钢材特性及知识

1、钢材特性及知识钢材特性及知识2007-12-06 19:37:27| 分类： 我的文件|字号 订阅 钢 材特性及知识高速钢是一种含多量碳 (C)、鸨(W)、铝(Mo)、 铭(Cr)、机(V)等元素的高合金钢，热处理后具有高热硬性。当切削温度高达600c以上时，硬度仍无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达每分钟60米以上，而得其名。高速钢按化学成分可分为普通高速钢及高性能高速钢，按制造 工艺可分为熔炼高速钢及粉末冶金高速钢。普通高速钢高速钢是制造形状复杂、磨削困难的刀具的主要材料。普通高速钢可满足一般需求。常见的普通高速钢有两种，鸨系高速钢和鸨铝系高速钢。鸨系高速钢典型牌号为w18Cr4V,热处

2、理硬度可达 63-66HRC ,抗弯强 度可达3500MPa ,可磨性好。鸨铝系高速钢典型牌号为 W6Mo5Cr4V2 ,目前正在取代鸨系高速钢，具 有碳化物细小分布均匀，耐磨性高，成本低等一系列优 点。热处理硬度同上，抗弯强度达 4700MPa ,韧性及热塑 性比w18Cr4V提高50%。常用于制造各种工具，例如钻头、丝锥、铳刀、较刀、拉刀、齿轮刀具等，可以满足加 工一般工程材料的要求。只是它的脱碳敏感性稍强。另一牌号的普通高速钢为 W9Mo3Cr4V ,这是中国近几年发 展起来的新品种。强度及热塑性略高于W6Mo5Cr4V2 ,硬度为HRC63-64 ,与韧性相配合，容易轧制、锻造，热处理

3、 工艺范围宽，脱碳敏感性小，成本更低。这三个牌号的普 通高速钢在中国市场的比例分别为：W18Cr4V ,16.5%;W6Mo5Cr4V2, 69 %;W9Mo3Cr4V,11 %。高性能高速钢高性能高速钢具有更好的硬度和热硬性，这是通过改变高 速钢的化学成分，提高性能而发展起来的新品种。它具有 更高的硬度、热硬性，切削温度达摄氏650度时，硬度仍可保持在60HRC以上。耐用性为普通高速钢的1.5-3倍，适用于制造加工高温合金、不锈钢、钛合金、高强度钢等 难加工材料的刀具。主要品种有4种，分别为高碳系高速钢、高机系高速钢、 含钻系高速钢和铝高速钢。高碳系高速钢牌号为9w18Cr4V,因含碳量高（

4、0.9%）,故硬度、耐磨性及 热硬性都比较好。用其制造的刀具在切削不锈钢、耐热合 金等难加工材料时，寿命显著提高，但其抗弯强度为 3000MPa,冲击韧性较低，热处理工艺要求严格。高机系高速钢牌号有W12Cr4V4Mo 及W6Mo5Cr4V3（美国牌号 M3）,含 机量达3-4 %,使耐磨性大大提高，但随之带来的是可磨性 变差。高机系高速钢的使用及发展还需要依赖于磨削工艺 及砂轮技术的发展。钻高速钢牌号有 W2Mo9Cr4VCo8（美国牌号 M42）。其特点为：含机 量不高（1%）,含钠量高（8%）,钻能促使碳化物在淬火加热 时更多地溶解在基体内，利用高的基体硬度来提高耐磨 性。这种高速钢硬度

5、、热硬性、耐磨性及可磨性都很好。热处理硬度可达67-70HRC，但也有采取特殊热处理方法， 得到67-68HRC硬度，使其切削性能（特别是间断切削）得到 改善，提高冲击韧性。钻高速钢可制成各种刀具，用于切 削难加工材料效果很好，又因其磨削性能好，可制成复杂 刀具，国际上用得很普遍。但中国钻资源缺乏，钻高速钢 价格昂贵，约为普通高速钢的5-8倍。铝高速钢牌号为 W6Mo5Cr4V2Al、W6Mo5Cr4V5SiNbAl 等，主要加入 铝（Al）和硅（Si）、锂（Nb）元素，来提高热硬性、耐磨性。适合 中国资源情况，价格较低。热处理硬度可达到68HRC,热硬性也不错。但是这种钢易氧化及脱碳，可塑性

6、、可磨性 稍差，仍需改进。国际市场上高性能高速钢使用量已经超过普通高速钢25-30 % o粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢及其制品。近几年来高速钢的最大变革就是发展了粉末冶金高速钢，它的能优于熔炼高速钢。用高压瀛气或氮气雾化熔融高速钢水，得到细小高速钢粉末，筛选后为 0.4mm以下的颗粒；在真空（0.04Hg）状态下，密闭烧结达到密度65%;再在1100c高温、300MPa高压下制成密度100 %的钢坯，然后 锻轧成钢材，这样有效地解决了熔炼高速钢在铸锭时要产生粗大碳化物偏析的问题，而它无论截面多大，其碳化物 级别均为一级。碳化物晶粒极细，小于0.002mm ,而熔炼高速钢碳化物晶粒为 0.008

