第六章-钢铁材料3(工具钢)

6.4工具钢•定义：用于制造各种加工和测量工具的钢。•工具钢的通用性能和成分要求：高硬度、高耐磨性高温硬度和高温稳定性较好的韧性和淬透性较高含碳量高回火稳定性（合金化）杂质含量低(S，P0.02%)下料锻造预备热处理机械加工最终热处理精加工及表面处理装配•工具钢的一般加工工艺：7.4.1刃具钢1.刃具钢的工作条件及性能要求刃具：车、钳、铣、刨、钻、锯等刃具钢：制造用于切削加工零件的钢材•性能要求：高硬度、高耐磨性高温稳定性，红硬性较好的韧性和淬透性快速切削摩擦摩擦生热，温度达500°C切削震动和冲击•工作条件：•红硬性定义：材料在受热条件下仍能保持足够高的硬度和切削能力的特性红硬性物理表征：以多次高温回火（600°C）后的室温硬度表示以保持一定硬度（HRC60）而能使用的最高回火温度表示红硬性物理本质：抗高温回火的软化能力，材料的回火抗力2.刃具钢及其加工工艺•刃具钢碳素刃具钢低合金刃具钢高速钢1）碳素刃具钢：T8,T10,T12,T8A•特点适用于手工工具，小尺寸低速刃具、模具。加工低硬度材料耐磨、加工性好价格便宜满足一般工具工作条件红硬性低（200°C），淬透性差说明T8钢的预备热处理和最终热处理工艺2）低合金刃具钢：合金元素（Cr,W,Mn..)含量不超过3~5%适用于优质手工工具，较大尺寸普通刃具、模具。加工低硬度材料高硬度，耐磨、加工性好价格较便宜工具性能较碳素钢的好•特点红硬性提高(~300°C)淬透性好以CrWMn钢为例，说明合金元素含量及其作用3）高速钢高速钢：用于高速切削以及大尺寸的工具材料•性能特点：高硬度、耐磨性，高红硬性，高淬透性•成份特点：高碳含量，高合金含量，高冶金质量•常用高速钢：钨系、钼系、钨钼系•高速钢的组成及作用高碳含量：0.7~1.65%W、MoCrV获得高碳马氏体形成足量碳化物回火稳定性、红硬性二次硬化效应溶入A,提高淬透性形成碳化物细化A提高耐磨性、红硬性其它元素(Ti,Co,Al,B)主要是提高材料硬度和红硬性•高速钢的组织及热处理原因高碳高合金含量目的消除碎化粗大共晶组织目的消除应力，调整性能~HB230，S+粒状Carbide原因1250~1300°C充分A化，防止过热过烧提高淬透性，稳定M5）高温淬火1）莱氏体钢2）反复锻造3）球化退火4）机械加工6）高温回火多次回火，多级回火M隐+粒状Carbide+A残•高速钢的组织及热处理莱氏体钢W18Cr4V钢的铸态组织•高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理改善。W18Cr4V钢的退火组织退火目的：•降低硬度，便于切加工；•为淬火作组织准备。•退火后组织：S+颗粒状碳化物•高速钢的组织及热处理原因高碳高合金含量目的消除碎化粗大共晶组织目的消除应力，调整性能~HB230，S+粒状Carbide原因1250~1300°C充分A化，防止过热过烧提高淬透性，稳定M5）高温淬火1）莱氏体钢2）反复锻造3）球化退火4）机械加工6）高温回火多次回火，多级回火M隐+粒状Carbide+A残•淬火目的:获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(1200℃)。淬火后组织：M+未溶碳化物(~10%)+A’(~20%)W18Cr4V钢的淬火组织Fe77W18Cr4V1—C相图•高速钢的组织及热处理原因高碳高合金含量目的消除碎化粗大共晶组织目的消除应力，调整性能~HB230，S+粒状Carbide原因1250~1300°C充分A化，防止过热过烧提高淬透性，稳定M5）高温淬火1）莱氏体钢2）反复锻造3）球化退火4）机械加工6）高温回火多次回火，多级回火M隐+粒状Carbide+A残的碳化物，产生二次硬化。•②碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A’转变为M。