第4章 工具钢-2014

1、第四章第四章 工模具用钢工模具用钢主主 要要 内内 容容高合金工具钢高速工具钢（重点）高合金工具钢高速工具钢（重点）碳素及低合金工具钢碳素及低合金工具钢概述概述模具钢（冷作模具钢、热作模具钢）模具钢（冷作模具钢、热作模具钢）工具钢与结构钢的总体比较工具钢与结构钢的总体比较 结构钢结构钢 工具钢工具钢 成分成分-C： 中低中低C 中高中高C Me: 中偏低中偏低 中偏高中偏高组织组织: P（S,T）, B, M M,S,T热处理：热处理： 退退 正正 淬淬 回回 淬火回火淬火回火性能：性能： 综合性能（强韧）综合性能（强韧） (热热)硬，强硬，强应用：应用： 工程或制造结构工程或制造结构 各种工

2、模具各种工模具4.1 4.1 概述概述一一. . 分类分类 按用途按用途，可分为刃具钢、模具钢和量具钢。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。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。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和形状. . 按成分按成分，可分为碳素工具钢、低合金工具和高合金工具钢。，可分为碳素工具钢、低合金工具和高合金工具钢。二二. . 成分成分- -组

3、织组织- -性能要求性能要求 使用性能要求使用性能要求 硬度与耐磨性，热硬性，强度硬度与耐磨性，热硬性，强度 韧性，塑性韧性，塑性 热疲劳性能热疲劳性能 工艺性能工艺性能 淬透性，变形与开裂倾向淬透性，变形与开裂倾向 氧化与脱氧化与脱C C敏感性敏感性 切削加工性，磨削性切削加工性，磨削性硬度、耐磨性与韧性间的合理平衡硬度、耐磨性与韧性间的合理平衡基体成基体成分和分和K的性质、数量、形态和分布。的性质、数量、形态和分布。主要主要矛盾矛盾成分成分组织组织 一般含一般含 0.61.3%C M+0.61.3%C M+足够数量足够数量K K 。MM组织组织硬度高、切断抗力较高、耐磨性好。硬度高、切断抗

4、力较高、耐磨性好。 CrCr、WW、MoMo、V V等等: : 淬透性、耐磨性和热稳定性；淬透性、耐磨性和热稳定性；MnMn、SiSi辅助加入辅助加入: : 淬透性，回稳性淬透性，回稳性第二相第二相K K 球状、细小、均匀分布。球状、细小、均匀分布。工艺特点 锻造锻造 球化退火球化退火不完全淬火不完全淬火 淬火工艺参数要求严格。变形开裂倾向大。淬火工艺参数要求严格。变形开裂倾向大。工艺措施热热 应应 力力组织应力组织应力变形变形开裂开裂 分级加热、分级淬火、等温淬火、分级加热、分级淬火、等温淬火、双液淬火双液淬火; ;零件设计与其他工艺措施等零件设计与其他工艺措施等工具钢基本性能及检测方法 强

5、度强度塑性塑性静弯或扭转试验静弯或扭转试验弯曲强度、挠度和弯曲强度、挠度和扭转强度、扭转角扭转强度、扭转角韧性韧性硬度硬度热稳热稳定性定性一般采用无缺口冲击试样一般采用无缺口冲击试样一般硬度一般硬度60 HRC以上，以上，K可适当可适当硬硬度度23 HRC对高速钢，通常就是红硬性对高速钢，通常就是红硬性4.2 4.2 碳素钢及低合金工具钢碳素钢及低合金工具钢一一. . 碳素工具钢碳素工具钢 成分成分：中高：中高C C钢，钢，0.65-1.35%0.65-1.35% 组织组织：高：高C C回火马氏体回火马氏体 + + 细粒状细粒状K K，HRC58-64HRC58-64。 牌号牌号：T7-T13

6、T7-T13。T7-T13T7-T13做低速切削的刃具和简单的冷冲做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸小于模。淬透性低，断面尺寸小于15 mm15 mm的工具。的工具。 T7 有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等；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；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、铣刀等受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等。 热处理：热处理：球化退火球化退火 + + 淬火与低温回火淬火与

7、低温回火 淬火冷却方式常用水淬火冷却方式常用水- -油双液淬火、分级淬火油双液淬火、分级淬火. . 性能性能： 成本低，冷热性能较好，热处理简单，应用范围较宽。成本低，冷热性能较好，热处理简单，应用范围较宽。 不足处：不足处： 1 1）淬透性低）淬透性低, , 盐水中淬火盐水中淬火, , 变形开裂倾向大。变形开裂倾向大。 2 2）组织稳定性差）组织稳定性差, ,热硬性低热硬性低, ,工作温度小于工作温度小于200 200 。 应用：应用：制作工件尺寸较小、受热温度不高、形状简单、不制作工件尺寸较小、受热温度不高、形状简单、不受较大冲击的工具如受较大冲击的工具如 低速切削的刃具和简单的冷冲模。低

