第7章 工具钢

1、第第7 7章章 工工 具具 钢钢7.1 7.1 刃具钢刃具钢7.2 7.2 模具钢模具钢7.3 7.3 量具钢量具钢：用于制造各种加工工具的钢种：用于制造各种加工工具的钢种 。车刀车刀高速铣刀高速铣刀车削加工车削加工铣削加工铣削加工刃具钢刃具钢 模具钢模具钢 量具钢量具钢 工具钢工具钢模具模具按成分分类按成分分类碳素工具钢碳素工具钢 低合金工具钢低合金工具钢 高速钢高速钢 工具钢工具钢碳素工具钢材料碳素工具钢材料低合金工具钢制品低合金工具钢制品高速钢铣刀高速钢铣刀7.1 刃具钢刃具钢 7.1.1 刃具钢的服役条件和性能要求刃具钢的服役条件和性能要求 服役条件：服役条件： 刃具钢在切削过程中承受

2、弯曲、剪切、冲击、刃具钢在切削过程中承受弯曲、剪切、冲击、扭转、震动、摩擦等力的作用，产生热量，使得刀扭转、震动、摩擦等力的作用，产生热量，使得刀刃温度高达刃温度高达600，要求刃具钢具有高硬度、高耐，要求刃具钢具有高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韧性。有的还要求高的红硬性磨性、一定的塑性和韧性。有的还要求高的红硬性（在高温下保持高硬度的能力）。（在高温下保持高硬度的能力）。 (HRC60)，主要取决于含碳量。，主要取决于含碳量。 ，靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来，靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。达到。，以防止脆断和崩刃。，以防止脆断和崩刃。，即钢在高温下（，即钢在高温下（500600）

3、保持）保持高硬度（高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。工刀具必备的性能。q性能要求：性能要求：1) W(C):0.651.35，经不完全淬火和低温回，经不完全淬火和低温回火，硬度在火，硬度在HRC5864之间；之间；2）作低速切削的刃具，工作温度）作低速切削的刃具，工作温度200 ；3）淬透性差，易淬火变形或开裂；）淬透性差，易淬火变形或开裂；4）成本低，加工性能好。）成本低，加工性能好。7.1.2 碳素工具钢（碳素工具钢（T7-T13） 碳素工具钢的特点碳素工具钢的特点 1）碳素工具钢须经球化退火（预先热处理）以降低硬）碳素工具钢须经球

4、化退火（预先热处理）以降低硬度便于切削加工、并为淬火作组织准备；度便于切削加工、并为淬火作组织准备； 若锻造组织不良（如网状碳化物），则应在球化退火若锻造组织不良（如网状碳化物），则应在球化退火之前先进行正火处理，以消除网状碳化物。之前先进行正火处理，以消除网状碳化物。 碳素工具钢的热处理碳素工具钢的热处理2）最终热处理为淬火低温回火（回火温度一般为）最终热处理为淬火低温回火（回火温度一般为180180200200），正常组织为），正常组织为。 碳素工具钢的用途碳素工具钢的用途 由于碳素工具钢热硬性、淬透性差，只用于制造小由于碳素工具钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。尺

5、寸的手工工具和低速刃具。制造承受冲击的工具，如木工工具：冲制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。子、凿子、锤子等。木工凿木工凿木工钻木工钻：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。丝锥丝锥锉刀锉刀手锯条手锯条钻头钻头 在碳素工具钢基础上添加在碳素工具钢基础上添加等合金元素（总含量等合金元素（总含量5），以提高工具钢的综合性能。），以提高工具钢的综合性能。7.1.3 低合金刃具钢低合金刃具钢丝锥丝锥板牙板牙低合金工具钢扳手低合金工具钢扳手 1 1）：0.750.751.5%C1.

6、5%C，保证足够的碳化物存在；，保证足够的碳化物存在； 成分特点成分特点 2 2）合金元素的作用：）合金元素的作用： 主要添加主要添加CrCr、MnMn、SiSi等，等，提高钢的淬透性（如提高钢的淬透性（如CrCr、 MnMn、SiSi）和回火稳定性（如和回火稳定性（如SiSi），可用油淬代替盐），可用油淬代替盐 浴淬火，减少变形开裂；浴淬火，减少变形开裂； 次要元素次要元素W W、V V的添加，可在的添加，可在淬火加热时，形成合金淬火加热时，形成合金 渗碳体（较稳定），阻碍奥氏体晶粒长大，改善钢渗碳体（较稳定），阻碍奥氏体晶粒长大，改善钢 的韧性的韧性( (如如W W、V)V)。 由于添加的

