金属材料学：工具钢

SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/161第四章工具钢SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/162工具钢工具钢是用来制造刀具、模具和量具的钢。按化学成分分为碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢等。按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。刃具：用于切削加工的工具，车刀，刨刀，转头等；模具：用于进行压力加工的工具。冷作模具：〈200—300℃；热作模具：〉600℃；量具：测量尺寸的工具，如卡尺、千分尺、块规等。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/163共性：一般都在磨损条件下工作，要求具有高硬度和高耐磨性。不同：具体工作条件的不同，对各自的性能又有特殊要求。如刃具钢要求热硬性好;冷作模具钢要求热处理变形小;热作模具钢要求在高温下保持高的硬度和韧性;量具钢要求热处理后组织稳定好。各类工具在钢材的选用和热处理方法上各有其特点。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/164一、刃具钢工作条件：（1）刀刃与工件之间发生剧烈的摩擦，造成严重的磨损；（2）刀刃部分温度高（高速切削时，温度达600℃）；（3）进刀时，发生冲击与振动。失效形式：磨损，崩刃，刀具折断。性能要求：高硬度（60～66HRC）和耐磨性；高的热硬性；高的抗弯强度和足够的韧性。热硬性：又称红硬性，指刃具钢在高温下保持高硬度的能力称为热硬性，是衡量刃具钢使用寿命的重要指标。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/165（一）碳素工具钢成份——含碳量约0.6～1.3%性能——常温硬度（HRC60～62）及耐磨性较好。但淬透性差、热硬性差。热处理：预先热处理：球化退火，降低硬度便于切削加工，并为淬火作组织准备最终热处理：淬火＋低温回火组织：回火马氏体＋细粒状渗碳体＋少量残余奥氏体。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/166（二）低合金刃具钢成分：高碳，含0.9～1.5%C，添加Si、Mn、Cr等合金元素，提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬度和耐磨性；强碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。性能：低合金工具钢的淬透性和综合力学性能好，但由于其内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250℃，否则硬度和耐磨性迅速下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于低速切削刃具钢。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/167SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1689SiCr钢板牙热处理工艺曲线板牙SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/169（三）高速钢成分（W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2）①高碳0.7～1.5%：保证高硬度②钨18%：形成碳化物；在560℃左右回火时，弥散析出W2C，造成二次硬化，提高钢的红硬性。③钼5%：1%Mo的作用等同于2%W。④铬4%：形成碳化物；提高钢的淬透性。⑤钒1.5%：形成VC，硬度极高，提高钢的硬度和耐磨性，产生二次硬化。性能：高硬度、高耐磨性、高的红硬性（600℃时，HRC63以上）、有一定的强度和韧性。盘形铣刀SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1610W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点工艺路线：下料→锻造→退火→机加工→淬火＋三次回火→喷砂→磨削SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1611SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1612锻造：高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状的粗大共晶碳化物，钢的韧性大幅下降。不能用热处理来消除，只能依靠反复多次锻打来击碎。退火：消除应力，调整组织，便于机加工，为淬火作好组织准备。退火后的组织:S+粒状碳化物淬火:1280℃；淬火后的组织：M+Cm+A残(20～25%)三次回火：消除A残；并产生二次硬化弥散硬化：W2C、VC弥散析出；二次淬火：A残中析出合金碳化物，使A残中合金的浓度下降，MS上升，在随后的冷却过程中转变为M。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1613W18Cr4V铸态组织420SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1614W18Cr4V锻造组织210SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1615W18Cr4V淬火+三次回火组织420SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1616（1）钨系高速钢：常用的牌号是W18Cr4V（简称18-4-1钢），热硬性高，淬火温度范围稍宽，磨削性好，适于制造一般的高速钢刀具。