8、速切削的刃具和简单的冷冲模。成成本低、工艺性能好、用量大。本低、工艺性能好、用量大。二二. . 低合金工具钢低合金工具钢 加入合金元素：加入合金元素：如如Si, Mn, Cr, W, Mo, VSi, Mn, Cr, W, Mo, V 合金元素作用：合金元素作用：提高硬度及耐磨性；提高淬透性；提高硬度及耐磨性；提高淬透性；提高回火稳定性好；细化晶粒；提高韧性；增大提高回火稳定性好；细化晶粒；提高韧性；增大热硬性。热硬性。 钢种：钢种：Cr06, Cr, Cr2, 9Cr2Cr06, Cr, Cr2, 9Cr2, 9SiCr, 8MnSi, , 9SiCr, 8MnSi, CrMn, CrWMn

9、, CrW5, W, V CrMn, CrWMn, CrW5, W, V 不足：不足：热硬性差热硬性差, , 难以满足高速切削的需要。难以满足高速切削的需要。 淬火工艺T淬淬为为Ac1 +3050油冷，或熔盐分级淬火，油冷，或熔盐分级淬火，或等温淬火或等温淬火(B等温淬火和等温淬火和M等温淬火等温淬火) 一般组织含碳量含碳量0.50.6的的M+未溶粒状未溶粒状K合金化 Cr、Si、W、Mo、Mn 、V等元素，等元素，耐磨性和回稳性，耐磨性和回稳性，淬透性淬透性采用采用缓冷方式，缓冷方式，变形开裂。变形开裂。9SiCr： Si / Cr: 淬透性，淬透性，D油油60HRC； K细小、均细小、均

10、匀匀不容易崩刃；不容易崩刃； 分级淬火或等温淬火处理，变形较小；分级淬火或等温淬火处理，变形较小； Si使钢的脱碳倾向较大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。是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。CrWMn： Cr、W、Mn复合，复合，淬透性，淬透性，D油油=5070mm； AR在在1820%，淬火后变形小；，淬火后变形小； 含含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒碳化物较多且较稳定，晶粒细小细小高硬度、高耐磨性；高硬度、高耐磨性； 回稳性较好，回稳性较好，250回火，回火，60HRC； W使碳化物易形

11、成网状。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等，也可做量具及形状较复杂的高精度冲模。4.3 4.3 高速工具钢高速工具钢一一. . 高速钢概述高速钢概述 用途：用途：适用于高速切削刀具，也可制作高温工作的弹簧、适用于高速切削刀具，也可制作高温工作的弹簧、轴承和模具。轴承和模具。 特点：特点：合金度高，高热硬性（刃部在合金度高，高热硬性（刃部在650650时实际硬度仍时实际硬度仍高于高于HRC50 HRC50 ）。）。 主要性能：主要性能：高硬度，高热硬性，高耐磨性，高强度和一定高硬度，高

12、热硬性，高耐磨性，高强度和一定的韧性。的韧性。 主要成分：主要成分：C, W, Mo, Cr, V, Co, Nb, Al, SiC, W, Mo, Cr, V, Co, Nb, Al, Si。 分类：分类：通用型及特殊高性能高速钢。通用型及特殊高性能高速钢。上左上左: :直、锥柄加长麻花钻直、锥柄加长麻花钻上右上右: :整体硬质合金钻头铣整体硬质合金钻头铣 刀刀、铰刀铰刀、复合刀具复合刀具下左下左: :各种合金车刀各种合金车刀 W系系 W18Cr4V W、Mo系系 W6Mo5Cr4V2 Mo系系 Mo8Cr4VW 高高C高高V 含含Co高高V通用型通用型高速钢高速钢特殊高性能高速钢特殊高性能

13、高速钢高速钢的分类高速钢的分类钢钢 号号CWMoVCrCoW18Cr4V0.8018.0010%AR + K1 （约（约15-20%）回火回火组织组织回火回火组织组织M回回 + M +少量少量AR（5-8%）+ K2（约（约2025%）M回回 + (少量少量M) + AR (25%) W18Cr4V钢回火一次金相组织钢回火一次金相组织 （400X） W18Cr4V钢回火三次的金相组织钢回火三次的金相组织 （400X） 五、新型工具钢及表面改性技术五、新型工具钢及表面改性技术 日本神户钢铁公司开发粉末工具钢日本神户钢铁公司开发粉末工具钢Fe18Cr2Mo1V2.2C( KAD181)，经，经HI