7、合金元素主要是淬透性元素，而不是含量由于添加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较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等等)，故仍不具备热，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的硬性特点，刀具刃部的。 因此这类钢仍然属于低速切削刃具钢，因此这类钢仍然属于低速切削刃具钢， 低合金刃具钢的热处理低合金刃具钢的热处理同于碳素工具钢，只是淬火介质为油同于碳素工具钢，只是淬火介质为油( (碳素工具钢为水碳素工具钢为水) )。 最终热处理的正常组织为最终热处理的正常组织为。7.1.4 高速钢高速钢高速钢铣刀高速钢铣刀 在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达

8、600以上，低以上，低合金钢刃具已不能满足这种要求。因此，就必须选用高速钢，合金钢刃具已不能满足这种要求。因此，就必须选用高速钢，它在它在650时，仍能使硬度保持时，仍能使硬度保持HRC50以上，从而保证其切削以上，从而保证其切削性能和耐磨性。性能和耐磨性。 高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢增加增加13倍，而耐用性增加倍，而耐用性增加714倍，因此，高速钢在机械制倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。造工业中被广泛地采用。 根据钢中的化学成分，高速钢可分为根据钢中的化学成分，高速钢可分为钨系高速钢钨系高速钢、钼系钼系高速钢

9、高速钢和和钨钼系高速钢钨钼系高速钢。其中钨系的。其中钨系的W18Cr4V和钨钼系的和钨钼系的W6Mo5Cr4V2是应用最普遍的，属于通用型高速钢。是应用最普遍的，属于通用型高速钢。 性能特点性能特点它可使刀具在高速切削时，刃部温度上它可使刀具在高速切削时，刃部温度上 升到升到600，其硬度仍然维持在，其硬度仍然维持在5560HRC以上；以上；使切削时刀刃保持锋利（故也称使切削时刀刃保持锋利（故也称 “锋钢锋钢”）；）；在空气中冷却也可得到马氏体。广泛用在空气中冷却也可得到马氏体。广泛用 于尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速于尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速 切削刀具。

10、切削刀具。 成分特点成分特点强化基体并形成各种碳化物来保证钢的硬强化基体并形成各种碳化物来保证钢的硬度、耐磨性和热硬性，度、耐磨性和热硬性，w(C)=0.033w(W)+ 0.063w(Mo)+ 0.20w(V)+ 0.060w(Cr)； 提高淬透性和回火稳定性，增加钢的抗氧化、提高淬透性和回火稳定性，增加钢的抗氧化、耐蚀性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用；耐蚀性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用；产生二次硬化保证钢的热硬性，也有提高淬透性和产生二次硬化保证钢的热硬性，也有提高淬透性和热稳定性、并进一步改善钢的硬度和耐磨性的作用热稳定性、并进一步改善钢的硬度和耐磨性的作用 形成细小稳定的形成细小

11、稳定的VC来细化晶粒，同时也有加强热硬性、来细化晶粒，同时也有加强热硬性、进一步提高硬度和耐磨性的作用；进一步提高硬度和耐磨性的作用； 5）Co、Al：是超硬高速钢中的非碳化物形成元素，能进是超硬高速钢中的非碳化物形成元素，能进一步提高钢的热硬性和耐磨性。一步提高钢的热硬性和耐磨性。6）其他微量元素：）其他微量元素：可降低可降低S S在晶界的偏聚，明显在晶界的偏聚，明显改善热塑性。改善热塑性。 下料下料锻造锻造退火退火机加工机加工淬火（淬火（冷处理）冷处理） 回火回火磨削（磨削（表面强化处理）表面强化处理） 利用高速钢制作刃具的加工工艺路线利用高速钢制作刃具的加工工艺路线 高速钢的锻造高速钢的

12、锻造 高速钢中大量合金元素的存在使其铸态组织含有大量高速钢中大量合金元素的存在使其铸态组织含有大量共晶共晶，有大量的不均匀分布的粗大的，有大量的不均匀分布的粗大的，难于通过热处理来改善，故要求进行反复的锻造以，难于通过热处理来改善，故要求进行反复的锻造以改善碳化物的形态与分布。改善碳化物的形态与分布。 W18Cr4V钢的铸态组织钢的铸态组织其锻造要点有：其锻造要点有： 即开始锻造和终止锻造时要轻锻，中间即开始锻造和终止锻造时要轻锻，中间温度范围要重锻；温度范围要重锻； 即锻造过程中温度和变形量的均匀性；即锻造过程中温度和变形量的均匀性； 等等 。 高速钢在空气中冷却即可进高速钢在空气中冷却即可

