工程材料学(第4章-工具钢)

第四章工具用钢按其用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。刃具钢可分为碳素钢、低合金工具钢和高速工具钢。模具钢根据工作状态可分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢。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。板牙丝锥成形过去现在现在的的趋势4.1概述1、工具钢成分与性能特点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，回稳性第二相K→球状、细小、均匀分布。工艺特点锻造→球化退火→不完全淬火淬火工艺参数要求严格。变形开裂倾向工艺措施热应力组织应力变形开裂分级加热、分级淬火、等温淬火、双液淬火;零件设计与其他工艺措施等模具增加工艺孔减少变形开裂2、工具钢基本性能及检测方法强度塑性静弯或扭转试验→弯曲强度、挠度和扭转强度、扭转角；?韧度硬度热稳定性一般采用无缺口冲击试样?一般硬度60HRC以上，K可适当↑硬度2~3HRC对高速钢，通常就是红硬性淬透性断口法→碳素工具钢和低合金工具钢；端淬法→合金工具钢，以端淬曲线上60HRC处距水冷端距离表示。淬透性作用强弱顺序：Si、Mn、Mo、Cr、NiMe↑淬透性,只有溶入A中，才起作用；Me作用随钢中含碳量而变化，如Si。工具钢淬透性随热处理条件而变化,如V注意点Si对不同含C量钢的淬透性影响V在不同淬火温度时对淬透性的影响4.2碳素钢及低合金工具钢1、碳素工具钢T7~T13做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸小于15mm的工具。T7有较好塑韧性，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、铣刀等淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火.成本低、工艺性能好、用量大。2、低合金工具钢淬火工艺T淬为Ac1+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)一般组织含碳量0.5％~0.6％的M+未溶粒状K合金化Cr、Si、W、Mo、Mn、V等元素，↑耐磨性和回稳性，↑淬透性→采用缓冷方式，↓变形开裂Cr:1%左右，细化K，均匀分布；Mn:主要↑淬透性;Si:↑低温回稳性，Si强化F,↓切削加工性,↑脱碳敏感性，不单独加入；?W:0.5~1.5%，W含量太多→K类型转变，且使K分布不均匀，恶化性能。V:↓过热敏感性,细化晶粒,↑回稳性合金元素具体作用9SiCr：①Si/Cr↑淬透性，D油40mm；②Si/Cr↑回稳性，~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使钢的脱碳倾向较大。适于制作形状较复杂、变形要求小工件，特别是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。CrWMn：①Cr、W、Mn复合，↑淬透性，D油=50~70mm；②AR在18~20%，淬火后变形小；③含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒细小→高硬度、高耐磨性；④回稳性较好，250℃回火，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。9CrWMn?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：⑴钨系高速钢：典型牌号18-4-1，美M1，俄P18。⑵钨钼系高速钢：如6-5-4-2，美M2，目前应用普遍。⑶含钴高速钢：如W18Cr4VCo5,红硬性高。⑷超硬高速钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al。具有65~70HRC高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢低。钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其它类型称为特殊用途高速钢或高性能高速钢。4.3高速钢上左:直、锥柄加长麻花钻上右:整体硬质合金钻头铣刀、铰刀、复合刀具及非标准刀具下右:各种合金车刀对焊高速钢锥柄钻头高速钢45钢高速钢直柄麻花钻一、高速钢中合金元素的作用C定比碳经验规律设计→最大二次硬化效应C%＝0.033%W+0.063%Mo+0.20%V+0.060%Cr→合金元素之间的相对控制法.必须解决成分-性能间数学模型,控制参数的数值范围.一般高速钢含C量0.7~1.3%(质量分数)作用规律C↑:↑硬度,但↓熔点,易过热;↑K量,↑不均匀性;↑AR→↑回火次数;↓σ和AKVV显著↑红硬性、↑硬度和耐磨性，细化晶粒，↓过热敏感性。以VC存在.WMo钨是钢获得红硬性的主要元素。M6C型K，回火时析出W2C；W↓↓热导率→钢导热性差钼和钨相似，1％Mo可取代1.5~2.0％WCrCr加热时全溶，保证钢淬透性，4％Cr。改善抗氧化能力、切削能力CoCo可显著提高钢的红硬性，5、8和12％三个级别。但↓钢韧性、↑钢脱碳倾向微量元素微量氮增加硬度和热硬性，一般~0.10％。稀土可明显改善热塑性,↓硫在晶界的偏聚二、高速钢中的碳化物铸态组织淬火态鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织（δ共析体等）和白亮组织（M+AR）加热时，K溶解顺序为：M7C3\M23C6型在1000℃左右溶解完→M6C型在1200℃时部分溶解→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K.