工程材料学第4章工具钢.ppt

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1、第四章 工具钢,工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢，但实际应用界限并非绝对 4-1刃具用钢用途 主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等,铣刀,英制模板刀,刃具切削时受工件的压力，刃部与切屑之间产生强烈的摩擦；由于切削发热，刃部温度可达500600；此外，还承受一定的冲击和震动性能要求 1）高硬度 金属切削刀具的硬度一般都在60HRC以上 2）高耐磨性 不仅取决于钢的硬度，而且与钢中硬化物的性质、数量、大小和分布有关 3）高热硬性 热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）。热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关 4）足够的塑性和韧性 以防刃具受冲击震动时折断和

2、崩刃。合金元素含量、使用性能分为-低合金刃具钢（低合金工具钢）、高合金刃具钢（高速钢）,一 低合金刃具钢,这类钢的最高工作温度不超过300,其主要特点：1 成分特点：(1)高碳 保证刃具有高的硬度和耐磨性，碳含为0.9-1.1%(2)加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素 Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高回火稳定性;W、V能提高硬度和耐磨性、并防止加热时过热保持晶粒细小,2 加工及热处理特点锻造、球化处理、机加工、淬火、低温回火A 锻造（过共析钢）-成型、改善碳化物的分布（均匀性）B 球化退火目的-改善切削加工；组织准备球化退火加热温度：Ac1+2030保温，r+cem，网状

3、cem，部分溶入r中，剩余的以点、链状分布于r中；同时r中的不均匀性增大cem），保证二次cem自发球化,C 淬火+低回淬火温度适宜：淬火组织：高CM+剩余Cem+少A回火组织：回火马氏体+剩余碳化物+少量残余A s HB60HRC以上3 钢种及牌号 表 典型钢种为9SiCr 加工过程 球化退火、机加工，然后淬火和低温回火。热处理后的组织为回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体。,二 高速钢,高速钢是高合金刀具钢,具有很高的热硬性在高速切削的刃部温度达600时，硬度无明显下降 1 成分特点：(1)高碳 碳含量在o70以上最高可达15左右，它一方面要保证能与w、c r、v等形成足够数量的碳化物；另方

4、面还要有一定数量的碳溶于奥 氏体中，以保证马氏体的高硬度,(2)加入铬提高淬透性 几乎所有高速钢的含铬均为4。铬的碳化物(Cr23C6)在淬火加热时几乎全部溶于奥氏体中，增加过冷奥氏体的稳定大大提高钢的淬透性，铬还提高钢的抗氧化、脱碳能力。,(3)加入w、Mo保证高的热硬性 退火状态下w或Mo主要以M6c型的碳化物形式存在。淬火加热时，一部分(Fe，w)6C等碳化物溶于奥氏体中，淬火后存在于马氏体中，在560左右回火时，碳化物以W2c或M02c形式弥散析出，造成二次硬化。这种碳化物在500一600温度范围内非常稳定，不易聚集长大，从而使钢产生良好的热硬性。淬火加热时，未溶的碳化物能起阻止奥氏体

5、晶粒长大及提高耐磨性的作用。W18Cr4V、T12、9SiCr的硬度与温度的关系,（4）加入钒提高耐磨性 v形成的碳化物vc(或v4c3)非常稳定，极难溶解，硬度极高(大大超过w2c的硬度)且颗粒细小，分布均匀，因此对提高钢的硬度和耐磨性有很大作用。钒也产生二次硬化，但因总含量不高，对提高热硬性的作用不大。（5）加Co提高红硬性 3、5、8%成本高，对Co的机理还不完善,2 加工、热处理特点(1)锻造 高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,大大降低钢的机械性能，特别是韧性。这些碳化物不能用热处理来消除只能依靠锻打来击碎，并使其均匀分布。因此高速钢的锻造具有成