7、-0.02mm 。牌号为APM T15的粉末冶金高速钢，它的强度、韧性分别是同化学成分的熔炼高速钢的2倍及2.5倍。尽管含乳量达5%,但由于碳化物晶粒细，可磨性依然很好。高温热硬度 也比熔炼高速钢提高 0.5-1HRC。又由于其物理机械性能高度各向同性，淬火变形小。碳化物颗粒均匀分布的表面较大，不易从刀具的切削刃上剥落，小尺寸刀具耐磨性提高1.5-2倍，大尺寸刀具提高 20-30%。粉末冶金高速钢具有良好的力学性能，适合制造：间断切 削条件下易崩刃的刀具、强度高而切削刃又必须锋利的刀 具，如插齿刀、滚刀、铳刀，高压动载荷下使用的刀具。 它的碳化物偏析小，晶粒细，可磨性好，适合制造：大尺 寸刀具

8、、精密刀具、复杂刀具。这类材料的高温热硬度 高，又适合制造难加工材料所用的刀具，确实是面面俱 到。粉末冶金高速钢生产过程较复杂，造价较高。中国钢厂提 供的品种较少，市场用量也很少。国际上著名钢厂如美国 Crucible公司已可提供近二十种粉末冶金高速钢，日本神户 制钢所、日立金属公司均可提供近十种粉末冶金高速钢， 供应量也在迅速增长。日本著名的OSG公司用粉末冶金高速钢制造了钻头、铳刀、丝锥，NACHI公司制造了滚刀、插齿刀、剃齿刀。有理由相信技术性能高的粉末冶金高速 钢将会得到更广泛的应用，为金属加工业带来新的发展。 高速钢的市场定位及发展趋势高速钢材料按制造工艺可分为熔炼高速钢及粉末冶金高

9、速 钢。自二十世纪初发现高速钢以来，对现代工业发展起到了重 要作用。可以说没有高速钢，就没有现代的金属加工业。 尽管六十年代起，硬质合金等材料崛起，但是对于制造形 状复杂、磨削困难的刀具，如拉刀、剃齿刀、插齿刀等， 高速钢始终处于主导地位。特别是要求刀具具备高韧性 时，就非高速钢莫属了。高速钢的主要应用领域是机械和工具制造业，必然要适应 这个行业的发展，近几年来机械加工采用了高速度的数控 机床，例如加工中心、车削中心等，金属切削速度越来越 快，要求刀具必须具有高速使用性能，即热硬性、耐磨 性、冲击韧性要好，因此，厂家纷纷研发符合上述要求的 高速钢材料。在机加工费用中，材料约占15-20 %,刀

10、具约占25-35 %,用户对刀具的选用也越来越趋向合理，即选用性能与价格 比好的刀具。高速钢刀具占主导地位的领域，如精密零件、复杂零件、 成形加工零件的市场也越来越大，对可磨性的要求也越来 越局O高速钢-走过一个世纪的钢种，应瞄准特定市场空间，提高 自身技术含量，去抗衡其它材料的挑战。中国常用高速钢材料性能表（本站整理）中国牌号习惯名称相 似ISO牌号淬、回火硬度 HRC抗弯强度MPa冲击韧性 MJ/m600 C 下的硬度 HRCW18Cr4V T1HS18-0- 162-6534300.29 50.5W6Mo5Cr4V2M2HS6-5-263-66 35004000 0.30-0.40 47

11、-48 W6Mo5Cr4V3M3HS6-5-365-6732000.2551.7 W9Mo3Cr4V 64-664000-45000.35-0.40W6Mo5Cr4V2Co5 HS6-5-2-565- 6630000.3054W10Mo4Cr4V3Co10HS10-4-3-10 67-69235055.5W2Mo9Cr4V2Co8HS2-9-2-8 66-682700- 38000.23-0.3555W7Mo4Cr4V2c05M41HS7-4-2-566-682500-30000.23-0.3554W12Cr4VCo5HS12-0-1-566-6830000.2554 W6Mo5Cr4V2Al

12、501 专冈 66-693000-41000.25-0.3055-56110W1.5Mo9.5Cr4VC08M4267-692650-37300.23-0.2955.2W10Mo4Cr4VAl5F6 专冈 686930100.2054.2随着少无切削和精密成形技术在我国的快速发展，对模具 材料的性能要求越来越高，一些五十年代以来长期沿用的 老钢种已不能完全满足要求。为此，国内一些大学、研究 所、钢厂和模具使用单位相继开发了许多具有优良性能的 模具钢，使国内模具的使用寿命得到了很大提高，并使我 国模具钢的钢种系列逐渐得到了补充和完善。1.冷作模具钢的开发情况对冷作模具材料的主要性能要求是：良好的

