航空工程材料 合金工具钢

合金工具钢的认知工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢，但各类钢的实际应用界限并不明显。例如，某些低合金刃具钢除了用作刃具外，也可用来制造冷作模具或量具。重要的是应了解各类钢的成分及性能特点，以便根据具体工作条件进行选择。一．合金刃具钢1.性能要求刃具钢的工作条件较差，在金属切削加工过程中，刀刃与工件表面金属相互作用使切屑产生变形与断裂从而从工件上剥离下来，刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、振动负荷，同时，刀具与切屑之间会产生强烈的摩擦、切削时产生的切削热会使得刀具切削部位的温度高达500～600℃,切削速度越快、吃刀量越大，则刀刃局部的温度越高。刃具最普遍的失效形式是磨损，因此对刃具钢提出如下基本性能要求：（1）高硬度高硬度是对刃具钢的基本要求，金属切削刀具的硬度一般都在60HRC以上。硬度不足时会导致刃具卷刃或变形，甚至无法切削。钢在淬火后的硬度主要取决于含碳量，故刃具钢一般都（2）高耐磨性耐磨性是保证刃具锋利不钝的主要因素。耐磨性不仅取决于钢的硬度，而且与钢中硬化物的性质、数量、大小和分布有关。高碳马氏体＋均匀细小碳化物的组织，其耐磨性要比单一的马氏体组织高得多。（3）高热硬性（红硬性）大多数刃具的工作部分的温度都高于200℃,热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力，也称红硬性，通常用保持60HRC硬度时的加热温度来表示，热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。（4）足够的塑性和韧性刀具需要具有足够的塑性和韧性，以保证刃具在受到冲击和震动时不会折断和崩刃。2.刃具钢的分类1）低合金刃具钢低合金刃具钢的最高工作温度不超过300℃,常用于制造截面较大、形状复杂、切削条件较差的刃具，如搓丝板、丝锥、板牙等。其（1）高碳碳的质量分数为0.9～1.1%，以保证刃具的高硬度和（2）加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性；W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小晶粒。低合金刃具钢的预备热处理为球化处理，以获得球状珠光体，便于加工并为最终热处理作准备。机械加工后的最终热处理为淬火＋低温回火。热处理后的组织为细小回火马氏体、粒状合金碳化物和少量奥氏体。热处理后的硬度一般应达到60HRC以上。高速钢是一种高合金刃具钢，和其它工具钢相比，其显著优点是它具有良好的热硬性，高速切削中刃部温度达600℃时，其硬度无明显下降。它能比低合金工具钢具有更高的切削速度而不至于很快破坏，因此称之为高速钢。其化学成分特点如下：（1）高碳高速钢的碳质量分数一般在0.70%以上，最高可达1.5%左右。高的含碳量主要是为了保证能与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物；另一方面还要有一定数量的碳溶于奥氏体中，以保证马氏体的高硬度。（2）加入Cr、W、Mo、V等合金元素Cr的加入是为了提高淬透性，W、Mo的加入是为了保证高的热硬性。W或Mo的碳化物在淬火加热时极难溶解，大约只有一半的量溶入奥氏体中，而其余部分作为残余碳化物留下来，起到阻止奥氏体晶粒长大的作用。溶入的部分在560℃左右回火时以W2C或Mo2C的形式析出，造成二次这种碳化物在500℃~600℃温度范围内非常稳定，从而使钢具有良好的热硬性。V的加入是为了提高耐磨性，细化晶粒。高速钢锻造后的预备热处理一般也采用等温退火工艺，以降低硬度、消除内应力，改善切削加工性能。高速钢的最终热处理为淬火+回火。高速钢淬火时通常要进行一次或二次预热。高速钢淬火后的组织为淬火马氏体＋粒状碳化物＋大量残余奥氏体。高速钢淬火后的回火时为了消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量，达到所需要的性能。为了保证高速钢得到高的硬度及热硬性，高速钢一般都在二次硬化峰值温度或稍高一些的温度（通常为550～570℃)下回火，并进行多次（一般是三次）回火。高速钢回火后的组织为回火马氏体＋碳化物＋少量残余奥氏体。二．合金模具钢用来制造各种模具的钢称为模具钢。合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。1.冷作模具钢用于冷态金属成形的模具钢称为冷作模具钢，如制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等。这类模具工作时的实际温度一般不超过200～300℃。1）性能特点及用途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，也常出现崩刃、断裂和变形等失效现象。