第4章 工具钢.ppt

1、第4章 工 具 钢,工具钢：用来制作各类工具的钢种。,应用中，某钢种只要能适应某工具的工作条件，即可制作这种工具，一种钢中可具多种用途。,尽管不同的工具使用条件千差万别，对材料的性能有不同的特殊要求，但对各种工具钢有共同要求：硬度高、耐磨、耐热、耐冲击，使用寿命长。,工具钢都是优质钢或高级优质钢。,第1节 刃具用钢,一、基本性能、成分、组织结构,受力：弯曲、扭转、剪切、强烈摩擦、高温、冲击震动。,失效形式： 因强烈摩擦使刃部磨损变钝，特别是连续高速切削时，刃部温度迅速升高使硬度明显下降，加速磨损； 受弯曲、扭转、剪切应力作用； 而变形受到冲击震动崩刃或折断 。,性能要求：高硬度、高耐磨性、高的

2、红硬性、足够的塑性和韧性。,成分:,共析点或以上,热处理:淬火回火,碳素、低合金工具钢一般采用低温回火；高速钢回火温度一般为560 。,组织性能特点：,共析钢在正常温度下淬火获得的M很细，称隐晶M。,二、碳素工具钢,1. 牌号：,2. 化学成分与组织 C：0.651.35,随C含量，基体中未溶渗碳体，硬度、耐磨性，韧性,3. 性能特点及其应用 优点 成本低，冷热加工工艺性能好，热处理工艺简单，在低速切削时有较好的耐磨性。 缺点 淬透性低： 盐水中最大淬透直径约为15，油中淬透直径仅为5，因此 必 须在水或盐水中淬火冷却，故变形开裂倾向大； 无红硬性： 温度高于200时，硬度将明显下降； 耐磨性

3、不够：无高硬度的合金碳化物； 晶粒易长大。 应用 只能制作尺寸小、形状简单、切削速度低、不受大冲击的工具。 T7、T8： 承受冲击或切削较软材料的刀具，如凿子、锤、木工工具 T9、10、11：高硬度中韧性刀具，如手锯条、刨刀、车刀等 T12、13: 不受冲击、高硬度高耐磨的刀具，如精车刀、锉刀、丝锥等,三、低合金工具钢,1. 牌号：注意C含量,2. 化学成分及热处理 C：0.751.5， 合金元素：5,强韧性,为了弥补碳素工具钢的不足，在其基础上加入一种或多种合金元素，如铬、锰、硅、钨、钼、钒等，形成不同成分和性能的合金工具钢。,热处理：球化退火淬火低温回火,3. 性能特点 淬透性，细化晶粒，

4、强韧、耐磨性、硬度。红硬性不高，250 使用,4. 常用低合金工具钢,Cr06、Cr2、9Cr2: 制作截面较大或形状稍复杂的工具。,溶于A，淬透性； 形成(Fe,Cr)3C耐磨性和回火稳定性。,油淬临界尺寸3035mm,9CrSi:,约1 强化基体，进一步淬透性、回火稳定性,淬透性、强韧性、硬度、耐磨性，淬火加热应低于880 ，有 脱碳倾向；适当处理工艺可保证极小的淬火变形。,制造精度和耐磨性要求较高的薄刃工具。,CrWMn:,高碳，硬度与耐磨性；W细化晶粒，韧性,Mn、Cr 淬透性； MnMs点，残余A量，淬火变形,制造要求耐磨性高，淬火变形小和形状复杂的切削工具,W:,W与少量Cr 淬透

5、性,硬度、耐磨性、韧性较好，淬火变形较小，但回火稳定性不高。,四、高速钢,高速钢：高碳高合金元素，为适应高速切削的需要而发展起来的一种合金工 具钢。,1.牌号：如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，前无数字，含大量W、Mo等合金元素,2.化学成分特点： C：0.71.6，含大量W、Mo、Cr、V、Co（1730）,3.分类：,4.性能特点与应用：,红硬性很高，在较高温度下保持高速切削能力和耐磨性，同时具有足够高的强度，兼有适宜的塑性和韧性；具有很高的淬透性。 广泛应用于制造尺寸大、切削速度高、负荷重、工作温度高的各种加工刃具，如车刀、铣刀、刨刀、拉刀钻头等，也可用来制造高耐磨性的冷作模具。,