13、耐磨性，足够 的强度和韧性，高的疲劳寿命，良好的抗擦伤和咬合性能 以及良好的工艺性能。九十年代以前，国内常用的冷作模具钢有：碳素工具钢 T1OA,合金工具钢 9SiCr、9Mn2V、 CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si;高速工具 钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 ;轴承钢 GCr15;弹簧钢60Si2Mn ,渗碳钢 20Cr、12CrNi3A ;不锈钢 3Crl3 等。其中 用量最大的是 Cr12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、 9Mn2V、GCr15、60Si2Mn 和 W18Cr4V。为满足生产要 求，国内先后研究开发了一系列新型冷

14、作模具钢。1. 1高强韧耐磨钢Cr12系列冷作模具钢是较广泛采用的钢种系列，具有良好 的淬透性和耐磨性，但共晶碳化物偏析较严重，韧性较 差，淬火后异常变形较大。为弥补此类钢的性能缺陷，国 内先后开发了一些高强韧耐磨钢，如7 Cr7M02V2Si（代号LD）、Cr8WmoV3Si（代号 ER5）、9 Cr6W3Mo2V2 （代号GM）、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V 等。与 Cr12、Cr12MoV相比，此类钢的碳和铭的含量较低，改善了碳化 物不均性，提高了韧性；适当增加了W、Mo、V等合金元素的含量，从而增强了二次硬化能力，提高了耐磨性。所 以，此类钢在具有良好的强韧性的同时，还有

15、优良的耐磨 性和较好的综合性能，主要用于制造承受应力较大、要求 高强韧性和耐磨损的各类冷作模具。7Cr7M02V2Si ,代号LD,最初是针对冷锁模具而研制的。 其碳含量低于 G. Steven推荐的平衡碳规律，使钢在具有 高硬度的同时，又具有较好的韧性；加入Cr、Mo、V元素，有利于二次硬化，保证钢具有较高的硬度、强度和良 好的耐磨性；加入一定量的Si,以强化基体，提高回火稳定性。LD钢常用的热处理工艺是 11001150c 淬火， 530570c 回火，回火后硬度 HRC5763。1100c淬火 后的组织为细针马氏体十残留奥氏体十剩余碳化物，晶粒度10.5级。1100 c淬火、570c回火

16、后的组织为回火马氏 体十残余碳化物。LD钢已被广泛应用于制造冷锻、冷冲、冷压、冷弯等承受冲击、弯曲应力较大，又要求耐磨损的 各类冷作模具。Cr8MoWV3Si ,代号ER5,在具有较高强韧性的同时，又具 有突生好的耐磨性。该钢在回火过程中弥散析曲的特殊碳 化物，是ER5比Crl2系钢具有更高强韧性和耐磨性的重要 原因。ER5钢适用于制造承受冲击力较大，冲击速度较高的 精密冷冲，重载冷冲以及要求高耐磨的其他冷作模具。9Cr6W3M02V2，代号GM,也是以提高耐磨性为主要目的 而研制的高耐磨冷作模具钢。该钢通过Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素的合理配比，并根据平衡碳规律配碳，使钢具有最佳的二次

17、硬化能力及抗磨损能力，同时又保持 了较高的强韧性和良好的冷热加工性能，适用于制造冲 裁、冷挤、冷锻、冷剪、高强度螺栓滚丝轮等精密、高耐 磨冷作模具。1. 2高速钢基体钢高速钢基体钢具有相当于正常淬火高速工具钢的基本成 份.并允许钢中保留 5%左右的过剩碳化物，另外再适当增加或减少莫些元素的含量。此类钢有效地解决了高速钢碳化物不均匀分布和韧性较差的问题，钢的抗弯强度、韧性、塑性和疲劳抗力高于高速钢，但耐磨性低于高速钢， 用于制造要求高强度和足够韧性的冷挤压、冷冲、冷锁等模具。由于高速钢基体钢的红硬性好，所以也用于制造热作模具。国内研制的高速钢基体钢有：65Cr4W3Mo2VNb（简称 65Nb）

18、、60Cr4Mo3Ni2WV （代号 CG-2）、 5Cr4Mo3SiMnVA1 （代号 O12A1）、65W8Cr4VTi （代号 LMI）、65Cr5Mo3W2VSiTi （代号 LMZ）等。65Cr4W3Mo2VNb ,其基体成份相当于淬火后的W6Mo5Cr4V2钢，但碳含量较一般基体钢高，以增加碳化 物量和提高耐磨性。加入 0.20.35% Nb,以提高钢的强 韧性和改善工艺性。65Nb用于制造冷挤压、厚板冷冲、冷 徽等承受较大载荷的冷作模具，也可用于温热挤压模具。1. 3低合金冷作模具钢国内开发的低合金冷作模具钢中，有7CrSiMnMoV （代号CH）、6CrMnNiMoVSi （代

19、号 GD）、6CrMnNiMoVWSi （DS）、 CrNiWMoV等。这些钢的淬透性好，淬火温度较低，热处 理变形小，价格低，具有较好的强度和韧性的配合，适用 于制造精度复杂模具。7CrSiMnMoV ,代号CH,在8201000 c淬火，可获得HRC60以上的硬度，是一种空淬微变形钢，可以火焰加热空冷淬硬。该钢的耐磨性尽管比Cr12MoV差，但比9Mn2V和T10A好；抗弯强度、抗压强度和冲击韧性都优于Cr12MoV和9Mn2V;热处理后的变形量和常用的Cr12MoV、Cr2Mn2SiWMoV、Cr4W2MoV 等钢相当。CH钢具有良好的强韧性和良好的工艺性，可用于代替T10A、9Mn2V