•每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。⑷回火目的：主要为减少A’。消除内应力、稳定组织。常用560℃三次回火.回火时的组织变化：①析出W、Mo、V高速钢硬度与回火温度关系W18Cr4V钢热处理工艺示意图W18Cr4V钢淬火、回火后的组织•使用状态下组织M回+颗粒状碳化物+A’（少量）不同状态下W18Cr4V的组织铸态淬火回火态淬火态退火态•常用钢号及用途•常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。•用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。车刀铣刀高速钢滚刀6.4.2模具钢1.冷作模具钢1)工作条件和性能要求冷作模具：冷态下变形加工材料的模具。冷冲、冷轧、冷镦、拉丝模等。工作条件：与刃具类似。但冷态加工材料，磨损面大；冷冲冷镦模受到的冲击大；模具对尺寸精度要求高。性能要求：与刃具钢类似，1)高的硬度和耐磨性；2）足够的强度和耐冲击性（韧性）；3）尺寸稳定性好；4）良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）。汽车冲压模具6.4.2模具钢1）冷作模具钢常规冷作模具：大部分刃具钢都可以用来制作某些冷作模具。T8A,T12A,Cr2,9CrSi制作负荷不大，尺寸小和精度要求不高的模具。缺点：淬透性差，热处理变形大，耐磨不足，寿命短•2）常用钢种•⑴小尺寸、形状简单、受力不大的模具,可用碳素工具钢和低合金工具钢制造。•⑵截面、受力大的冷模具用Cr12型冷作模具钢制造.①成分特点：高碳(1.4~2.3%C)；高铬(11.5~13%Cr)合金元素作用：Cr提高淬透性；Mo、V提高耐磨性，细化晶粒。Cr12钢冷冲压件•②加工及热处理：Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火,目的同高速钢.③常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。最终热处理为:淬火+低温回火使用状态下的组织:M回+颗粒状碳化物+A’(少量)汽车外板冷冲模2.热作模具钢热作模具：材料热加工或热成形的模具。热锻模、热挤压模、压铸模、热轧模等。制造使加热金属或液态金属成型模具钢种.曲轴模具热模锻曲轴毛坯2.热作模具钢1)热作模具钢的工作条件和性能要求工作条件：与刃具类似。但模具整体反复受热和冷却；热态加工时摩擦冲击多用大；模具尺寸精度要求高。性能要求：良好的综合机械性能；表面耐磨性好，一定的红硬性抗热疲劳性能好淬透性高热疲劳失效：由于模具服役时反复循环加热和冷却引起的热应力以及表面氧化作用导致的材料破坏失效过程材料应保持常温和高温强韧性；抗氧化性；抗蠕变性能物理本质2）常规热作模具钢种：热模钢一般使用中碳调质钢，但含有较多的合金化元素。例：5CrNiMo,5CrMnMo,3Cr2W8V热镦模凸缘模⑴热锻模钢5CrNiMo、5CrMnMo•前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模.•成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。•使用状态下的组织:S回2）常规热作模具钢种：热模钢一般使用中碳调质钢，但含有较多的合金化元素。例：5CrNiMo,5CrMnMo,3Cr2W8V⑵压铸模钢典型钢号是3Cr2W8V,为过共析钢.中碳(0.3~0.4%C),合金元素作用同高速钢。W、Cr提高抗热疲劳性能.淬火+回火后组织：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)型板压铸模汽车四缸压铸模足够碳含量保证淬火回火后模具的硬度和韧性合金元素提高回火稳定性、淬透性、耐磨性和热疲劳性能3.