6、形和改善碳化物的两重作用，是非常重要的加工过程。为了得到小块均匀的碳化物，高速钢需经反复多次的墩拔。高速钢的塑性、导热性较差，锻后必须缓冷。如图,（2）球化退火：目的高速钢锻后进行退火，以便于机加工，并为淬火做好组织准备。退火后的组织为索氏体基体和在其中均匀分布的细小粒状碳化物。退火 T Ac1+20-30 退火组织 基体上分布粒状Cem（3）预热：高速钢的导热性很差，淬火温度又高，所以淬火加热时，必须进行一次预热（800850）或两冷预热（500600、800850）。,（4）淬火：高速钢中含有大量W、Mo、Cr、V的难熔碳化物，它们只有在1200以上才能大量地溶于奥氏体中，以保证钢淬火、回

7、火后获得很高的热硬性，因此其淬火加热温度非常高，一般为12201280。淬火加热温度与硬度的关系 组织:淬火马氏体、剩余合金碳化物、大量残余奥体,（5）回火：高速钢通常在二次硬化峰值温度或稍高一些的温度（550570）回火三次。在此温度范围内回火时，W、Mo及V的碳化物从马氏体中析出，弥散分布，使钢的硬度明显上升；同时残余奥氏体转变为马氏体，也使硬度提高，由此造成二次硬化现象，保证了钢的硬度和热硬性(图)。进行多次回火，是为了逐步减少残余奥氏体量。W18Cr4V钢淬火后约有30%残余奥氏体，经一次回火后约剩15%18%，二次回火降到3%5%，第三次回火后仅剩1%2%。回火后的组织为回火马氏体、

8、细粒状碳化物及少量残余奥氏体如图。W18Cr4V工艺曲线,3 钢种及牌号 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢。W18Cr4V钢的热硬性较好,热处理时的脱碳和过热倾向较小。而W6Mo5Cr4V2钢的耐磨性、热塑性和韧性较好。见表,4-2冷作模具用钢 一 用途 模具钢一般分为冷模具钢热模具钢两大。冷模具钢一般用于制造各种冷冲模、冷墩模、冷挤压模和拉丝模等模、冷挤压模和拉丝模等、工作温度不超过200-300。,二 性能要求 冷模具工作时承受很大压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要损坏形式是磨损，也常出现崩刀、断裂和变形等失效现象。因此冷模具钢应具有以下基本性能：(1)高硬度，一般为HRC58-60

9、(2)高耐磨性(3)足够的韧性与疲劳抗力(4)热处理变形小,三 成分持点：(1)高碳 多在0.1以上有时达2%以保证获得高硬度和高耐磨性(2)加入Cr、Mo、W、V等合金元素 形成难溶碳化物，提高耐磨性，尤 其是加Cr，典型的Crl2型钢，铬含量高达12。铬与碳形成M7C3型碳化物、能极大地提高钢的耐磨性。铬还显著提高淬透性。,四热处理特点 冷模具钢的热处理特点与低合金刃具钢类似。高碳高铬冷模具钢的热处理方案有两种：(1)一次硬化法：在较低温度(959-1000）淬火，然后低温(150-180)回火，硬度可达HRC61-64，使钢具有较好的耐磨性和韧性适用于重载模具,(2)二次硬化法：在较高温

10、度(1100-1150)淬火然后于510-520多次（一般为三次回火，产生二次硬化，使硬度达HRC60-62，红硬性和耐磨性较高(但韧性较差)适用于在400-450温度下工作的模具。Cr12钢热处理后组织为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体,五钢种及牌号性能 冷作模具并未完全是自己的系列钢 常有的钢种见表 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 要求不高的冷模具用低合金刃具钢制造。Cr12大型冷模具用钢，热处理变形很小，制造重载和形状复杂的模具。冷挤压模工作时受力很大，条件苛刻，选用基体钢（成分与高速钢基体相同）或马氏体时效钢制造。,4-2热作模具用钢,一用途 热模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤

11、压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600以上。二性能要求 热模具钢工作中承受很大的冲击载荷，强烈的 塑性摩擦、剧烈的冷热循环所引起的不均匀热应变和热应力，以及高温氧化常出现崩裂、塌陷、磨损、龟裂等失效现象。,要求：(1)高的热硬性和高耐磨性(2)高的抗氧化能力；(3)高的热强性和足够高的韧性，尤其是受冲击较大(4)高的热疲劳抗力，以防止龟裂破杯。此外，由于热模具一般较大还要求有高的淬透性和导热性,三 成分持点：(1)中碳 碳含量一般为o3o6%；以保证高强度、高韧性、较高的硬度(HRC35-52)和较高的热疲劳抗力(2)加入较多的提高淬透性的元素Cr Ni Mn Si等 Cr是提高淬透性的

