燃气轮机材料基础 课件 14工具钢

燃气轮机材料基础第九章工具钢主要内容概述（刃具钢;模具钢；量具钢）

碳素及低合金工具钢

高速工具钢（重点）

冷作模具钢

热作模具钢

工具钢与常用结构钢的简单比较

结构钢工具钢成分：

C：中低C中高C

合金元素:中偏低中偏高组织:

P（S,T）,B,MM,S,T热处理：退正淬回淬火回火性能：综合性能（强韧）（热）硬，强应用：工程或制造结构各种工具一.基本性能要求使用性能硬度与耐磨性，热硬性，强度韧塑性热疲劳性能工艺性能

淬透性，变形与开裂倾向氧化与脱C敏感性切削加工性，磨削性9.1概述二.按用途分类刃具钢应用：用于刃具，如车刀，刨刀，丝锥，锉刀，锯条性能要求：要求高硬度，高耐磨性，一定韧性和塑性，有时需要热硬性。钢种：T7-T12；Cr2,9SiCr,CrWMn,

9Mn2V,CrW5,W18Cr4V。

模具钢热作模具钢

要求高温下的硬度和强度，抗热疲劳和良好的韧性。如锤锻模，挤压模，压铸模。

5CrNiMo(5CrMnMo),3Cr2W8V冷作模具钢高硬度，耐磨性和一定的韧性。如冲切模，搓丝模，拉丝，剪刀片。T8-T12,Cr12V,Cr12MoV量具钢

要求高硬度，高耐磨性和尺寸稳定性如量规，样板，卡尺。二.按成分分类

1）碳素工具钢2）低合金工具钢3）高合金工具钢（高速钢）

注意：

同一种钢种有时既可作刃具钢又可作模具钢或量具钢。9.2碳素及低合金工具钢

一.碳素工具钢

成分：中高C钢，0.65-1.35%组织：高C回火马氏体+细粒状K，HRC58-64。牌号：T7~T13

高牌号者,硬度高,耐磨性好,但韧性较低；低牌号者，硬度较低，但韧性较好。可选择不同场合具体运用。

热处理

球化退火+淬火与低温回火性能

成本低，冷热性能较好，热处理简单，应用范围较宽。不足处

1）淬透性低,盐水中淬火,变形开裂倾向大。2）组织稳定性差,热硬性低,工作温度小于200℃。应用：制作工件尺寸较小、受热温度不高、形状简单、不受较大冲击的工具如低速切削的刃具和简单的冷冲模。二.低合金工具钢

加入合金元素：如Cr,Mn,Si,W,Mo,V等合金元素作用：高淬透性（可油淬，减少变形开裂）；碳化物形成元素细化了碳化物，使合金渗碳体均匀分布且易于球化；合金渗碳体稳定，阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒,改善韧性；Si提高抗回火稳定性，提高刀具切削寿命。钢种：Cr2,9SiCr,CrMn,CrWMn等，刃具和量具。不足：热硬性差,难以满足高速切削的需要。

[HighSpeedToolSteel]9.3高速工具钢一.高速钢概述用途：适用于高速切削刀具，也可制作高温工作的弹簧、轴承和模具。特点：合金度高，高热硬性（刃部在650℃时实际硬度仍高于HRC50）

主要性能：高硬度，高热硬性，高耐磨性，高强度和一定的韧性成分：C,W,Mo,Cr,V,Co,Nb,Al,Si。高速钢的分类

W系W18Cr4V（美国T1）

W、Mo系W6Mo5Cr4V2（美国M2）Mo系Mo8Cr4VW

高C高V含Co高V超硬高速钢通用型高速钢特殊高性能高速钢钢号CWMoVCrCoW18Cr4V0.8018.00<0.301.004.00

W6Mo5Cr4V20.906.005.002.004.00

W12Cr4V4Mo1.3012.001.004.004.00

W6Mo5Cr4V2Co80.806.005.002.004.008.00W6Mo5Cr4V31.206.505.003.004.00

W7Mo4Cr4V2Co51.106.753.752.004.255.00W2Mo9Cr4VCo81.101.709.501.153.758.00表主要高速钢的平均化学成分（%）二.高速钢中的组成相高速钢的平衡组织：

合金F和合金K

常加入合金元素：W，Mo,Cr,V可形成的合金碳化物：M6C型：W,Mo的K，溶解Cr,V,CoM23C6型:(Cr,Fe,Mo,W,V)23C6MC型：V的K,溶解少量W,Mo,Cr

在热处理过程中还存在M2C型介稳K：W,Mo的K：W2C,Mo2C

三.高速钢的铸态组织高合金莱氏体钢平衡结晶过程为：L→δ(高温α)1400℃，包晶反应L+δ→γ1345℃，包共晶反应L+δ→γ+K1330℃-1300℃，L→γ+K共晶反应碳化物呈鱼骨状，骨络之间为γ870-800℃，包析反应γ+K→α800℃，共析反应γ→α+K黑色组织白亮组织鱼骨组织W18Cr4V的铸态组织W6Mo5Cr4V2的铸态组织M2C型共晶碳化物M6C型共晶碳化物平衡状态组织：合金α+合金K

