第四章工具钢

1、第四章第四章 工具钢工具钢量量 具具刃刃 具具模模 具具 主要用于制造各种加工和测量工具的钢称工具钢。主要用于制造各种加工和测量工具的钢称工具钢。按其加工用途分为刃具、量具和模具用钢，按成按其加工用途分为刃具、量具和模具用钢，按成分不同也可分为碳素工具钢、低合金工具钢及高分不同也可分为碳素工具钢、低合金工具钢及高速钢。速钢。 要用于各类材料的加工制造，工具钢应具有高要用于各类材料的加工制造，工具钢应具有高硬度，高耐磨性及较高温度下的强硬性，即其强硬度，高耐磨性及较高温度下的强硬性，即其强度指标的要求是第一位的，因此工具钢有较高的度指标的要求是第一位的，因此工具钢有较高的含碳量（含碳量（0.71

2、.3%）；）； 同时为进一步提高高温硬度和耐磨性、淬透性及同时为进一步提高高温硬度和耐磨性、淬透性及防止其变形，常加入合金元素防止其变形，常加入合金元素Cr、W、Mo、V等，等，甚至是高含量的。甚至是高含量的。 为保证工具钢优秀性能，尤其是较好塑性韧性，为保证工具钢优秀性能，尤其是较好塑性韧性，钢中杂质含量尤其是钢中杂质含量尤其是S、P含量必须严格限制。含量必须严格限制。 由于工具钢一般含有较高的碳含量，其铸态组织由于工具钢一般含有较高的碳含量，其铸态组织常含有网状碳化物等缺陷；而当合金元素含量高常含有网状碳化物等缺陷；而当合金元素含量高时甚至出现共晶组织，时甚至出现共晶组织，因此工具钢必须进

3、行严格因此工具钢必须进行严格而充分的锻造热加工，以完全消除其铸造缺陷；而充分的锻造热加工，以完全消除其铸造缺陷； 预备热处理一般为球化退火（或正火预备热处理一般为球化退火（或正火+球化退火）球化退火）获得球状珠光体，这主要是为降低材料硬度以利获得球状珠光体，这主要是为降低材料硬度以利于切削加工，也是为最终热处理进行必需的组织于切削加工，也是为最终热处理进行必需的组织准备；准备； 当锻造冷却后材料的组织不均匀或有网状碳化物当锻造冷却后材料的组织不均匀或有网状碳化物时，预备热处理应为正火时，预备热处理应为正火+球化退火。工具钢的球化退火。工具钢的最终热处理工艺则主要由工具使用时的性能需求最终热处理

4、工艺则主要由工具使用时的性能需求而定。而定。 一般来说，工具钢的加工工艺过程为：一般来说，工具钢的加工工艺过程为：坯料坯料锻造锻造预备热处理预备热处理机械加工机械加工最终热最终热处理处理精加工及表面处理精加工及表面处理装配装配工具钢分类工具钢分类（1）刃具钢）刃具钢a、低合金刃具钢、低合金刃具钢b、高速钢、高速钢（2 2）模具钢）模具钢a a、冷作模具、冷作模具b、热作模具、热作模具（3 3）量具钢：）量具钢：l 刃具的工作条件及性能要求刃具的工作条件及性能要求刃具在切削材料时，其刃部不仅会与被切削材料及切屑发生强烈摩擦而刃具在切削材料时，其刃部不仅会与被切削材料及切屑发生强烈摩擦而发热（温度

5、甚至高于发热（温度甚至高于500(C）；同时还由于切削材料不均匀以及机械）；同时还由于切削材料不均匀以及机械原因，使不同方向切削力变化而对刃具产生冲击和震动，因而要求刃原因，使不同方向切削力变化而对刃具产生冲击和震动，因而要求刃具材料：具材料：(1) 高硬度、高耐磨性：一般其硬度高硬度、高耐磨性：一般其硬度60HRC，应远远大于工件硬度并保，应远远大于工件硬度并保证强化相数量多，分布均匀且稳定。证强化相数量多，分布均匀且稳定。 (2) 高的红硬性：红硬性是指钢在受热条件下仍能保持足够高的硬度和切高的红硬性：红硬性是指钢在受热条件下仍能保持足够高的硬度和切削能力的特性。工具的红硬性可以用多次高温