20、、CrWMn、GCr15、Cr12MoV等制造对强韧性要求 较高的冷作模具，如冲孔凸模、中薄钢板（25mm厚）的修边落料模等。由于该钢可以采用火焰加热空冷淬硬， 所以也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽车模具。6CrMnNiMoVSi ,代号 GD,较CH钢增加了 0.85%左右的 Ni,进一步强韧化了基体。该钢的淬火温度范围较宽，淬透 性好，也可火焰加热空冷淬火，具有良好的强韧性。当用 于制造易崩及断裂的冷冲模具时，模具寿命较高。.4无磁高强度模具钢电子工业中的部分磁性元件需用无磁性的模具生产，7Mnl5Cr2A13V2WMo 钢的导磁系数很低，强度、耐磨性也 良好，但切削加工比较困难。国内开

21、发的无磁模具钢有 18Mn12Crl8NiN （代号 A18）、8Mnl5Cr18 （代号 WCG）、 50Mnl8Cr4WN （简称 50Mn ）等。其中50Mn具有低磁导 率（以v1.1H/m）,较高强度和良好的加工性能，经10201070c （水冷）固溶处理后，硬度 HRC30左右。再经过590c 10c时效，硬度上升至 HRC35左右。2.热作模具钢的开发情况热作模具大体分为热锻模、热挤压模、压铸模和冲裁模。5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V是热作模具钢中应用量仍然较大的钢种。5CrNiMo主要用于厚度300400mm 的大中型锻模，5CrMnMo适用于厚度 在250mm以

22、下的小型锻模。但当用于更大截面或更高温度 时，这两种钢存在淬透性、热稳定性、热疲劳性及耐磨性 不够的问题。3Cr2W8V的高温强度较高，但钢的热疲劳性 较差，韧性也不高，用于压铸模具和铝、铜合金热挤压模 具时，模具的使用寿命都较低。国内在热作模具方面先后 开发了几十种钢。2. l大截面热锻模具钢为弥补 5CrMnMo和5CrNiMo在较 大截面和较高温度时热稳定性、热疲劳性及淬透性不够的 缺陷，内开发了 45Cr2NiMoVSi （简称 45Cr2）、 5Cr2NiMoVSi （简称 5Cr2）、3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi（代号B2）等大截面热锻模具钢。与 5CrNiMo相比，

23、45Cr2和5Cr2中既含有较高的 Cr和Mo ,又加入了少量的 V,使CCT曲线上的高温转变区上移，低温转变区显著右 移，提高了钢的淬透性。截面尺寸在 500*500mm以下的模 具经970- 990 C淬火，650680 c回火后，硬度可达 HRC36-44 o 45Cr2和5Cr2还具有二次硬化能力，它们的高 温强度较5CrNiMo钢高50%,热稳定性高由100150C,冲击韧性则相当。另外，钢的热磨损性、热疲劳性及抗热裂纹扩展的能力也强于 5CrNiMo o这二种钢用于 12000t以下机械压力机模具及 16t以下模锻模具，模具的 使用寿命是5CrNiMo钢制造的同种模具寿命的数倍。2

24、. 2中小热锻模具钢中小热锻模具的表面温度可达 600c以上，5CrMnMo和 5CrNiMo的高温性能显然不能满足要求。3Cr2WSV钢的高温强度较高，但韧性及热疲劳性能较差。为此，国内较早 开发了 2Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2MnVB （代号 ER8）等 3% Cr-3 % Mo和3%Cr-2 % Mo型的中碳铭系高强度热作模具 钢，其中3Cr3Mo3VNb是根据形成合金碳化物所需的碳量 对2Cr3Mo3VNb做进一步成份调整而来的。这二种钢中加 人了 3%左右的Mo,既能提高钢的淬透性和防止由现回火 脆性，又能提高钢的热稳定性。加人 V和Nb则可起到细化 晶粒，降低钢的过热敏感性

25、作用。因此，钢的淬透性高， 淬火加热温度范围宽，过热敏感性低，具有高温强度高、 热稳定性好、塑性韧性好、冷热疲劳性能好、热磨损性能 好等优点，用于制造不锈钢（2Crl3）等热锻模，轴承凹模 和辐锻模，都取得了良好的使用效果。4Cr3Mo3W4VNb ,代号 GR,除 Cr、Mo、V 和 Nb 外，又 加入了 4%W,所以钢的高温强度和热稳定性得到了进一步 提高，是中碳铭系热作模具钢中高温强度较高，热稳定性较好的钢种。该钢还具有良好的冷热疲劳性能，该钢适用于制造工作温度600- 700CC的浅型腔中小锻模，也可用于 铜合金热挤压模具。除以上30Cr-30Mo型热作模具钢外，国内先后开发的 5%