12、主要元素和Ni一起提高钢的回火稳定性。Ni在强化铁索体的同时还增加钢的韧性。并与cr、Mo一起提高钢的淬透性和耐热疲老性能（3）加入产生二次硬化的Mo、W、V等元素 Mo还能防止第二类回火脆性提成高温强度和回火稳定性,四热处理特点热作模具钢中热锻模钢的热处理和调质钢相似，淬火后高温（550 左右）回火，以获得回火索氏体或回火屈氏体组织；热压模钢淬火后在略高于二次硬化峰值的温度（600 左右）下回火，组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体，与高速钢类似。为了保证热硬性，要进行多次回火。五钢种及牌号性能 见表 5CrMnMo、5CrNiMo及5CrMnSiMoV 对韧性要求高而热硬性要求不太

13、高的热锻模。3Cr2W8V、4Cr5MoVSi 热强性更好的大型锻压模或压铸模,4-3量具用钢,用途：量具用钢用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、块规、塞规等,千分尺,游标卡尺,螺纹规,量具在使用过程中要求测量精度高，不能因磨损或尺寸不稳定影响测量精度 一.性能要求 1 高硬度和高耐磨（大于56HRC）2 高尺寸稳定性，热处理变形要小，在存放和 使用过程中，尺寸不发生变化 3 低的表面粗糙度 4 耐蚀性,二.成分特点 同低合金刃具钢，高碳和加入淬透性的元素三.量具用钢 尺寸小，形状简单，精度较低的选用碳素工具钢 T10A、T11A、T12A 复杂的精密量具低合金刃具钢9SiCr 精度要求高的

14、量具GCr15 CrWMn低合金刃具钢 CrWMn钢 淬透性较高，淬火变形小，主要用于制造高精度且形状复杂的量规和块规GCr15钢 耐磨性、尺寸稳定性较好，多用于制造高精度块规、螺旋塞头、千分尺9Cr18、4Cr13 在腐蚀介质中使用的量具见表,四 热处理特点 1）在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度，以减少残余奥氏体 2）淬火后立即进行70-80的冷处理，使残余奥氏体尽可能的转变为马氏体，然后进行低温回火,3）精度要求高的量具，在淬火，冷处理和低温回火后，尚需进行120-130，几小时至几十小时的时效处理，使马氏体正方度降低，残余的奥氏体稳定和消除残余应力。为了去除磨加工中产生的应力，有时还

15、要再磨加工后进行120-130，保温8h的时效处理，甚至进行多次。为了保证量具的精度，必须正确选材和采用正确的热处理工艺。例如高精度块规，是作为校正其它量具的长度标准，要求有极好的尺寸稳定性。因此常采用GCr15(或CrWMn)钢制造。其热处理工艺较复杂。经过处理的块规，一年内每10 mm长度的尺寸变量不超过0.1m0.2m GCr15钢块规热处理工艺曲线 作业,作业,1 为什么高速工具钢（W18Cr4V)淬火温度为1280，并要经过560三次回火？560是否是调质？为什么？2 说明下列牌号属于那种钢，并说明数字和符号的含义。W18Cr4V 9SiCr Cr12 5CrMnMo CrWMn 3Cr2W8V 3Cr2Mo3 块规一般采用何种材料，其热处理工艺特点什么？,返回,常用合金刃具钢牌号、成分、热处理及用途（摘自GB/T1299-2000、GB/T9943-1988）,返回,返回,返回,常用高速钢的牌号、成分、热处理及用途（摘自GB/T1299-2000、GB/T9943-1988）,W18Cr4V钢的热处理工艺过程示意图,返回,Fanhui,Fanhui,常用热作模具钢的牌号、成分、热处理及用途（摘自BG/T1299-2000）,Fanhui,量具用钢的选用举例,返回,GCr15钢块规热处理工艺曲线,返回,