型工具材料的开发上具有重要的意义。化学热处理：表面氮化、表面硫氮共渗、蒸气处理等。T<560℃。刀具表面覆层：物理气相沉积（PVD），在工件表面沉积TiN或TiC覆层。4.4合金模具钢一、冷作模具钢4.4合金模具钢1、碳素工具钢和低合金工具钢4.4合金模具钢

（1）碳素工具钢淬透性低，热处理时变形大，只适宜制造尺寸小、形状简单、受轻负荷的模具。

（2）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，这类钢的淬透性较高，热处理变形较小，耐磨性也较好，可制造尺寸较大、形状较复杂、精度要求相对较高的模具。4.4合金模具钢9Mn2V的特点：①Mn提高淬透性，D油30mm；②Mn降低Ms点，淬火后AR

约20~22%，变形小；③V能克服Mn的缺点，降低过热敏感性，细化晶粒；④硬度稍低，回火稳定性较差，需在200℃以下回火；⑤VC使钢的磨削性能变差。各种类型的中小冷作模具都可采用。2、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200~300mm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。4.4合金模具钢（1）主要特点①铸态组织为高碳亚共晶组织，和高速钢类似。退火态含有体积分数16~20%的(Cr，Fe)7C3碳化物。②淬火加热时有大量未溶碳化物（Cr7C3），在Cr的碳化物中，Cr7C3碳化物具有最高的硬度，极大提高耐磨性。③淬透性好，空冷可淬硬。650~350℃有过冷奥氏体稳定区。④经二次硬化处理有较高的红硬性和耐磨性。⑤碳化物不均匀性比较严重，尤其是含碳较高的Cr12钢更甚，通常需要通过改煅来降低碳化物的级别。4.4合金模具钢（2）热处理4.4合金模具钢一次硬化法

低温淬火+低温回火晶粒细小，强韧性好。980~1030℃淬火×150~170℃回火，硬度为61~63HRC，AR%少。12%左右的未溶(Cr,Fe)7C3碳化物。一次硬化法使用较普遍。二次硬化的原因主要是AR→M，和高速钢不完全相同。4.4合金模具钢二次硬化法1050~1100℃淬火×500℃左右多次回火，硬度回升到60~62HRC。热硬性较好，强韧性较低。二次硬化法适用于工作温度比较高（400~500℃），且受载荷不大或淬火后表面需要氧化处理的模具。2）高碳中铬模具钢

典型钢号：Cr4W2MoV和Cr5Mo1V。

K以M7C3为主，分布较均匀，耐磨性好和热处理变形小，适于制造既要求有高的耐磨性，又具有一定韧度的模具。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。φ100mm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、成型模、冲头、剪刀片等。3）新型冷作模具钢

我国常用7CrMo2V2Si钢，淬透性较好，热处理变形小。用来制造冷墩模、冷冲模及冲头、冲剪模等。4.4合金模具钢3、基体钢

基体钢是指其化学成分与高速钢的淬火组织的基体化学成分相同的钢种。1）特点

既具有高速钢的高强度，高硬度，又因不含大量碳化物而使韧性、疲劳强度优于高速钢。（介于高速钢和低合金工具钢之间）。对基体钢没有确切的定义，但一般认为凡在高速钢基体成分上添加少量合金元素，适当增减碳含量，以改善钢的性能，适应某些用途的钢种，都称为基体钢。4.4合金模具钢2）典型钢号

6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）是中国研制的高韧度高耐磨的冷作模具钢。以高速钢W6Mo5Cr4V2为母体，淬火基体成份为(wt%)：0.5%C，4%Cr，2%W，3%Mo，1%V。在此基础上适当增加含碳量，添加少量Nb，调整W，Mo含量。其抗弯强度和冲击韧性比高速钢好。热处理工艺：1080~1180℃淬火，520~580℃二次回火。

1080℃淬火：未溶碳化物5~11%，奥氏体晶粒度11~12级，韧性较好。

1180℃淬火：未溶碳化物2~5%，奥氏体晶粒度9~11级，强度较高。制作冷作模具为主，兼作热模具。4.4合金模具钢4.4合金模具钢二、热作模具钢1、热锤锻模钢4.4合金模具钢服役条件性能要求1）反复冷、热→龟裂、热疲劳

为了↑热疲抗力，提高A1温度，降低硬度是有利的。2）表层温度~500℃，冲击力大

为了↑热强性和韧度，可进行高温回火；但应消除回火脆性，整体性能好。3）强烈摩擦磨损↑模具高温耐磨性。4）模具尺寸较大淬透性好，导热性好。使用最广泛的是5CrNiMo和5CrMnMo钢。2）成分特点4.4合金模具钢

为降低模尾硬度，提高韧度，可采用自行回火、分段冷却方法和模尾补充回火等工艺。4.4合金模具钢3）工艺特点硬度要求：

小型模硬度要求在40~44HRC，相对较高；大型模硬度在35~38HRC为宜，相对较低。

锻模模面：大中型模36~42HRC，较高；锻模模尾：大中型模30~35HRC，较低。4.4合金模具钢热处理工艺：

5CrNiMo5、CrMnMoT淬：830~860℃；T回：450~580℃。强度和韧度与T回的关系硬度与T回的关系

模具淬火内应力大，出油后应立即回火以消除内应力、防止开裂。4.4合金模具钢工艺要求：

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150~200℃取出；淬火后必须立即回火，绝对不允许冷至室温。为什么？2、热挤压模具钢4.4合金模具钢

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。4.4合金模具钢钨系：

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代替。铬系：

4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2SiV等常用。淬透性较高，有较高的强度和韧度，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等。3、压铸模钢4.4合金模具钢

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。4.4合金模具钢

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