6、回火（如削能力的特性。工具的红硬性可以用多次高温回火（如600(C）后在）后在室温下测得的硬度值表示；或以保持材料一定的高硬度（如室温下测得的硬度值表示；或以保持材料一定的高硬度（如HRC60）而能使用的最高回火温度表示。因此这也表示钢抵抗多次高温回火软而能使用的最高回火温度表示。因此这也表示钢抵抗多次高温回火软化的能力，化的能力， 即是一个回火抗力问题，即高的红硬性要求钢有高的回即是一个回火抗力问题，即高的红硬性要求钢有高的回火抗力。火抗力。(3) 一定的强韧性：为保证刃具在工作中受到拉压弯扭和冲击等作用时不一定的强韧性：为保证刃具在工作中受到拉压弯扭和冲击等作用时不折断，不崩刃，刃具具有一

7、定的韧性是必须的。折断，不崩刃，刃具具有一定的韧性是必须的。第一节第一节 刃具钢刃具钢一、一、 低合金刃具钢低合金刃具钢返回返回1. 成分特点成分特点 碳含量碳含量： 为了保证合金量具刃具用钢具有高的硬度和为了保证合金量具刃具用钢具有高的硬度和高的耐磨性，其碳含量一般为高的耐磨性，其碳含量一般为0.75%1.5%。 合金元素：合金元素：Cr、Mn、Si、W、V主要作用是增加淬透性（主要作用是增加淬透性（Cr、Mn、Si等）等）细化晶粒（细化晶粒（W、V等）等）提高回火抗力及耐磨性（提高回火抗力及耐磨性（Cr、W、V、Si）低合金刃具钢的红硬性、耐磨性等比碳素刃具钢高。低合金刃具钢的红硬性、耐磨

8、性等比碳素刃具钢高。2. 典型牌号：典型牌号：9CrSi（9SiCr）、）、CrWMn ，Cr2，应用：拉刀、长丝锥、长铰刀（切削速度不高）应用：拉刀、长丝锥、长铰刀（切削速度不高）切削速度高时，刀具的工作温度可达切削速度高时，刀具的工作温度可达500600，低合金，低合金刃具钢不能满足其性能要求刃具钢不能满足其性能要求高速钢高速钢3. 热处理工艺热处理工艺 预备热处理预备热处理- 即在机加工之前进行正火及即在机加工之前进行正火及球化退火（球化退火（T8钢则可完全退火）组织为钢则可完全退火）组织为铁铁素体素体F + 细小均布的粒状渗碳体细小均布的粒状渗碳体，硬度硬度HB217； 最终热处理最终

9、热处理- 淬火淬火+低温回火，低温回火，组织为组织为M回回 + 粒状渗碳体粒状渗碳体+少量少量Ar（28%），），硬度达硬度达HRC6065。9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线钢板牙热处理工艺曲线板牙板牙硝 盐 分 级硝 盐 分 级淬火淬火分级加热分级加热二、高速钢二、高速钢1. 性能要求性能要求: 高硬度、高耐磨性、高的红硬性高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时时, 63HRC以上以上) 、有一定的强度、有一定的强度和韧性。和韧性。车刀车刀铣刀铣刀钻头钻头2. 化学成分特点化学成分特点:v高碳高碳 0.71.5%:v钨钨 18%:v钼钼 5%:v铬铬 4%:v钒钒1.5%: 保证高硬度保证

10、高硬度退火状态下形成退火状态下形成M6C碳化物碳化物,在在560左右回火时左右回火时, 弥散析弥散析出出W2C, 造成二次硬化造成二次硬化, 提高提高钢的红硬性钢的红硬性。1%Mo的作用等同于的作用等同于2%W。形成形成Cr23C6碳化物碳化物;提高钢的提高钢的淬透性淬透性。形成形成VC, 硬度极高硬度极高, 提高钢的提高钢的硬度和耐磨性硬度和耐磨性, 产生二次硬化。产生二次硬化。3. W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点钢的生产工艺及热处理特点铸造铸造 锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火+三次三次570回火回火 磨削加工磨削加工 铸造铸造:高速钢属于高速钢属于莱氏体钢莱氏体