K：M6C，M23C6，MC，Fe3C少或无。铸态组织鱼骨状Le+黑色与白亮组织凝固过程包晶反应不能进行完毕，部分δ相被保留：1）共析分解δ→γ+M6C，随后γ→α+K（T，屈氏体）。这种转变产物金相形态呈黑色．称为“黑色组织”

。2）γ共析反应被抑制而过冷到低温，转变为M和Ar，形成“白亮组织”

四.碳化物的不均匀性与改善途径

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。必须经过锻轧破碎铸态组织中的粗大的共晶碳化物。

粗大的共晶碳化物—碎化—颗粒状K

危害：热处理后刃具的硬度、热硬性、耐磨性、抗弯强度、韧性指标因碳化物不均匀而降低。改善碳化物不均匀性的措施

1）采用小锭型，或扁锭，加快凝固，减少集中偏析和使莱氏体共晶细小；2）增大钢锭锻压比，反复拉拔和镦粗；3）大尺寸钢材可采用电渣重熔．钢液在水冷结晶器中径向结晶，莱氏体共晶细小；4）粉末冶金方法。五.高速钢的热处理

锻轧后（球化）退火+淬火与回火

1（球化）退火

Ac1(820~860℃)+30~50℃,2~3h

组织：粒状P（S）+KK（vol）%：约为30％（W18Cr4V钢）

其中，M6C：16-19％M23C6：9％MC：1.5%-2%

2淬火

目标：淬火后获得高合金的M组织，具有很高抗回火稳定性；在高温回火时析出弥散的合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。为使奥氏体中合金度含量较高，应尽可能提高淬火温度至晶界熔化温度偏下（晶粒仍然很细，8-9级）。M23C6：900℃开始溶解，1090℃全部溶解；M6C：1037℃开始溶解，1250℃以上溶解量逐惭减小；MC：1100℃开始溶解，溶解速度比M6C缓慢。W18Cr4V正常淬火温度1280℃时，奥氏体中：0.5%C,7~8%W,4%Cr,0.6~0.8%V

剩余K总量为体积分数9~10%，阻碍奥氏体晶粒长大。其中，M6C7.5%~9%,MC1~1.5%

一般采用油淬空冷，淬火后组织为：

70%隐晶M+20~25%Ar+未熔K

为了减少工件变形，采用一次或多次分级淬火。对于大型复杂刃具，细长件和薄片件采用等温淬火，以减少变形并提高韧性（贝氏体组织）。

一次或两次预热（往往采用）高合金的高速钢导热性差，为防止工件加热时变形开裂和缩短加热的保温时间，减少脱碳。一次预热800~850二次预热（500~600）+800~850淬火温度采取在高温盐浴中短时保温，防止刃部脱碳和过热。图3W18Cr4V钢的淬火回火工艺图高温淬火1270~1280℃分级淬火580~620

℃350~400

℃温度

分级预热约820℃约550℃高温多次回火,560℃1h,3次时间W18Cr4V钢3回火回火目的：是从马氏体中析出弥散M2C和MC，产生次生硬化效应，同时消除残余奥氏体和淬火内应力。（１）回火温度高：为了提高二次硬化效果。

400℃以下，少量M3C

450℃开始，WMoV开始扩散，M3C溶解

M2C和MC析出，在560℃达到硬度最高值HRC63~65；同时马氏体基体中仍保持有质量分数0.25%左右的C和较高含量的W（Mo）Ｖ和Ｃr，有很高的抗回火软化能力。

(2)回火次数多

淬火后残奥合金度高，稳定性大，回火加热过程中不分解，保温时也仅从中析出合金碳化物，使残奥合金度有所降低，因而Ms点升高，冷却到低温时，部分残奥发生马氏体转变，残奥由20~25%降到约10%。还需进一步降低残奥量，且需要消除新产生的马氏体引起的内应力，因此需要560℃三次回火。硬度不降低，HRC60~64,抗弯强度和挠度进一步增高。淬火组织回火组织高速钢W18Cr4V进一步提高高速钢的性能改善和提高切削效率和耐用度，广泛采用表面强化方法，通过表面化学热处理或在刃具表面覆层：1）表面氮化（如辉光离子氮化、气体软N化）、硫氮共渗或硫氮硼等多元共渗、蒸气处理等，处理温度均不超过560℃.2）表面覆层是PVD法在工件表面沉积TiC或TiN覆层，具有高硬度、高耐磨性、抗粘着性和抗咬合性，显著提高工件使用寿命。