13、进行马氏体转变，所以锻造以后，行马氏体转变，所以锻造以后，钢坯应缓慢冷却，以防止产生钢坯应缓慢冷却，以防止产生过高的应力导致开裂。过高的应力导致开裂。 高速钢的热处理高速钢的热处理( (预先热处理降低硬度预先热处理降低硬度207255HB) ) ( (80左右左右) )减少残余奥氏体减少残余奥氏体 ( (550570高温回火高温回火24 4次次) )高速钢经煅轧后，钢材需退火处理。高速钢经煅轧后，钢材需退火处理。 由于在由于在860860870870退火时，大部分碳化物未溶解进入退火时，大部分碳化物未溶解进入奥氏体，此时奥氏体中合金元素的含量不多，冷却时易转奥氏体，此时奥氏体中合金元素的含量不

14、多，冷却时易转化为粒状化为粒状P P和剩余碳化物。和剩余碳化物。500500 W18cr4V球化退火后的组织球化退火后的组织 淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金浓度越高。只有合金含量高的马氏体才具之后马氏体的合金浓度越高。只有合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时弥散析出合金碳化物产生有高的回火稳定性，在高温回火时弥散析出合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和红硬性。二次硬化，使钢具有高的硬度和红硬性。 高速钢中的合金碳化物高速钢中的合金碳化物M6C、M23C6和和MC比较稳定，必比较稳定，必须在高

15、温下将其溶解。须在高温下将其溶解。M23C6稳定性最差，在稳定性最差，在900大量溶解，大量溶解，1090溶解完毕；溶解完毕； M6C在在1037以上开始溶解，以上开始溶解，1250以上溶解量逐渐减小；以上溶解量逐渐减小； MC在在1100以上逐渐溶解，溶解速度比以上逐渐溶解，溶解速度比M6C缓慢。缓慢。 由图可知，在由图可知，在1280淬火温度下，淬火温度下，18-4-1钢奥氏体中合金元钢奥氏体中合金元素的质量分数，素的质量分数，Cr基本溶解，基本溶解，W溶解溶解7-8%，V溶解溶解0.5-1.0%。 温度超过温度超过1300时，各元素时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶的溶解量虽还有增

16、加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至在晶界处发生粒则急剧长大，甚至在晶界处发生溶化现象。使淬火钢的韧性大大下溶化现象。使淬火钢的韧性大大下降。所以，降。所以，1280作为淬火温度。作为淬火温度。 高速钢的淬火温度在高速钢的淬火温度在12001300左右，一般用油淬空左右，一般用油淬空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火。冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火。 高速钢淬火后的正常显微组织是：高速钢淬火后的正常显微组织是：马氏体碳化物马氏体碳化物残余奥氏体残余奥氏体(30%左右左右) 。目的是从马氏体中析出目的是从马氏体中析出M2C和和MC弥散碳化物，弥散碳化物，产生次生硬化效应和消除残余奥氏体和淬火内应

17、力。产生次生硬化效应和消除残余奥氏体和淬火内应力。 三次回火工艺，以保证完全消除残余奥氏体以及新三次回火工艺，以保证完全消除残余奥氏体以及新产生马氏体引起的内应力。产生马氏体引起的内应力。 W18Cr4V W18Cr4V在在560560回火时，回火时，W2CW2C、Mo2CMo2C和和VCVC等碳化物等碳化物的析出产生二次硬化效应，硬度达到最大值。的析出产生二次硬化效应，硬度达到最大值。 高速钢的表面强化处理高速钢的表面强化处理 表面强化处理可有效地提高高速钢刀具的切削效率表面强化处理可有效地提高高速钢刀具的切削效率和寿命，因而受到了普遍重视和广泛的应用。可进行的和寿命，因而受到了普遍重视和广

18、泛的应用。可进行的表面强化处理方法很多，常见的主要有：表面强化处理方法很多，常见的主要有：（如渗氮）（如渗氮）( (化学、物理气相沉积化学、物理气相沉积TiN涂层涂层) )( (刀具寿命可提高百分几十到几倍甚至十倍以上刀具寿命可提高百分几十到几倍甚至十倍以上)7.2 7.2 模模 具具 钢钢 模具是用于进行压力模具是用于进行压力加工的工具，根据其工作加工的工具，根据其工作条件及用途不同，常分为条件及用途不同，常分为、和和（其中主要是塑料（其中主要是塑料模）等三大类。模）等三大类。汽车冲压模具汽车冲压模具 1）工作温度工作温度200200300300；2 2）模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；