26、Cr系中碳中合金热作模具钢已较大量用于热锻模具，如 4Cr5MoVSi、 4Cr5MoV1Si 等，其中 4Cr5MoV1Si 具有优异 的韧性和良好的冷热疲劳性能，适用于制造工作温度在600c以下，对韧性和塑性要求较高的模具。如用4Cr5MoV1Si代替5CrNiMo、5CrMnMo制造汽车连杆、曲 轴锻模，模具的使用寿命得到了明显提高；用于制造铝合 金压铸模具和铝型材挤压模具，模具的使用寿命较高。另外，该钢还可作塑料模具钢使用。目前，4Cr5MoV1Si钢的优良性能已在国内得到了广泛认可，应用量已较大。许多 大学、研究院所和钢厂不惜花重金对该钢做研究和生产质 量改进工作，并就此打生了自己的

27、优质品牌。2. 3压铸模具钢在有色金属压铸中，3Cr2W8V曾是应用广泛的模具钢，5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2Mo等中碳低合金钢也作为铝锌 合金压铸模具钢使用。3Cr2W8V的冷热疲劳性能较差，模 具的使用寿命不高。国内为此先后开发了几个新型模具钢，如 4Cr3Mo2MnVNbB （代号 Y4）和 4Cr5Mo2MnVSi（代号Y10）等。4Cr3Mo2MnVNbB （代号Y4）,最初就是针对铜合金压铸模 具而研制的。该钢通过合理的成份配比，使其在达到高的 热强性及热稳定性的同时，又保持了良好的韧性和塑性，抗冷热疲劳性能明显优于 3Cr2W8V ,模具的使用寿命较 3Cr2W8V制

28、造的模具的使用寿命有明显提高。该钢也可用 于制造热挤压和中小热锻模具。4Cr5Mo2MnVSi （代号Y10）,是针对铝合金压铸模具而研 制的，与3Cr2W8V钢相比，该钢具有抗冷热疲劳性能好、 热处理变形小、抗铝溶损性能好等优点，模具的使用寿命 普遍比3Cr2W8V钢制造的模具的使用寿命提高一倍以上。该钢还可用于制造工作温度在600 c以下的中小热锻等模具。2. 4铜、铝型材热挤压模具钢铜合金热挤压模的穿孔针、底模等长时与高温铜坯接触，模具的使用工况较苛刻。用3Cr2W8V或4Cr5MoV1Si钢制作此类模具，模具的使用寿命一直较低。国内曾试图采用 奥氏体热作模具钢来解决此类模具寿命低的问题

29、，但因钢 的冷热疲劳性能较差而仍未得到圆满解决。在此背景下， 国内有关大学、研究院所和钢厂先后推由了可以提高此类模具使用寿命的钢种，如 4Cr3Mo2NiVNbB （代号 HD）、 4Cr3Mo2MnVNbB （代号Y4）等。HD钢较一般中碳3%Cr2 % Mo或3% Cr3 % Mo型热作模具钢又增加了 1 %左 右的Ni,进一步提高了钢的韧性和塑性。在相同硬度(HRC43)下，其断裂韧性比 3Cr2W8V钢高30%。用HD 钢制造的铜合金管材挤压底模和穿孔针的使用寿命较 3Cr2W8V钢提高一倍左右，并在轴承环热挤冲头和凹模、 汽门挤压底模上也有成功应用的例子。用Y4钢制造铜合金挤压模底模

30、和穿孔针顶头，模具的使用寿命也比3Cr2W8V钢制造的模具稳定地提高一倍以上。铝型材热挤压模平模和组合模对韧性的要求较高， 4Cr5MoV1Si是首选的模具材料，已被大量推广应用。5高温玻璃模具钢玻璃制品模具要求模具材料具有优良 的抗高温氧化性能和冷热疲劳性能，良好的耐芒硝腐蚀性 能，足够高的强度，良好的抛光性能，并要易于脱模。此 类模具常用铸铁、合金铸铁或3Crl3不锈钢制造，钢的性能远满足不了实际需要。为此，国内开发了代号为GY的高温玻璃模具钢。该钢是 Si-Cr-Mo系预硬钢，具有良好的冷热 疲劳性能，优异的抗氧化性能，优良的抗热触性能和较高 的玻璃粘附温度。该钢在预硬后( HRC35左

31、右)加工，加 工性能良好，尤其适用于制造玻璃熔化或成型温度较高、 表面质量要求高的玻璃制品模具。3.塑料模具钢的开发情况塑料模具钢是国内发展得较滞后，到目前为止仍未成完整系列的钢种。在九十年代之前，国内常用的塑料模具钢仍然是0.40.6%碳的碳素结构钢，如 45#和40Cr,另外再以 T10A、Gcrl5、CrWMn、5CrNiMO、 5CrMnMo、Cr12、 Crl2MoV等作补充。国内先后开发了十余种新型塑料模具 钢。l预硬化型塑料模具钢为避免大、中型精密塑料模具热处理后变形，保证模具的 精度和使用性能，相继研制开发了预硬化型塑料模具钢。此类钢一般是中碳低合金钢，在调质（ HRC3O-4