六.合金元素的作用

碳化物是高速钢的主要合金相，钢加热时碳化物的变化反应了奥氏体中合金成分的变化和淬火回火时马氏体的次生硬化情况和热硬性好坏。因此，碳化物的变化是高速钢性能的晴雨表。C:

对高速钢硬度影响很大，是高速钢的主要强化元素。随着Ｃ含量的增加，淬火回火后硬度和热硬性都增高。缺点：碳化物总量增加，其不均性加大；淬火后残余奥氏体增加，需多次回火；对Ｗ系高速钢，使抗弯强度和韧性明显下降。W或Mo

W是高速钢获得热硬性的主要元素，在钢中形成M6C，是共晶碳化物的主要组成，它还以二次碳化物由奥氏体析出。锻轧材中M6C以颗粒状碳化物存在，淬火加热时未溶的M6C阻碍奥氏体晶粒长大，改善韧性；溶于奥氏体的约7%~8%的W淬火后保留在马氏体中，提高马氏体的抗回火稳定性。在560回火时析出W2C，产生弥散强化。W或Mo

比较:Mo和W同族，可相互取代，1%的Mo可取代1.5%W。Mo系高速钢共晶碳化物为细鸟巢状，减少了K的不均匀性，锻轧后含Mo的M6C颗粒也较细小；抗弯强度和冲击韧性远高于W系；磨削性能好。Mo2C比W2C析出温度较低，且易聚集长大，热硬性不如W系;高温下容易脱C。现常选用W-Mo系，如W6Mo5Cr4V2，使用量已超过W18Cr4V。V

V主要以VC存在，也溶于其他类型的碳化物中。提高热硬性。低V高速钢，1%~2%V

高V高速钢，3%~5%V。MC型碳化物与M6C型碳化物量相当，并且是鸟巢状共晶碳化物的主要组成。MC硬度HV2800，M6C硬度HV1500~1800，MC的大量存在提高了耐磨性，可切削性减低。高V高速钢属于高热硬性高耐磨高速钢，如W12Cr4V4Mo钢，退火后MC体积分数10%，M6C12%，M23C610%，热处理后硬度ＨＲＣ６４～６６.

Cr

主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC中。淬火加热时几乎全部溶于奥氏体，主要起提高钢的淬透性的作用，一般含量约４％左右；增加耐蚀性和增大抗氧化能力，减少粘刀现象，改善刃具切削性能。

Co

非碳化物形成元素，淬火加热时溶于奥氏体，淬火后存在于马氏体中，提高马氏体的抗回火稳定性，加强次生硬化效果，有较好的热硬性。Co与W、Mo原子结合力强，减低W、Mo原子扩散速率，减慢合金碳化物析出和聚集长大，使W、Mo较多在基体中，增加热硬性。降低韧性，增加脱C倾向。

根据含Co量有5%、8%、12%三个级别，均为高热硬性高速钢，如W6Mo5Cr4V2Co5和W2Mo9Cr4VCo8。加入微合金化元素N：0.05-0.10%于高C超硬高速钢中，细化奥氏体晶粒，可提高热硬性(常与Al配合加入)及抗弯强度和韧性。

RE：降低在S在晶界的偏聚，可明显改善其在900-1150℃之间的热塑性。

七.粉末冶金高速钢

9.4冷作模具钢

一.概述冷作模具钢是用来制作使金属冷变形的模具，如冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁拉丝等模具。具有高硬度和耐磨性，一定韧性。常用两类

1）中小型模具

如T12、Mn2V、Cr2、CrWMn等。2）大型模具高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高碳中铬钢、低C高速钢或基体钢。如：Cr12,Cr12MoV（高碳高铬钢）Cr6WV,Cr4W2MoV,Cr5Mo1V（高碳中铬钢）

6W6Mo5Cr4V2;5Cr4W3Mo2VNb（低C高速钢）

50Cr4Mo3W2V，60Cr4Mo3Ni2WV（基体钢）二.高铬和中铬模具钢

高铬钢是含Cr12%的高C亚共晶莱氏体钢，退火态含16~20%Cr7C3，HV1700，具有高淬透性。Cr12MoV

在高碳Cr12基础上降C,增加Mo、V以减少并细化共晶碳化物，细化晶粒，改善韧性，形成Cr12MoV。可用两种热处理工艺：1）低温淬火和低温回火,M+Ar(少)+12%Cr7C3（体积分数），HRC61-63；2）高温淬火与高温回火，M+Ar(多）+5%Cr7C3，多次回火（目的消除残奥），提高硬度至60~61。

中铬钢三.基体钢和低碳高速钢

基体钢

低碳高速钢6W6Mo5Cr4V

四.新型冷作模具钢1.高韧性、高耐磨性模具钢

8Cr8Mo2VSi、Cr8Mo2V2WSi等，可适应冷镦模和厚板冲剪模的工作要求。

2.粉末冶金冷作模具钢用水雾化法将钢水雾化成细小钢粉末，通过