6、5.高速钢的铸态组织和热加工,铸态组织,鱼骨状共晶莱氏体， 骨:M6C，骨间: 结成网状,黑色共析体 + M6C,白色M,残余A, 高速钢的碳化物不均匀性及热加工,高速钢中碳化物体积分数很大（W18C14V中28），分布很不均匀。 不均匀的粗大碳化物加热时难以固溶；碳化物严重不均匀时，A晶粒不均匀长大、浓度不均，M转变先后不一，增大组织应力和变形开裂倾向。 在碳化物堆集处，碳及合金元素大量富集，淬火后残余A非常稳定，产生回火不足而使刃具组织不稳定，内应力增加。 刃具的硬度、红硬性和耐磨性、抗弯强度、扭转强度及冲击韧度。 高速钢中不均匀分布的碳化物主要是共晶碳化物，共晶碳化物不能溶于A，只能通过

7、热加工(锻轧)使粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，均匀分布于基体。变形程度越大，碳化物分布越均匀。 钨系始锻温度1140-1180，终锻温度880-930，钼系和钨-钼系始锻温度可降至1000左右，以减少氧化和脱碳，终锻温度850-870。终锻温度太低会引起锻件开裂，而终锻温度太高会造成晶粒长大，使钢的强韧性，此时断口上可见个别粗大晶粒闪烁着像萘晶粒一样的光泽，故称为萘状断口。 A.为有效改善碳化物不均匀状况，多采用反复镦粗伸长法，这法能较好地改善锻件表层中碳化物分布，但中心区碳化物偏析情况不易改善。 B.为了解决中心区域碳化物不均匀性，可采用十字锻造法，在锻造时不仅是顺着坯料中心线方向进行镦

8、粗和延伸，而且还改变镦拔方向。因高速钢的淬透性很好，空气中冷却可发生马氏体相变，所以锻造或轧制后，钢坯应缓慢冷却以防止产生过高的内应力引起开裂。,6.高速钢的热处理,1）加热和冷却组织变化 高速钢中可能存在M6C、M23C6和MC类型合金碳化物。 M6C以W、Mo碳化物为主，还溶有一定的Cr、V和Fe等。 M23C6以Cr碳化物为主，还溶有少量W、 Mo 、V和Fe等。 MC以V碳化物为主，还溶有少量W、 Mo 、 Cr和Fe等。 随加热温度升高，M23C6在900开始溶解，近1100时几乎全溶；M6C在1037以上开始溶解；MC稳定性最大，1100以上才开始固溶。M6C和MC即使加热到接近晶

9、界熔化也不能全部溶解。随着合金碳化物溶解，A中合金度增大，未溶碳化物减少，可阻碍A晶粒长大，淬火后获得细晶组织。 各种高速钢的过冷A转变曲线相似。Ms与钢的成分、A化温度和冷却条件有关，多数高速钢在正常温度下淬火时Ms点约在200左右。高速钢淬火后有大量的残余A(约30、体积分数)，通过随后的回火或冷处理转变。,2）退火工艺 高速钢锻轧后必须退火，不仅降低硬度利于切削加工，而且获得均匀分布的粒状碳化物，为淬火作好准备。W18Cr4V退火加热温度860-880，保温2-4h后缓冷至500-550出炉空冷，退火后硬度207-255HBS，得索氏体与颗粒状碳化物。加热温度过高，大量合金元素溶入A，增

10、大其稳定性，使退火硬度偏高。 W6Mo5Cr4V2钢的退火温度可取上述温度的下限。为了缩短退火时间可采用等温退火，即在退火保温结束后，打开炉门快冷至720-750等温6h，再炉冷至500出炉空冷。,3）淬火工艺 显著特点是加热温度很高，得高合金度A，以便获得高合金度的M，为刃具的高红硬性创造条件。钨、钼、钒在1100以上才大量溶入A，超过1300溶解度还会增加，但A晶粒会急剧长大，甚至晶界处发生熔化。所以高速钢淬火加热温度选择的总原则是在不发生过热的条件下尽可能地高。 具体工件的淬火加热温度还应考虑如下因素： 工作条件：主要要求硬度和红硬性、对韧性要求不高时，采取较高的淬火加热温度。 几何形状