32、0 ）后切削 加工成型，然后直接投入使用，主要用于制造复杂、精密 和长寿命的大、中型塑料模具。3Cr2Mo是国内较早开发的塑料模具钢，与 AISIP20相当， 目前已在许多钢厂生产。在使用时，一般先进行预硬处 理，即先850880c淬火，580640c回火，预硬至HRC2835的硬度，然后再进行切削加工。该钢适用于制 造大、中型精密塑料模具，如电视机、洗衣机壳体等塑料 模具，并已获得较大量应用。另外，也可用于制造锌合金 压铸模具。除3Cr2Mo外，国内先后开发的 5CrNiMnMoVSCa （简称 5 NiSCa）、8Cr2MnWMoVS （简称 8Cr2）、40CrMnVBSCa （简称 P

33、20BSCa）、Y55CrNiMnMoV（代号SM1）等是易切削型预硬塑料模具钢，在这些钢中 加人了 S、Ca、 Pb、Se等元素以改善预硬钢的加工性能。如5NiSCa钢预硬硬度为 HRC39时，磨削力比 HRC25的 40Cr的磨削力还小。此类钢不仅适用于制造大、中型精密 注塑模具，还可用于制造精密冷作模具。3. 2时效硬化型塑料模具钢根据制造高精度、复杂塑料模具的需要，国内先后开发的 几种时效硬化型塑料模具钢，如10Ni3MnCuAl （代号PMS）、25CrNi3MoAl、Y20CrNi3AlMnMo （代号 SM2）、 06Ni6CrMoVTiAl （简称06）等。此类钢一般含较低的碳

34、， 含Ni、Al、Ti、Cu、MO等合金元素，在固溶后硬度较低 （一般HRC 32）,可以被较容易地切削加工，加工后再 时效处理，以获得所需要的使用性能。由于时效温度低， 时效后模具变形很小，所以适用于制造高精度、复杂的热 塑性模具。10Ni3MnCuAl ,代号PMS,经850 20c固溶后，硬度为 HRC3033。经500c左右时效后，弥散析曲硬化相Al3Ni,基体硬度随之上升至 HRC3843。该钢具有优良镜 面加工性能，模具表面粗糙度可达Ra0.05以簿 适用于制造要求高镜面、高精度的各种热塑性塑料制品模具，如光学 仪器：镜片模具，磁带内外壳和电话机、石英钟、车辆灯 具等塑料壳体模具。

35、Y20CrNi3AlMnMo ,代号 M2 ,含0.1 %左右的S,切削加工性能得到了改善，是一种易切削 型号时效硬化塑料模具钢。3耐蚀塑料模具钢当较大批量地生产聚氯乙稀、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品时，模具需耐氟、氯等卤族元素气体的腐蚀，为此需在模具表面镀铭或直接采用耐腐蚀钢。国内开发的耐腐蚀塑料模具钢OCrl6Ni4Cu3Nb （代号PCR）属于马氏体沉淀硬化不锈钢，在 1050 c固溶（空冷）后得到单一的板条马氏体组织，硬度为 HRC3235,经480c左右时效后，析生弥散强化相CuNi,硬度上升到HRC3944。该钢在含有氟、氯等离子的腐蚀性介质中的耐蚀性明显优于 17 4PH （OC

36、rl7Ni4Cu4 ）,适用于制造含 氯、氟或混入阻燃剂的热塑性塑料的注射模具。4非调质塑料模具钢非调质钢在锻、轧后即可达到预硬，不需再进行调质处理。为改善切削加工性能，有些钢中还添加了适量的P、S和Cao国内对非调质塑料模具钢的开发较晚，25CrMnVTiSCaRE （代号 FT）、2Cr2MnMoVS 和2Mn2CrVCaS即是近几年开发的新钢种。锻、轧空冷后， FT钢100mm圆钢的硬度可以达到 HRC3035。国内模具钢开发与应用中存在或需要解决的主要问题目前，我国模具新钢种的推广应用工作还存一些需要解决的问题：（l）缺乏有关指导性强、实用的技术资料，给用户合理选择和使用新钢种带来了困

37、难。(2)除4Cr5MoV1Si、3Cr2Mo等个别钢种已获较大量应用 外，一些性能优良的钢种的生产和应用量仍太少。(3)钢的质量不够稳定。直接影响了钢的性能的发挥和新 钢种的推广应用。不断提高钢的纯净度、致密度、均匀性 和质量稳定性，仍是今后长期努力的方向。(4)规格单一，绝大部分是黑皮圆钢，用户不得不另行改 锻。品种规格多样化、产品精品化是今后需要尽快解决的 问题之一。(5)尚待开发具有特殊性能的钢种，进一步完善钢种系 列，如开发粉末冶金模具钢，补充完善塑料模具钢系列， 建立陶瓷、耐火砖、地砖等成形模具用钢等。(6)产销渠道不畅通，用户甚至不知道从何处购买所需的 新钢种。1、碳(C):钢中