19、）模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；3 3）模具应具有高硬度、高耐磨性、高强度和足够韧性；）模具应具有高硬度、高耐磨性、高强度和足够韧性；4 4）冷作模具对淬透性、耐磨性尤其对韧性要求较高。）冷作模具对淬透性、耐磨性尤其对韧性要求较高。7.2.1 7.2.1 冷作模具钢冷作模具钢 因此，冷作模具钢应是因此，冷作模具钢应是并多在并多在状态下使用。状态下使用。 1 1）碳素工具钢）碳素工具钢(T10(T10、T10A)T10A) 尺寸较小的冷作模具钢尺寸较小的冷作模具钢 2 2）低合金工具钢）低合金工具钢(9SiCr(9SiCr、9Mn2V)9Mn2V) 中小尺寸模具钢中小尺寸模具钢 3 3）中

20、、高铬模具钢）中、高铬模具钢(Cr12(Cr12、Cr12MoV)Cr12MoV) 尺寸大、形状复杂、精度高的重载模具尺寸大、形状复杂、精度高的重载模具 4 4）高速钢类模具钢）高速钢类模具钢(W6Mo5Cr4V2(W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V)6W6Mo5Cr4V) 冷、热模具钢均可冷、热模具钢均可 常用的冷作模具钢常用的冷作模具钢Cr12钢钢 冷作模具钢的制作工艺冷作模具钢的制作工艺(Cr12、Cr12MoV) 下料下料 锻造 退火 机械加工 淬火 回火 精磨 成品热处理工艺：热处理工艺：（）预备热处理：球化退火（）预备热处理：球化退火目的：消除应力，降低硬度以便于切削加工。

21、退火硬度为目的：消除应力，降低硬度以便于切削加工。退火硬度为(207255) 组织：球状珠光体组织：球状珠光体+均匀分布碳化物均匀分布碳化物（）最终热处理：（）最终热处理：淬火淬火+低温回火低温回火组织：组织：M回回弥散粒状碳化物少量弥散粒状碳化物少量A残残。除此之外，高速钢由于其优异的工艺和使用性能，也是很好的除此之外，高速钢由于其优异的工艺和使用性能，也是很好的高档冷作模具用钢高档冷作模具用钢 工作条件和性能要求工作条件和性能要求1 1）工作温度高（热锻模：）工作温度高（热锻模：300300400400；热挤压模热挤压模：500500800800，甚至近甚至近10001000）；）；2 2

22、）模具在）模具在交替加热冷却的温度循环交替加热冷却的温度循环中中产生交变热应力产生交变热应力，常出现常出现变形、磨损、开裂和热疲劳等失效形式变形、磨损、开裂和热疲劳等失效形式；3 3）模具）模具应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。 7.2.2 7.2.2 热作模具钢热作模具钢热模锻曲轴毛坯热模锻曲轴毛坯热镦模热镦模凸缘模凸缘模 常用热作模具钢常用热作模具钢 含碳量：含碳量：(0.30.6)%，保证了淬火高温回火后钢材的硬度和，保证了淬火高温回火后钢材的硬度和韧性；常加入韧性；常加入C

23、r、Ni、Mn、Mo、Si 、W等合金元素。等合金元素。型板压铸模型板压铸模压铸工艺压铸工艺 热作模具钢的制作工艺热作模具钢的制作工艺（4Cr5MoSiV1）下料下料锻造退火机械加工淬火回火精加工最终热处理为：淬火最终热处理为：淬火+高温（或中温）回火高温（或中温）回火组织：回火索氏体（或回火屈氏体），具有良好的综合组织：回火索氏体（或回火屈氏体），具有良好的综合机械性能及热疲劳抗力。机械性能及热疲劳抗力。注意：回火温度应稍高于模面工作温度注意：回火温度应稍高于模面工作温度7.3 7.3 量具钢量具钢 量具是度量工件尺寸形量具是度量工件尺寸形状的工具，是计量的基准，状的工具，是计量的基准，如卡尺、块规、塞规及千分如卡尺、块规、塞规及千分尺等。尺等。卡尺卡尺塞规塞规千分尺千分尺 由于量具使用中常与工件由于量具使用中常