14、P后不用锻造，具有很好的性能，在模后不用锻造，具有很好的性能，在模具、辊子、刀具等方面应用很广泛。具、辊子、刀具等方面应用很广泛。 美国美国开发坩埚粉末冶金法（开发坩埚粉末冶金法（CPM）韧性和耐磨性韧性和耐磨性,使用寿命。如使用寿命。如CRM T440V(Fe17Cr0.4Mo5.5V)的耐蚀的耐蚀性与不锈钢性与不锈钢T-440C差不多，但耐磨性是差不多，但耐磨性是T-440C的几倍，的几倍，制成的造球机刮刀，其实际使用寿命是制成的造球机刮刀，其实际使用寿命是T-440C的的20倍倍. 经济合金化经济合金化是高速钢的一个发展方向，在不降低性能是高速钢的一个发展方向，在不降低性能的前提下尽可能

15、降低钢中的的前提下尽可能降低钢中的W W含量含量 采用表面强化方法，通过化学热处理或在刃具表面覆层： 1）表面氮化（如辉光离子氮化、气体软N化）、硫氮共渗或硫氮硼等多元共渗、蒸气处理等；2）PVD法在工件表面沉积TiC或TiN覆层，具有高硬度、高耐磨性、抗粘着性和抗咬合性，显著提高工件使用寿命。n 工模具表面技术:4.4 4.4 冷作模具钢冷作模具钢 一一. . 概述概述 冷作模具钢是用来制作使金属冷变形的模具，如冷作模具钢是用来制作使金属冷变形的模具，如冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁拉丝等模具。冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁拉丝等模具。 具有高硬度和耐磨性，一定韧性。具有高硬度和耐磨性，一定韧性。典型冲

16、压模及产品典型冲压模及产品常用两类常用两类 1 1）中小型模具）中小型模具 如如 T12 T12、Mn2VMn2V、Cr2Cr2、CrWMnCrWMn等。等。 2 2）大型模具）大型模具 高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高碳中铬钢、低高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高碳中铬钢、低C C高速高速钢钢 或基体钢。或基体钢。 如：如：Cr12, Cr12MoVCr12, Cr12MoV（高碳高铬钢）（高碳高铬钢） Cr6WV, Cr4W2MoV, Cr5Mo1V Cr6WV, Cr4W2MoV, Cr5Mo1V（高碳中铬钢）（高碳中铬钢） 6W6Mo5Cr4V2; 5Cr4W3Mo2VNb 6W6Mo5

17、Cr4V2; 5Cr4W3Mo2VNb （低（低C C高速钢）高速钢） 50Cr4Mo3W2V50Cr4Mo3W2V， 60Cr4Mo3Ni2WV 60Cr4Mo3Ni2WV（基体钢）（基体钢）二二. . 高铬和中铬模具钢高铬和中铬模具钢 Cr12Cr12及及Cr12MoVCr12MoV 高高C C亚共晶莱氏体钢，亚共晶莱氏体钢，CrCr7 7C C3 3型，型，HV2100HV2100，具有高淬透性。，具有高淬透性。 Cr12MoV Cr12MoV可用可用两种热处理工艺两种热处理工艺：1 1）低温淬火和低温回火）低温淬火和低温回火, M+Ar(, M+Ar(少少) )，HRC 61-63HR

18、C 61-63；2 2）高温淬火与高温回火，）高温淬火与高温回火，M+Ar(M+Ar(多），多次回火，提高硬度。多），多次回火，提高硬度。 三三. . 新型冷作模具钢新型冷作模具钢1. 1. 高韧性、高耐磨性模具钢高韧性、高耐磨性模具钢 8Cr8Mo2VSi 8Cr8Mo2VSi、Cr8Mo2V2WSiCr8Mo2V2WSi等。等。 2. 2. 粉末冶金冷作模具钢粉末冶金冷作模具钢 用水雾化法将钢水雾化成细小钢粉末，通过快速凝固，用水雾化法将钢水雾化成细小钢粉末，通过快速凝固，每颗粉末中的高合金莱氏体得到细化，显著改善烧结后钢每颗粉末中的高合金莱氏体得到细化，显著改善烧结后钢的韧性。可以生产用传统冶金方法难以生产的高碳高合金的韧性。可以生产用传统冶金方法难以生产的高碳高合金冷作模具钢。使钢中含有更多的硬质碳化物冷作模具钢。使钢中含有更多的硬质碳化物VCVC，具有更，具有更高的耐磨性。高的耐磨性。 4.5 4.5 热作模具钢热作模具钢 n 金属的热成型主要有两种途径金属的热成型主要有两种途径 锤锻、挤压；锤锻、挤压； 压铸压铸n 工作条件对热作模具钢提出的热性能要求工作条件对热作模具钢提出的热性能要求 高温硬度、高温强度、高抗热塑性变形能力、高高温硬度、高温强度、高抗热塑性变形能力、高韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性。韧性、高抗热疲劳、