第4章 工具钢--20090316.ppt

1、第四章 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, M M,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,4. 1 概述,一. 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；W，V，Cr, Cr2, CrWMn

2、, 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。,三. 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

3、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,4.2 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：T7T13 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

4、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Si, Mn, Cr, W, Mo, V 合金元素作用：提高耐磨性；高淬透性，淬火变形小，回火稳定性好；细化晶粒,提高韧性；增大热硬性。 钢种：Cr06, Cr, Cr2, 9Cr2, 9SiCr, 8MnSi, CrMn, CrWMn, CrW5, W, V 不足：热硬性差, 难以满足高速切削的需要。, High Speed Tool Steel ,4.3 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

5、：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 W、Mo系 W6Mo5Cr4V2 Mo系 Mo8Cr4VW 高C高V 含Co高V,通用型 高速钢,特殊高性能高速钢,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, Co M23C6型: (Cr, Fe, Mo, W, V)23C6 MC型：V的K,溶解少量W,Mo,Cr 在热处理过程中还

6、存在 M2C型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(高温) 1400，包晶反应 L+ 1345，包共晶反应 L+K 1330-1300，L+K共晶反应 碳化物呈鱼骨状，骨络之间为 870-800，包析反应 +K 800，共析反应 +K,Fe-W-Cr-C系的变温截面,平衡状态组织：合金+ 合金 K K：M6C，M23C6，MC，Fe3C少或无。 铸态组织 鱼骨状Le+黑色与白色组织 凝固过程 包晶反应不能进行完毕 ，部分相被保留： 1）共析分解+M6C，随后 +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）

7、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。 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。,W18Cr4V的铸态组织,W6Mo5Cr4V2的铸态组织,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,（球化）退火 + 淬火

8、与回火 （球化）退火 组织：粒状 P（S） + K K（vol）%：约为30（W18Cr4V钢） 其中，M6C：16-19 M23C6：9 MC：1.5%-2%,图3 W18Cr4V钢的淬火回火工艺图,W18Cr4V热处理工艺特点：,1.一次或两次预热（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以减少脱碳。,2. 淬火温度高 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）。 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。,图4

9、 W18Cr4V钢奥氏体成分与淬火温度的关系,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。 1280时，奥氏体中： 0.5% C, 78% W, 4% Cr, 0.60.8%V K总量为910%： 其中，M6C 7.5%9%, MC 11.5%,3. 可采用分级淬火 一般采用油淬空冷，淬火后组织为： M + 2025% Ar + 910%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）。,4. 回火温度高，

10、回火次数多 回火目的：是从马氏体中析出弥散M2C和MC，产生强烈二次硬化效应，同时消除残余奥氏体和组织应力。 回火温度高： 为了提高二次硬化效果。 回火次数多： 一方面，增强二次硬化效果； 另一方面，（主要）是为了利用二次淬火来降低残余奥氏体含量，也间接地提高了性能。,图5 W18Cr4V钢回火时硬度变化,进一步提高高速钢的性能,采用表面强化方法，通过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； 2）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

11、作用,碳化物的变化是高速钢性能的晴雨表,它决定高速钢热硬性的好坏。 C: 0.701.65%, 除0.5%固溶在M中, 大部分C与W, Mo, V, Nb, Cr形成K。,W或Mo 主要是提高热硬性； 比较: Mo系高速钢共晶碳化物为细鸟巢状，减少了K的不均匀性； 抗弯强度和冲击韧性较高；磨削性能好。 Mo2C比W2C析出温度较低，易长大，热硬性不如W系;高温下容易脱C。 现常选用W-Mo系,V 提高钢的耐磨性和钢的热硬性； Cr 主要起提高钢的淬透性；可提高钢的回火稳定性和抗氧化性。 Co 主要是提高钢的热硬性；但降低韧性，增加脱C倾向。有5%、8%、12%三个级别： 1）绝大部分溶于固溶体

12、，使钢熔点升高，有利于提高热硬性; 2）使W、Mo较多在基体中,提高抗回火稳定性（延缓K析出，保持亚结构）,加入Si, Al, Ti, Nb, N, B N ：0.05-0.10%于高C超硬高速钢中， 可提高热硬性(常与Al配合加入)。 RE：可明显改善其在900-1150之间的热塑性。 Si: 提高抗氧化性能。,4.4 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

13、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,Cr12及Cr12MoV 高C亚共晶莱氏体钢，Cr7C3型，HV2100，具有高淬透性。 可用两种热处理工艺： 1）低温淬火和低温回火, M+Ar(少)，HRC 61-63； 2）高温淬火与高温回火，M+Ar(多），多次回火，提高硬度。,三. 新型冷作模具钢,1. 高韧性、高耐磨性模具钢 8Cr8Mo2VSi、Cr8Mo2V2WSi等。 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，通过快速凝固，每颗粉末中的高合金莱氏体得到细化，显著改善烧结后钢的韧性。可以生产用传统冶金方法难以生产的高碳高合金冷作模具钢。使钢中含有更多的硬质碳化物VC，具有更高的耐磨性。,4.5 热作模具钢,金属的热成型有两种途径 锤锻、挤压； 压铸 工作条件对热作模具钢提出的要求 高温硬度、高温强度、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。,一. 锤锻模钢,锤锻模具钢的组织应是中碳（0.5%C）回火索氏体 5CrMnMo ，5CrNiMo ， 830-850淬