11、钢,铸态组织铸态组织 中含有中含有大量呈鱼骨状分布的粗大量呈鱼骨状分布的粗 大共晶碳化物大共晶碳化物M6C,钢的韧性大钢的韧性大 幅下降。幅下降。 W18Cr4V钢的铸态组织图钢的铸态组织图W18Cr4V铸造组织 130 W18Cr4V钢的铸态组织图钢的铸态组织图W18Cr4V铸态组织 420 锻造锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依只能依 靠反复多次锻打来击碎。靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织 210 球化退火球化退火:消除应力消除应力,调整组织调整组织,便于机加工便于机加工, 为淬火作好组织准备。为淬火作好组织准备。球化退火后的组织球化退火

12、后的组织 : S + 粒状粒状 Cm W18Cr4V球化退火组织球化退火组织 420 W18Cr4V钢的热处理过程示意图钢的热处理过程示意图W18Cr4V钢淬火组织钢淬火组织 W18Cr4V淬火组织 300 正常淬火组织为隐晶马氏体正常淬火组织为隐晶马氏体+粒状碳化物粒状碳化物+(2025)%残余奥氏体残余奥氏体 高速钢常用回火工艺是：高速钢常用回火工艺是：(550570)(C保温保温1h，并，并重复重复(35)次才能保证充分消除应力，减少残余奥氏次才能保证充分消除应力，减少残余奥氏体数量，稳定组织。体数量，稳定组织。 其不同于其他材料的回火工艺的原因是由于马氏体中合金元素含量很高，只有在约(

13、550570)(C温度才产生马氏体的明显分解；且由于残余奥氏体多，第一次回火后仍有10%左右的残余奥氏体未转变，三次回火后残余奥氏体才基本转变完成。 在在560(C左右的二次硬化的原因左右的二次硬化的原因 一是回火时析出了高硬度的细小弥散分布的一是回火时析出了高硬度的细小弥散分布的WW、MoMo等的合金碳化物；等的合金碳化物； 二是每次回火冷却时发生残余奥氏体向马氏体转二是每次回火冷却时发生残余奥氏体向马氏体转变的二次淬火现象。高速钢回火后组织为：极细变的二次淬火现象。高速钢回火后组织为：极细的的MM回回 + + 较多粒状碳化物及少量较多粒状碳化物及少量ArAr（13%13%），），回火后硬度

14、为回火后硬度为HRC(6366)HRC(6366)。三次三次570回火回火在在570回火时回火时 , 产生产生二次硬化二次硬化。三次三次570回火回火*淬火后淬火后A残残约约2025 %。*第一次回火后第一次回火后A残残约剩约剩1518 %。*第二次回火后第二次回火后A残残约剩约剩35 %。*第三次回火后第三次回火后A残残约剩约剩12 %。回火后的组织回火后的组织: M回回 + Cm + A残残 ( 1 2 % )组织硬度为组织硬度为HRC65以上。以上。 W18Cr4V淬火淬火+ 一次回火组织一次回火组织W18Cr4V淬火+一次回火组织 105 W18Cr4V淬火淬火+ 三次回火组织三次回火

15、组织W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 第二节第二节 合金模具钢合金模具钢v热作模具钢热作模具钢:工作温度为工作温度为600以上。以上。v冷作模冷作模具具钢钢:工作温度为工作温度为200300。一、热作模一、热作模具具钢钢1.性能要求性能要求:l高的热硬性、高温耐磨高的热硬性、高温耐磨性性;l高的抗氧化能力高的抗氧化能力;l高的热强性和足够高的高的热强性和足够高的韧性韧性;l高的热疲劳抗力高的热疲劳抗力( 防止龟防止龟裂裂 );l高的淬透性和导热性高的淬透性和导热性; 曲轴模具曲轴模具2. 化学成分特点化学成分特点:（1）含碳量：）含碳量： 0.30.6 % （2）合金元素）合金元素:

16、l 加入加入Cr、Ni、 Mn、Mo、Si等合金元素以提高淬透性及材等合金元素以提高淬透性及材料的整体性能均匀性，提高回火稳定性并有固溶强化作用；料的整体性能均匀性，提高回火稳定性并有固溶强化作用；l Cr、W、Mo还形成碳化物提高了材料的耐磨性；还形成碳化物提高了材料的耐磨性；l W、Mo、V等碳化物在回火过程中析出，产生二次硬化，等碳化物在回火过程中析出，产生二次硬化，使模具钢在较高的温度下仍能保持相当高的硬度。使模具钢在较高的温度下仍能保持相当高的硬度。l 合金元素还可提高材料的共析温度，保证材料高温组织和合金元素还可提高材料的共析温度，保证材料高温组织和性能稳定性，提高了其抗热疲劳能力