因此，冷作模具钢应具有高硬度（一般为58～62HRC）、高耐磨性、足够的韧性和疲劳抗力等优良性能。冷作模具钢用于制造在冷态下使金属变形的模具，一般刃具钢材料，如T10A、9SiCr、9Mn2V、CrWMn钢等可以用来制造尺寸较小的轻载模具。对于截面尺寸大、形状复杂、重载的或要求精度、耐磨性较高的以及热处理变形小的模具，需采用冷作模具钢。2）成分特点（1）高碳冷作模具钢C的质量分数一般在1.0%以上，个别甚至达到2.0%，以保证高的硬度和高耐磨性。（2）加入Cr、Mo、W、V等提高耐磨性的合金元素主加合金元素为Cr，其质量分数高达12％，铬与碳形成Cr7C3型碳化物，能极大地提高钢的耐磨性，还能大大改善钢的淬透性。辅加合金元素有Mo、W、V等，其作用除能改善钢的淬透性和回火稳定性外，还可细化晶粒，进一步提高钢的强度和韧性。3）热处理特点及组织性能冷作模具钢的热处理也包括球化退火的预备热处理，以及淬火+回火的最终热处理。最终热处理在加工成形后进行。热处理后，模具已达到很高的硬度，通常只能进行研磨和修整。冷作模具钢在不同温度淬火后，在不同温度下回火时，其硬度不同。提高冷作模具钢的硬度有以下两种方法：（1）一次硬化法采用较低的淬火温度与较低的回火温度，如Cr12型钢采用980℃左右的温度进行淬火，然后在160～180℃低温回火，其硬度可达61～63HRC。采用这种热处理方法，模具的淬火变形小，耐磨性高，因而得到了广泛的应用。（2）二次硬化法采用较高的淬火温度＋多次高温回火。如Cr12钢采用1100℃淬火，淬火后残留奥氏体较多，硬度较低，约为40~50HRC。但经过多次510～520℃的回火，产生二次硬化，硬度可达60～62HRC，热硬性提高。但由于淬火加热温度较高，晶粒较粗大，韧性较前一种处理方法稍差。这种热处理的模具主要适用于承受强烈磨损，在400～500℃条件下工作，要求有一定热硬性的模具。4）常用的钢种钢等。高强韧性的冷作模具钢5Cr4W2Mo3V、6CrMoNiWV等。2.热作模具钢热作模具钢是用于制造高温下使金属成形的模具，如各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600℃1）性能特点及用途热模具工作时承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、剧烈的冷热循环所引起的不均匀热应变和热应力，以及高温氧化、出现崩裂、塌陷、磨损、龟裂等失效形式。因此热作模具钢的主要性能要求是：（1）高的热硬性和高温耐磨性；（2）足够的强度和韧性，尤其是受冲击载荷较达的热锻模钢；（3）高的热稳定性，在工作过程中不易氧化；（4）高的抗热疲劳能力，以防止龟裂破坏；（5）由于热模具一般较大，所以还要求热模具钢有高的淬透性合金热作模具钢主要用于制作热锻模和热压模。2）成分特点（1）中碳这类钢碳的质量分数一般为0.3～0.6%，以保证高强度、高韧性、较高的硬度（35～52HRC）和较高的抗热疲劳性能。（2）加入较多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn、Si等Cr是提高淬透性的主要元素，同时和Ni一起提高钢的回火稳定性。Ni在强化铁素体的同时还增加钢的韧性，并与Cr、Mo一起提高钢的淬透性和耐热疲劳性能。（3）加入产生二次硬化的Mo、W、V等元素Mo还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。3）热处理特点及组织性能热作模具钢中热锻模钢的热处理和调质钢相似，淬火后高温（550℃左右）回火，以获得回火索氏体或回火屈氏体组织；热压模钢淬火后在略高于二次硬化峰值的温度（600℃左右）下回火，组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体，与高速钢类似。为了保证热硬性，要进行多次回火。4）常用的钢种热锻模与热压模相比，前者对韧性要求高而对热硬性要求不太高，广泛应用的典型钢种有5CrMnMo、5CrNiMo及5CrMnSiMoV。热压模受的冲击载荷较小，但对热硬性要求较高，常用钢种有3Cr2W8V、4Cr5MoVSi等。三．合金量具钢量具钢主要用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。1.性能特点及用途量具在使用过程中要求测量精度高，不能因磨损或尺寸不稳定影响测量精度，对其性能的主要要求是：（1）高硬度（大于56HRC）和高耐磨性；（2）高尺寸稳定性热处理变形要小，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。量具用钢的化学成分与低合金刃具钢相同，即为高碳（wc=0.9~1.5%）和加入提高淬透性的元素Cr、W、Mn等。3.热处理特点量具钢的热处理方法与刃具钢相似，其预备热处理为球化退火，最终热处理为淬火＋低温回火。为减少变形和提高尺寸稳定性，在淬火和低温回火时要采取措