11、及尺寸：工件形状复杂、厚薄不均，易变形、易开裂时，采用较低淬火加热温度，而形状简单的工具则采用较高的淬火温度。尺寸很大的工件，因碳化物分布不均匀，容易局部过热，淬火温度也不能过高。淬火加热保温时间，应保证有足够的碳化物溶入A中而又不致引起晶粒的过份长大。 A预热 高速钢中合金元素含量很高，导热性差，为了减小内应力避免变形，缩短高温加热时间减少氧化脱碳，淬火必须预热。形状简单、尺寸较小的800850一次预热；形状复杂、尺寸较大的500650及800-850两次预热。 B冷却 虽高速钢淬透性很好，空冷也能得到M，一般不采用空冷，因空冷会导致碳化物析出，降低硬度和红硬性，并表面氧化脱碳。 也可以用分

12、级淬火方法，以减少变形开裂。对淬火变形要求很严的刃具，应采用590-620和350-400两次分级淬火。,C淬火中出现的问题 淬火加热中常出现的缺陷是过热和过烧。 过热：加热温度过高，晶粒过份长大，未溶碳化物减少，碳化物变形或沿晶界呈网状或半网状分布。过热工件变形都较大，可根据变形大小挑出不合格的过热工件退火后重淬。 过烧：淬火温度接近钢熔化温度，使晶界部分熔化，淬火后出现莱氏体和黑色组织。工件严重变形或表面皱皮，不可挽救，工件只得报废。,萘状断口：已淬火高速钢如不经退火而重复进行淬火加热，晶粒剧烈长大，出现萘状断口，强度、韧性很低。为避免出现萘状断口，两次重复淬火加热间必须进行一次退火。出现

13、萘状断口后，再经反复多次退火可部分消除，只有重新进行热加工才能完全消除。,4）回火转变,最显著变化是从M和残余A中析出合金碳化物，基体合金度随回火温而 W18Cr4V钢150-250回火从M内析出-碳化物，硬度，强度、塑性；回火温至400，-碳化物转变为渗碳体型碳化物而聚集，且应力基本消除，硬度，塑性；400500回火，析出M23C6型碳化物，硬度、强度回升；500以上回火，硬度强度明显升高，在560回火后硬度和强度达到峰值。,500-600回火时硬度、强度明显升高的现象称为二次硬化，其原因如下： 沉淀硬化：此时自M中析出大量特殊碳化物M2C(以钨和钼为主)与MC(以钒为主)，很稳定，600以

14、下聚集速度很慢，故能形成明显的沉淀硬化效应。这是主要原因。 二次淬火：在此温度回火时，因M分解导致残余A的压应力松驰，残余A内也析出部分碳化物，碳及合金元素的浓度，使残余A的MS点。回火冷却过程中残余A发生M相变，使钢的硬度又有所升高，即二次淬火。,600以上回火时，不仅析出的碳化物聚集长大，且发生碳化物类型的转变，如在675时M2C溶解，同时钢中析出M6C和M7C3，M7C3继而又转变成M23C6，这些都导致硬度和强度迅速。,为使高速钢具高硬度、高耐磨性与高的红硬性，一般都在560回火。 因高速钢淬火组织中含有大量残余A，且很稳定，在560回火一次并不能使很多残余A转变。为尽量残余A一般要进

15、行三次560回火，每次保温11.5h。残余A量降至1-2。多次回火还能消除前一次回火中二次淬火产生的内应力。,7.高速钢中碳及合金元素的作用,1）碳：一般0.70-1.65,碳含量时，碳化物不均匀性也，将严重影响塑性和韧性；碳含量，残余A量也会增多，需多次回火；碳含量还使高速钢的结晶温度，导致淬火温度的上限必须，影响A的合金度。 碳含量增加所带来的不利影响对不同高速钢其强弱不同。钨系高速钢含碳量强度和韧性显著，而钨-钼系适当含碳量能使硬度、耐磨性，强度、韧性不多。,合金元素形成碳化物引起的硬度远固溶强化引起的硬度； 钢中剩余碳化物引起的硬度远回火析出的碳化物作用。,钢在回火时因析出特殊碳化物(