17、。性能稳定性，提高了其抗热疲劳能力。.典型牌号：典型牌号：挤压模：挤压模：3Cr2W8V、H13（4Cr5MoSiV1） 锤锻模：锤锻模： 5CrNiMo、 5CrMnMo热作模具钢应用（热作模具钢应用（1）锤锻模、机锻模（水压机、磨擦压力机等）锤锻模、机锻模（水压机、磨擦压力机等）压铸模及热冲裁模等。工作温度压铸模及热冲裁模等。工作温度500600 机锻机锻模在模在700左右。通常是在淬火和带温回火状态左右。通常是在淬火和带温回火状态下使用，要求具有良好的综合机械性能。下使用，要求具有良好的综合机械性能。热作模具钢应用（热作模具钢应用（2）挤压模：挤压模：3Cr2W8V、H13（4Cr5Mo

18、SiV1）典型热处理工艺典型热处理工艺下料下料 锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火+高温回火高温回火 磨削加工磨削加工已知已知H13钢在钢在600回火回火1h1h的硬度为的硬度为HRC49,HRC49,根据图求出（根据图求出（1 1）（该钢在）（该钢在600 600 回火回火5h5h和和10h10h后的硬度为多少？（后的硬度为多少？（2 2）回火）回火5h5h和和10h10h后的硬度仍为后的硬度仍为HRC49HRC49，应分别在什么温度回火？应分别在什么温度回火？（1）5h时， HRC4710h时， HRC45（2）5h时， 57010h时， 550(二二) 冷作模钢冷作模钢1

19、.性能要求性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;2.化学成分特点化学成分特点:高碳 12 %;合金元素:Cr, Mo、W、V。汽车冲压模具汽车冲压模具.典型牌号典型牌号 可用低合金刃具钢可用低合金刃具钢 9Mn2、 CrWMn、Cr12型钢广泛用于制造型钢广泛用于制造各类冷作模具。各类冷作模具。 Cr12MoV 可作为冷镦模、冷冲模。可作为冷镦模、冷冲模。返回返回 *一次硬化法: 淬火 + 低温回火 ( 9501000 ) ( 150180 ) *二次硬化法: 淬火 + 三次回火 ( 11001000 ) ( 510520 )热处理后的组织热处理后的

20、组织: M回回 + Cm + A残残.热处理特点热处理特点图图1是是Cr12MoV钢的硬度钢的硬度-残余奥氏体残余奥氏体-淬火温度的关系曲线淬火温度的关系曲线图图2是回火温度对油淬是回火温度对油淬 Cr12MoV钢的硬度的关系曲线：钢的硬度的关系曲线：1.说明了说明了Cr12MoV钢中合金元素的作用。钢中合金元素的作用。2.分析图分析图1中硬度中硬度-残余奥氏体残余奥氏体-淬火温度的关系淬火温度的关系用用Cr12MoV钢制作凸模，硬度要求为钢制作凸模，硬度要求为HRC5862，解释下列现象：解释下列现象： （1）该模于）该模于1120淬火后，硬度淬火后，硬度HRC5462，各，各向尺寸收缩了向

21、尺寸收缩了0.150.22mm,超过规定尺寸精度超过规定尺寸精度范围；范围； （2）将凸模浸入盛有酒精的保温瓶中，并加入干）将凸模浸入盛有酒精的保温瓶中，并加入干冰，保持在冰，保持在-65-70,45分钟后取出，发现该模分钟后取出，发现该模又各向胀大，无法插入凹模；又各向胀大，无法插入凹模； （3）再经）再经40042030min回火后，尺寸又缩回火后，尺寸又缩回回0.050.1mm,HRC5960,与凹模配合达到要与凹模配合达到要求。求。作业作业1.W18Cr4V钢的钢的Ac1约为约为820，若以一般工具钢，若以一般工具钢Ao1+3050常规方法来常规方法来确定其淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃具所要求的性确定其淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃具所要求的性能？为什么？能？为什么？W18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行钢刀具在正常淬火后都要进行560三次回火，又三次回火，又是为什么是为什么, 最终的组织是什么？最终的组织是什么？W18Cr4V钢的二次硬化现象在哪个回火温