高速钢的退火组织(400X)高速钢的铸态组织(400X)K不均匀性结果①各向异性；②形变时易应力集中开裂；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。?T1260~1300℃800~850℃500~600℃580~620℃550~570℃×1h油冷一次350~400℃分级二次三次回火分级时间tW18Cr4V高速钢常用热处理工艺方法三、高速钢的热处理预热:高速钢工具一般在高温盐浴炉中加热，速度较快，常采用一次或多次预热为什么？预热有什么作用？高速钢导热性差,加热温度又高,预热—①↓淬火加热过程中的变形开裂倾向；②缩短高温保温时间，减少氧化脱碳；③准确地控制炉温稳定性。可采用一次预热和二次预热。思考题:高速钢Ac1在820~840℃范围，但其淬火加热温度必须在Ac1+400℃以上,为什么？过热过烧欠热T淬过高，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。温度再高→晶界熔化→铸态组织特征，主要为鱼骨状共晶莱氏体及黑色组织。淬火温度较低，大量K未溶,且晶粒特别细小。淬火温度：精确控制可以从金相组织上初步判断工艺因素W18Cr4V高速钢不同淬火温度下的组织特征正常淬火组织(400X)欠热组织(400X)过热组织(400X)过烧组织(200X)W18Cr4V钢和M2钢淬火温度与未溶碳化物量的关系两种高速钢基体合金含量与奥氏体化温度的关系确定淬火温度时，还需要考虑下列因素：（1）不同工作条件，淬火温度应有所区别如车刀→高硬度和红硬性→采用较高T淬；中心钻→强韧度好→采用较低的T淬.（2）形状、尺寸不同，T淬有不同形状复杂（如锯片、细长拉刀等）和厚薄悬殊刀具（如三面刃铣刀等）→较低T淬。形状简单的工具可采用较高T淬。尺寸较小和尺寸很大的刀具→较低T淬；（3）原材料级别也有影响K不均匀性大的原材料→低的T淬。一般情况，过热和过烧的危害比欠热要大确定保温时间基本原则：一定量K溶入奥氏体，而晶粒不长大。对于一定的T淬，有一个合适的保温时间。淬火冷却：冷却很重要，方式也很多，可根据工具不同情况进行选择。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。等温淬火采用贝氏体等温淬火可↑工具的强度、韧度和切削性能。→↓中心钻及仪表刀具等在使用中发生断头、崩刃等现象.思考题:高速钢在分级淬火时，为什么不宜在950~675℃温度范围停留过长的时间?W18Cr4V钢在1300℃奥氏体化后过冷奥氏体等温转变曲线回火：高速钢一般需要在560℃左右三次回火淬火态M+大约30%AR+K回火ⅠM回+M+10%AR+K1回火Ⅱ回火ⅢM回+M+少量AR+K2M回+AR（少量）+K3（K1等以示区别）W18Cr4V高速钢回火次数与残余奥氏体量（a）和性能（b）的关系W18Cr4V钢回火一次金相组织（400X）W18Cr4V钢回火三次的金相组织（400X）同步热处理：关键是正确选择回火温度与保温时间，以便和淬火工艺相匹配。思考:可能有什么问题?表面处理：强化方法:化学热处理或在刀具表面覆层表面氮化、表面硫氮共渗等多元共渗、蒸气处理等，＜560℃。物理气相沉积(PVD法)，在表面沉积TiC等覆层。新型工具钢：日本神户钢铁公司开发粉末工具钢Fe18Cr2Mo1V2.2C(KAD181)，经HIP后不用锻造，具有很好的性能，在模具、辊子、刀具等方面应用很广泛美国开发坩埚粉末冶金法（CPM）↑韧性和耐磨性,↑使用寿命。如CRMT440V(Fe17Cr0.4Mo5.5V)的耐蚀性与不锈钢T-440C差不多，但耐磨性是T-440C的几倍，制成的造球机刮刀，其实际使用寿命是T-440C的20倍.经济合金化是高速钢的一个发展方向，在不降低性能的前提下尽可能降低钢中的W含量工模具表面技术:是高速工具发展的一个重要方面，近年来已成功利用离子渗入法在工具表面涂覆TiC、TiN、Ti(C,N)等涂层，发挥了优越的性能。在新型工具材料的开发上具有重要的意义。日本开发了以硼砂熔盐为基稀土钒共渗工艺，经过该工艺处理的模具耐磨性比常规处理的要提高2.8倍。这些研究提高了工模具性能和使用寿命。这些研究都是不可忽视的开发课题.典型冲压模及产品D2LD6CrNiMnSiMoV（GD）钢9Cr6W3Mo2V2（GM）钢4.4冷作模具钢金属在冷态下变形拉延、冲压、冷鐓或冷挤成形等共同特点工作T不高，模具主要承受高压力或冲击力，有强烈的摩擦主要技术要求为具有高硬度和耐磨性，有一定韧性技术要求部分冲裁模一、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，这类钢的淬透性比较高，热处理变形较小，耐磨性也较好，所以可制造工具尺寸较大、形状比较复杂、精度要求相对较高的模具。9Mn2V特点：①Mn↑淬透性，D油=~30mm；②Mn↓↓MS，AR约20~22%，变形小；③V能克服Mn缺点,↓过热敏感性，细化晶粒；④硬度稍低，回稳性较差→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。二、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。组织变化特点一：选择T淬和回火温度来控制工具的变形。调节淬火温度：↑T淬→↑AR→↓体积V→一定程度可抵消M转变所引起的胀大；调节回火温度：300~400℃，M分解而尺寸缩小；450℃，AR转变为M→体积↑组织变化特点二：随T淬升高，K溶解量增加，奥氏体合金度增加，淬火后残余奥氏体增加，硬度下降。淬火温度的波动可引起组织和性能的较大变化。一次硬化法低淬和低回→晶粒细小，强韧性好。980~1030℃淬火×150~170℃回火，硬度为61~63HRC，残奥量少。12％左右未溶（Cr，Fe）7C3碳化物。一次硬化法使用较普遍二次硬化法1050~l100℃×500℃左右多次回火，硬度回升到60~62HRC。热硬性较好，强韧性较低。二次硬化法适合于工作温度比较高（400~500℃）且受载荷不大或淬火后表面需要氧化处理的模具。Cr12MoV钢的硬度、残余奥氏体量与淬火温度的关系2、高碳中铬模具钢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