16、MC及M2C)引起的二次硬化效应是高速钢获得高硬度、高耐磨性和高红硬性的决定性因素。 高速钢中碳化物形成元素钨、钼、钒、铬与碳量的比符合合金碳化物分子式中的定比关系时，可获得最大的二次硬化效应，这就是定比碳经验规律。 为高速钢硬度、耐磨性和红硬性，有效的途径是含碳量以满足碳化物形成元素形成更多碳化物的需要，这是发展超硬高速钢的主要思路之一。,2）钨：形成高速钢红硬性的主要元素之一 钨含量可红硬性、硬度和耐磨性。但碳化物不均匀性也相应。 提高到17-19时，虽红硬性又略有提高，但碳化物不均匀性更大。 超过18-20时，不但不能改善红硬性，反而使弯曲疲劳强度下降。,3）钼：与钨可相互替代 可高温结

17、晶过程中包共晶转变温度，同时缩小结晶温度范围，对铸态组织有细化作用。钼代钨高速钢中的共晶碳化物的形态由粗大的鱼骨状变为细薄羽毛状，分布较均匀。 钼比钨在A中溶解度大，且碳化物颗粒细小，易溶，增大A的合金度。回火时Mo2C比W2C析出温度稍低，稳定性稍差，因而钼系、钨-钼系高速钢的红硬性略逊于钨系，但弯曲强度与冲击韧性更好。 含钼高速钢高温下脱碳趋势较大，并且晶粒易长大，淬火气氛与温度控制要求较严。在相似性能的高速钢中，钨系价格较钼系高10-15。目前在国外以钼代钨的钨-钼系、钼系高速钢已基本取代了钨系高速钢。,4）钒：强碳化物形成元素，所有的高速钢都含有钒 VC、V4C3稳定性、硬度高。还能溶

18、入M6C型碳化物，其稳定性。热处理后弥散分布大量钒的碳化物，耐磨性和红硬性。淬火加热时，未溶含钒碳化物阻碍A晶粒长大，淬火温度和二次硬化效应，细化晶粒，韧性。 必须有足够的碳才能使钒的作用充分发挥，钒量时必须同时碳量。但碳、钒含量过高，又导致碳化物不均匀，同时也使钢的磨削加工性变差。,为什么？,5）铬：所有高速钢中Cr均为4左右，淬透性的主要元素 形成M23C6型碳化物、溶入其它碳化物。淬火加热时M23C6全部固溶于A。也可回火稳定性和二次硬化效应，但比强碳化物形成元素作用微弱得多。 含有较高的铬，刃具在切削过程中抗氧化能力，粘刀现象，切削性能。但大于5，使切削速度降低，残余A量也增多。,6）

19、钴 一般为5、8和13三级。非碳化物形成元素，绝大部分溶于基体。 使共晶莱氏体熔化温度，因而含钴高速钢淬火加热温度可20左右，有利于A合金度增大，加强二次硬化效应，提高钢的红硬性； 增加回火时Mo2C的形核速度，减缓其长大速度，使合金碳化物的分布更加弥散细小； 使钨在-Fe中的扩散系数，延缓或推迟钨碳化物析出、聚集和长大。,为了提高和改善高速钢的性能，节约贵重元素，还曾研究过在高速钢中添 加硅、铝、钛、铌、氮和硼等元素的作用，也取得了一定的效果和应用。,第2节 冷作模具用钢,一、应用与性能要求,冷作模具钢： 常温下使金属材料变形的模具用钢，如冲裁、冷挤压、冷镦、冷拉伸等模具。,受力：,性能要求

20、：,冲裁模刀口： 冲压、摩擦； 冷墩、冷挤压模：挤压、张力、摩擦； 拉伸模： 压应力、摩擦。,高强度、高硬度、高耐磨性、高韧性,二、碳素工具钢和低合金工具钢,T8A T10A T12A,加工性能好、成本低。 淬透性低、耐磨性不好、 淬火变形大、寿命低,用于尺寸小、形状简单、轻负荷的模具，如冷墩模,9Mn2V、CrWMn、9SiCr、 GCr15,低合金工具钢 较高的淬透性 较好的耐磨性 较小的淬火变形,用于尺寸较大，形状较复杂，精度要求较高的模具,高碳过共析钢，易形成网状碳化物，经锻造和热处理也难满意的改善，使钢的脆性增大，常使一些形状复杂的精密模具，崩刃、开裂、折断而早期失效。,6CrMnN