塑料模具用钢1)塑料模具钢的工作条件和性能要求塑料模具：用于对塑料材料进行成形加工的模具。包括热固性塑料成形和热塑性塑料成形模具。工作条件：有摩擦磨损，尤其对热固性塑料加工。模具反复受热和冷却，冷热循环；模具形状复杂，尺寸精度要求高；塑料对模具的化学腐蚀作用。性能要求：足够的强韧性表面耐磨抗腐蚀，表面硬度应在HRC45以上表面光洁度高，脱模性好。一般需进行表面改性处理热处理变形小，以保证互换性和配合精度钢材纯净杂质少，偏析小2）常用塑料模具及加工工艺•小尺寸成形模具钢（材料）：工业纯铁，低碳钢10,15,20Cr•中小尺寸形状不复杂模具钢：T7A,T10A,CrWMn,Cr12等；大尺寸复杂形状模具用4Cr5MoSiV•复杂精密成形模具钢：18CrMnNi,12Cr2Ni4WA。下料锻造正火粗加工渗碳淬火低温回火镀铬装配抛光抛光下料锻造球化退火粗加工调质精加工镀铬装配抛光抛光•加工塑料具有强腐蚀性时：马氏体不锈钢1Cr13,2Cr13。6.4.3量具用钢量具钢：用于制造度量工件尺寸的工具材料,如千分尺、卡尺、块规、塞规等。6.4.3量具用钢1.工作条件:保证长期存放和使用中尺寸不变，形状不变存放使用时不磨损、不腐蚀渐开线花键环规、塞规矩形花键环规、塞规光面量规6.4.3量具用钢2.性能要求量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。•⑴高硬度和耐磨性。•⑵高的尺寸稳定性。•⑶足够的韧性。3.量具用钢⑴低碳钢渗碳、中碳钢表面淬火⑵碳素工具钢、低合金工具钢两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。⑶滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具.⑷不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。量块電子卡尺3.量具钢的热处理特点⑴淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。⑵下限温度淬火及冷处理。目的是减少A’。⑶长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。量规GCr15冶炼质量好，淬透性好，尺寸稳定性及耐磨性好，有优秀的量具材料。其加工工艺与轴承钢类似：锻造正火球化退火淬火冷处理（-60~-80°C）低温回火机加工成型磨削去应力回火涂油保存8.5.3硬质合金•现代高效率加工工具材料的性能要求高速切削高效加工成型高速钢不能满足要求极高耐磨性高红硬性高使用寿命•硬质合金：用粉末冶金方法制成原料粉末充分均匀混合加压成形加热烧结极细金属或金属与非金属粉末低于材料熔点以下某温度•硬质合金作用与分类：用于难熔难冶炼材料的生产加工包括金属陶瓷硬质合金及钢结硬质合金1.金属陶瓷硬质合金•特点：硬度高（HRC69-81）；热硬性好（900~1000°C）金属陶瓷硬质合金：将极细的高熔点金属碳化物粉末（TiC,、WC等）与粘结剂（Co、Ni等金属粉末）混合加压成形，再高温烧结而成与高速钢刀具相比，切削速度提高4~7倍，使用寿命提高5~80倍•金属陶瓷硬质合金分类：钨钴类：YG3、YG6、YG8，其中数字表示钴的百分含量。钨钴钛类：YT5、YT15、YT30，其中数字表示TiC的百分含量。与YG类比，耐磨性好，耐热性更高，但强韧性低。YW类：该类硬质合金含有TaC，热硬性更高，主要用于制造切削耐热钢、不锈钢、高锰钢和高速钢等切削性能差的钢材的刀具2.钢结硬质合金•特点：基本保持金属陶瓷硬质合金的特点退火后可进行切削加工可进行淬火回火处理可以锻造焊接金属陶瓷硬质合金：将极细的高熔点金属碳化物粉末（TiC,、WC等）与粘结剂（合金钢粉末）混合加压成形，再高温烧结而成。加工工艺性能好