38、含碳量增加，屈服点和抗拉强 度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23 %超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量 一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能 力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；止匕外，碳能增加钢的 冷脆性和时效敏感性。2、硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂， 所以镇静钢含有0.15 0.30 %的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60 %，硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极 限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结 构钢中加入1.0 1.2%的硅，强度可提高 15 20%。硅和 钥、鸨、铭等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的

39、作用，可 制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率， 用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性 能。3、镒（Mn）:在炼钢过程中，镒是良好的脱氧剂和脱 硫剂，一般钢中含镒 0.30 0.50%。在碳素钢中加入 0.70% 以上时就算“镒钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且 有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性 能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含镒11 14%的钢 有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。镒量 增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。4、磷（P）:在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加 钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变

40、 坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%,优质钢要求更低些。5、硫（S）:硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生 热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂 纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求 硫含量小于0.055%,优质钢要求小于 0.040%。在钢中加入0.08-0.20 %的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削 钢。6、铭(Cr):在结构钢和工具钢中，铭能显著提高强 度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铭又能提高 钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要 合金元素。7、镇(Ni):镁能提高钢的强度，而又保持良好的塑性 和韧性。镁对酸碱有较高的耐腐蚀

41、能力，在高温下有防锈 和耐热能力。但由于镇是较稀缺的资源，故应尽量采用其 他合金元素代用银铭钢。8、铝(Mo):铝能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热 强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变 )。结构钢中加入铝，能 提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。9、钛(Ti):钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密， 细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铭18银9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐 蚀。10、机(V):钢是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的机可细化组织晶粒，提高强度和韧性。机与碳形成的碳化物

42、， 在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。11、鸨(W):鸨熔点高，比重大，是贵生的合金元素鸨与碳形成碳化鸨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加 鸨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具 用。12、锂(Nb):锂能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回 火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合 金钢中加铝，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐 蚀能力。锂可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铝，可 防止晶间腐蚀现象。13、钻(Co):钻是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合 金中，如热强钢和磁性材料。14、铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。 铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺

43、点是在热 加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50 %对焊接性无影响。15、铝(Al):铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的 铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08A1钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铭、硅合用， 可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝 的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性 能。16、硼(B):钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。17、氮（N）:氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增 加时效敏感性。18、稀土（Xt）:稀土元素是指元素周期表中原子序数为 57-71的15个翎系元素。这些元

44、素都是金属，但他们的氧 化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改 变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢 的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁锋钢中 加入稀土，可提高耐磨性。一、冷作模具钢 冷作模具钢包括制造冲截用的模具（落料冲孔模、修边 模、冲头、剪刀）、冷锁模和冷挤压模、压弯模及拉丝模等 1.冷作模具钢的工作条件及性能要求冷作模具钢在工作时.由于被加工材料的变形抗力比较 大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及 摩擦力。因此，冷作模具的正常报废原因一般是磨损.也 有因断裂、崩力和变形超差而提前失效的。冷作模具钢与刃具钢相比.有许多共同点。要求模具

45、有高 的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性，以保证冲 压过程的顺利进行、其不同之处在于模具形状及加I工艺复杂.而且摩擦面积大.磨损可能性大.所以修磨起来困 难。因此要求具有更高的耐磨化模具工作时承受冲压力 大.又由于形状复杂易于产生应力集中，所以要求具有较高的韧性；模具尺寸大、形状复杂.所以要求较高的淬透 性、较小的变形及开裂倾向性。总之，冷作模具钢在淬透 性、耐磨性与韧性等方面的要求要较刃具钢高一些.而在 红硬性方面却要求较低或基本上没要求(因为是冷态成 形)，所以也相应形成了一些适于做冷作模具用的钢种，例 如，发展了高耐磨、微变形冷作模具用钢及高韧性冷作模 具用钢等。下面结合有关钢种选

46、用进一步说明。.钢种选择通常接冷作模具的使用条件，可以将钢种选择分为以下四种情况：(1)尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具。例如.小冲头，剪落钢板的剪刀等可选用T7A、 T8A、T10A、T12A等碳素工具钢制造。这类钢的优点是；可加工性好、价格便 宜、来源容易。但其缺点是：淬透性低、耐磨性差、淬火 变形大。因此，只适于制造一些尺寸小、形状简单、轻负 荷的工具以及要求硬化层不深并保持高韧性的冷像模等。(2)尺寸大、形状复杂、轻负荷的冷作模具。常用的钢种有9SiCr、CrWMn、GCr15及9Mn2V等低合金刃具钢。这些钢在油中的淬透直径大体上可达40mm以上。其中9Mn2V钢是我国近年来发展的

47、一种不含Cr的冷作模具用钢.可代替或部分代替含 Cr的钢。9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾向性比CrWMn钢小、脱碳倾向性比 9SiCr钢小，而淬透性比碳素工具钢 大.其价格只比后者高约 30 %因此是一个值得推广使用的 钢种。但9Mn2V钢也存在一些缺点如冲击韧性不高，在生产使用 中发现有碎裂现象.另外回火稳定性较差，回火温度一般 不超过180c在200c回火时抗弯强度及韧性开始由现低 值。9Mn2V钢可在硝盐、热油等冷却能力较为缓和的淬火介质 中淬火。对于一些变形要求严格而硬度要求又不很高的模 具，可采用奥氏体等温淬火。(3)尺寸大、形状复杂重负荷的冷作模具。须采用中合金或高合金钢