21、iMoVSi (代号GD钢) 国内研制并推广的高强韧性低合金冷作模具钢 成分：C0.69、Cr1.15、Mn0.85、Ni0.85、Mo0.45、V0.18、Si0.7。 采用了较低的含碳量和少量多元的合金化方案，既提高了淬透性又 增加了低温回火抗力，在获得相同硬度的条件下，比其它同类钢种 有更高的强韧性。加入钼和钒有效地细化了晶粒，并保证了钢的耐 磨性。 特点：强韧性高，淬火温度范围宽，淬火变形小，耐磨性较好。 GD钢代替常用的低合金工具钢CrWMn，9SiCr，GCr15及部分高铬模具钢Cr12型钢，用于易崩刃、易开裂的各类冷作模具，模具使用寿命长。,1.高铬模具钢：Cr12和Cr12Mo

22、V,三、高铬和中铬模具钢,特点：较碳素、低合金工具钢，具有更好的耐磨性、淬透性，淬火变形微小。 用途：制造负荷大，生产批量大，耐磨性要求高，热处理变形要求小，形状 复杂的冷作模具。,2.中铬模具钢：,克服高Cr中碳化物不均（C太高） C：约1，Cr：5-7，少量W、Mo、V 主要形成M7C3，少量M6C、MC 共晶碳化物少，较高铬加工性能、韧性好,偏析时局部C含量超过E点， 且合金元素使E点左移。,Cr4W2MoV,中铬模具钢典型钢种。 淬火变形与Cr12型钢相似； 耐磨性与Cr12型相当或稍高，韧性明显改善。 代替Cr12型钢制造冷冲模，冷镦模和冷挤压模。,9Cr6W3Mo2V2 (GM钢)

23、,碳及合金元素合理配比，避免粗大共晶碳化物，改变未溶、析出碳化物类型和数量，回火析出大量弥散分布的特殊碳化物，具有高的二次硬化能力。 耐磨性优于Cr12型，韧性好。 代替Crl2MoV制作高速冲床冲头等。,7Cr7Mo2V2Si (LD),保持较高强韧性的同时，耐磨性比Cr12型钢明显，冷热加工工艺性能好。 用于冷镦、冷挤、冷冲等模具。,四、高速钢类冷模具钢,要求：较刃具用高速钢具有更高的强、韧性，不要求红硬性，采用措施如下：,1. 高速钢的低温淬火,淬火加热温度基体C、合金元素回火析出碳化物量二次硬化 韧性 但低温淬火会导致钢抗压屈服强度和耐磨性，不能作为高负荷模具。 所以高速钢的低温淬火并

24、不是对所有的冷挤压模具适用。,2. 低碳高速钢,6W6Mo5Cr4V(6W6) 我国研制的一种低碳高速钢。 高速钢W6Mo5Cr4V2基础上降碳降钒碳化物不均匀性，冲击韧度50。 代替高速钢或Cr12型钢制作易于脆断或劈裂的冷挤压冲头或冷镦冲头，可成倍地提高模具的使用寿命，如模具淬火回火后再进行渗氮等表面强化工艺处理，使用效果更好。,3. 基体钢,基体钢：成分相当于高速钢淬火组织中基体成分的钢种。 与高速钢比，过剩碳化物少，颗粒细小均匀冲击韧度和疲劳强度都较好，同时也保持了较高的耐磨性和红硬性。不仅适于冷作模具，也可用于热作模具。 6Cr4W3M02VNb、6Cr4Mo3Ni2WV、5Cr4M

25、o3SiMnVAl,第3节 热作模具用钢,一、基本特性及成分特点,热作模具钢：使热态金属或液态金属成形的模具用钢。,工作条件：,高温（300近千度） 承受巨大机械应力和强烈摩擦； 承受炽热金属和冷却介质交替作用而引起的很大热应力。,性能要求：,高的高温强度和热稳定性。 良好的韧性。 高的热疲劳和热磨损抗力。 良好的抗氧化性能和耐蚀性。,受热组织性能不变,成分 性能,二、锤锻模与大型压力机锻模用钢,锤锻模：工作时冲击负荷很大，工作温度不太高（300400）； 大型压力机锻模：截面大，碳化物不均匀性，特别心部冲击韧度。,选用高韧性热作模具钢制作。,5CrNiMo： 具有良好的综合力学性能，加热至5