（2）钨钼系高速钢：常用的牌号是W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2钢），热硬性、耐磨性与W18Cr4V钢差不多，主要优点淬火回火后的强度、韧性比W18Cr4V钢好，在950～1100℃高温下的热塑性好，待别适于热轧、扭制等热加工成形的刃具（如麻花钻）和要求强度、韧性较高的工模具。（3）超硬高速钢：常用牌号有W18Cr4VCo5、W12Cr4V5Co5、W6Mo5Cr4V2Co5等,热硬性超过普通高速钢。但大多强度和韧性较低，磨削性差,主要用于制造加工超高强度钢和特种合刃具。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1617SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1618二．模具钢（一）冷作模具钢工作条件与性能要求：在常温下使金属材料变形成型的模具用钢，工作温度200～300℃；模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；冷作模具钢应具有高硬度、高耐汽车车门模具成分：①高碳②合金元素：Cr，Mo、W、V磨性、高强度和足够的韧性；冷作模具对淬透性、耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1619冷作模具材料的工作条件1.冲裁模2.拉深模3.挤压模4.冷镦模冷作模具材料的性能要求2.工艺性能要求（1）可锻性（2）可切削性（3）可磨削性（4）热处理工艺性1.使用性能要求（1）耐磨性（2）韧性（3）强度（4）抗疲劳性（5）抗咬合性SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1620冷作模具材料•1.火焰淬火钢•2.基体钢•3.高韧性低合金冷作模具钢•4.高碳中铬耐磨模具钢SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1621SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1622高碳低合金钢(CrWMn钢)(1)化学成分CrWMn钢的临界点:Ac1≈750℃，Accm≈940℃，Ar1≈710℃，Ms≈255℃。(2)力学性能CrWMn钢具有高淬透性，由于钨形成碳化物，所以这种钢在淬火及低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性，如图6-5～图6-7所示。图6-5CrWMn钢力学性能与淬火温度的关系图6-6CrWMn钢硬度与淬火温度的关系图6-7CrWMn钢硬度与回火温度的关系SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1623高耐磨冷作模具钢(Cr12型高碳高铬钢)(1)化学成分；(2)力学性能；(3)工艺性能；(4)使用范围。(2)力学性能图6-8淬火温度对Cr12MoV钢的图6-9淬火温度对Cr12MoV钢的硬度、晶粒度和残余奥氏体的影响抗弯强度、冲击韧度的影响SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1624Cr12型钢在淬火加热时碳化物大量溶于奥氏体中，淬火后得到高硬度的马氏体。回火时自马氏体中析出大量弥散分布的碳化物，其硬度很高，因而提高了钢的耐磨性。如图6-10所示，Cr12MoV钢经1020℃淬火，520℃回火时出现明显的二次硬化，而且淬火温度愈高，这种效应愈显著。在200℃左右回火时，其抗弯、抗压强度最高;在400℃左右回火，断裂韧度最高。图6-10回火温度对Cr12MoV钢硬度的影响SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1625冷作模具材料热处理实例硅钢片冷冲裁模具用Cr12MoV钢制作的硅钢片冷冲裁模具，其设计硬度为58～62HRC，正常的使用寿命为每模20万件以上。1.制造工艺路线2.具体分析（1）材料选择:Cr12MoV钢（2）锻造工艺:多向反复镦粗→拔长→镦粗（3）热处理工艺Cr12MoV钢导热性较差，因而在淬火加热时需要根据模具的尺寸与复杂程度进行两次以上的预热，以减少模具内外的温差，降低材料内应力，有效改善碳化物的分布形态，为淬火时组织和性能的最佳配合创造先决条件，有效提高模具使用寿命。适当提高回火温度，可保证模具在硬度降低不多的情况下获得较好的韧性，减小模具的内应力，均匀热处理后的显微组织，获得所需的力学性能。不锈钢表壳冷挤压模具不锈钢表壳形状较复杂，其材料为0Cr18Ni9钢。7Cr7Mo2V2Si钢制造的表壳冷挤压凸模SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/1626冷作模具材料的选用1.冲裁模模具材料的选用(1)薄板冲裁模具用钢:薄板冲裁模国内长期以来主要用材有T10A，CrWMn，9Mn2V，Cr12及Cr12MoV钢等。(2)厚板冲裁模具用钢:一般批量较小时，可选T8A钢，用T8A钢制作模具寿命不高。对于批量较大的厚板冲裁模可选用W18Cr4V钢或W6Mo5Cr4V2钢制作凸模，用Cr12MoV钢制作凹模。2.拉深模模具材料的选用对于小批量生产，可选用表面淬火钢或铸铁;对于轻载拉深模，宜选用碳素钢T10A钢，高碳低合金钢9Mn2V，CrWMn，GD钢，基体钢（65Nb钢）等;对于重载拉深模，可选用高耐磨冷作模具钢Cr12，Cr12MoV，Cr12Mo1V1，Cr5Mo1V，GM钢等。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2020/3/16273.挤压模模具材料的选用传统的冷挤压模模具材料有碳素工具钢T10A钢，高碳低合金钢CrWMn，60Si2Mn钢，高耐磨冷作模具钢Cr12，Cr12MoV钢，冷作模具用高速钢W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2钢等。4.冷镦模模具材料的选用凸模必须承受强烈的冲击力，对模具寿命要求不高或轻载的冷镦模凸模――可采9SiCr，T10A，Cr12MoV，GCr15，60Si2Mn钢制造；凹模――可采用T10A，