26、00时仍能保持高的强度，但在500-550以上时塑性变形抗力急剧下降。 适于制作形状复杂的、冲击负荷重的、大型或特大型的锻模。,5CrMnMo： 5CrNiMo以Mn代Ni，强度不降，但塑、韧性和淬透性稍低，过热敏感性稍大，因此多用于制作中型锻模。,热处理及组织： 淬火中高温回火 回火托氏体或回火索氏体,过饱和F细微碳化物颗粒,过饱和F均匀弥散颗粒碳化物,5Cr2NiMoVSi： 降C增Cr、Mo，加入Si、V 保持良好强韧性的基础上具有更好的淬透性和热稳定性高强韧性大截面热锻模用钢。,三、热挤压模与中小型压力机锻模用钢,工作条件特点： 工作温度高（550900，与热金属接触时间长或坯料温度高

27、）； 机械应力复杂(压、弯、拉、冲击及交变应力)； 热应力大（急冷急热）。 工作条件比锤锻模具更加恶劣,性能要求： 更高的高温强度和热稳定性，更好的热疲劳、热磨损抗力及较好的韧性。,1.钨系热作模具钢：3Cr2W8V C较低热疲劳抗力、塑性好 Cr 淬透性、抗氧化性能 W、V 热稳定性、高温强度、耐磨性 淬火高温回火 ，650以下使用,2.铬系热作模具钢：4Cr5MoSiV、 4Cr5MoSiV1 高CrMo 淬透性、强韧性 无W 碳化物不均匀性， 韧性、热疲劳抗力 Mo、V 热稳定性、耐磨性 Cr、Si 抗氧化性 热稳定性不如W系，600以下使用。,3.Cr-Mo系热作模具钢：克服W系韧性、

28、热疲劳抗力不足及Cr系热稳定性不足,四、压铸模用钢,工作条件特点： 高压下反复与熔融金属接触，承受一定压力、交变应力和摩擦、腐蚀。,性能要求： 高温力学性能好，高温下保持高强度、硬度和耐磨性及足够的韧性； 优良的热疲劳抗力； 高的导热性； 良好的耐蚀性。,1. 压铸低熔点金属（Zn、Mg、Al）模具用钢 一般热作模具钢（如5CrNiMo等） 淬火高温回火得高韧性、热疲劳抗力 表面强化（N，C、N共渗）提高耐磨性、热疲劳抗力 铬-钼系热作模具钢，有很好的效果。,2.压铸高熔点金属模具用钢 对高温强度，热疲劳抗力和导热性要求非常高 。 Cu合金：860900 ，铬-钼系热作模具钢较好 黑色金属：难

29、熔金属(W、Mo基）为基的合金或高热导率材料（Cu基）较好,第4节 塑料模具用钢,工作条件：工作温度:150250，工作压力：40150MPa； 与冷、热模具用钢比力学性能要求较低，但要求形状复杂、尺 寸精密、光洁、耐蚀。,性能要求：抛光性能好，要求材质纯净，组织致密。 切削加工、冷挤成形性好，热处理变形小。 表面高硬度、耐磨耐蚀，保证尺寸精度、表面质量长期不变。 有足够的强度和韧性，能承受负荷不变形和不破损。,1.调质钢 C：0.3-0.5.，含适当的铬、锰、镍、钼、钒等。 一般在钢厂经充分锻打制成模块，热处理至要求硬度后制模，完全避免热处理变形。用于大中型精密热塑性塑料的成形模。缺点是预硬状态不易切削加工。,2.易切削预硬钢 为了改善预硬型塑料模具钢的被切削性能，可在钢中加入易切削元素。 8Cr2MnWMoVS、5CrNiMnMoVSCa,3.时效硬化钢 时效硬化引起的变形极小，因此，可作精密或超精密塑料模具用钢。,国内常采用一般钢种，如渗碳钢、热作模具钢等，但冷加工性、热处理变形往往不能满足要求。发展专用钢种。,一、切削成形塑料模具钢,二、冷挤压成形塑料模具钢,冷挤压成形的制模方法生产效率高，模具精度