48、.如 Cr12Mo、 Crl2MoV、 Cr6WV Cr4W2MoV 等，另外也有选用高速钢的。近年来用高速钢做冷作模具的倾向巴日趋增大、但应指 由，此时已不再是利用高速钢所特有的红硬性长处.而用 它的高淬透性和高耐磨性。为此.在热处理工艺上也应有 所区别。选用高速钢做冷模具时.应采用低温淬火.以提高韧性。例如 W18Cr4V钢做刃具时常用的淬火温度为1280-1290Co而做冷作模具时，则应采用1190c的低温淬火。又如W6Mo5Cr4V2钢.采用低温淬火后可使寿命大大提 高、特别是显著减少了折损率。4）受冲击负荷且刀间单薄的冷作模具。如上所述.前三类 冷作模具用钢的使用性能要求均以高耐磨性

49、为主为此均采 用高碳过共析钢乃至荣氏体钢。而对有的冷作模具加切边 楼、冲裁模等.其对口单薄.使用时又受冲击负荷作用则 应以要求高的冲击韧性为主。为了解决这一矛盾.可采取 以下措施.降低合碳量.采用亚共折钢.以避免由于一 次及二次碳化物而引起钢的韧性下降；加入Si.、Cr等合金元素.以提高钢的回火稳定性和回火温度（240 270 C回火）这样有利于充分消除淬火应力使叽提高.而又不致 降低硬度；加入 W等形成难熔碳化物的元素以细化晶 粒、提高韧性。常用的高韧性冷作模具用钢有6SiCr、4CrW2Si;、5CrW2Si 等。.充分发挥冷作模具钢性能潜力的途径在用Cr12型钢或高速钢做冷作模具时，一个

50、很突生的问题 是钢的脆性大.使用中易开裂。为此，必须用充分锻打的 方法细化碳化物.除此之外应发展新钢种。发展新钢种的 着眼点，应是降低钢的含碳量及碳化物形成元素的数量。近年来国内研制并推广以下几种新钢种、如表4.11所示。Cr4W2MoV 钢具有高硬巨、高耐磨性和淬透性好等优 点.并具有较好的回火稳定性及综合力学性能.用干制造 硅钢片冲模等.可使寿命比 Cr12MoV钢提高13倍以上但 此钢锻造温区范围较窄，锻造河县开裂.应严格控制锻造温度和操作规认 Cr2Mn2SiWMoV钢淬火温度低、淬火变形 小、淬透性高.有空淬微变形模具钢之称7W7Cr4MoV钢可代W18Cr4V和Cr12MoV钢.其

51、特点是钢的碳化物不均 匀性和韧性得到很大的改善。二、热作模具钢.热作模具的工作条件热作模具包括锤锻模、热挤压模和压铸模三类。如前所 述.热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触、 这是与冷作模具工作条件的主要区别。因此会带来以下两 方面的问题：(1)模腔表层金属受热。通常锤锻模工作时.其模腔表面 温度可达300400c以上热挤压模可达 500 800c以 上；压铸模模腔温度与压铸材料种类及浇注温度有关。如 压铸黑色金属时模腔温度可达 1000 C以上。这样高的使用 温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，在使用中易发生 打垛。为此.对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗 力高，包括高温硬度和高

52、温强度、高的热塑变抗力，实际 上反映了钢的高回火稳定性。由此便可以找到热模具钢合 金化的第一种途径，即加入 Cr、W、Si.等合金元素可以提 高钢的回火稳定性。(2)模腔表层金属产生热疲劳(龟裂)。热模的工作特点 是具有间歇性.每次使热态金属成形后都要用水、油、空气等介质冷却模腔的表面。因此.热模的工作状态是反复 受热和冷却，从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷缩， 即反复承受拉压应力作用.其结果引起模腔表面由现龟 裂，称为热疲劳现象，由此，对热模具钢提生了第二个基 本使用性能要求.即具有高的热疲劳抗力。一般说来，影 响钢的热疲劳抗力的因素主要有：钢的导热性。钢的导热性高，可使模具表层金属受热程

53、 度降低，从而减小钢的热疲劳倾向性。一般认为钢的导热 性与合碳量有关，含碳量高时导热性低，所以热作模具钢 不宜采用高碳钢。在生产中通常采用中碳钢(00.3%50.6 %)合碳量过低.会导致钢的硬度和强度下降.也是 不利的。钢的临界点影响。通常钢的临界点( Acl)越高.钢的热 疲劳倾向性越低。因此.一般通过加入合金元素 Cr、W、 Si、引来提高钢的临界点。从而提高钢的热疲劳抗力。.常用热作模具用钢(1)锤锻模用钢。一般说来，锤锻模用钢有两个问题比较 突生一是工作时受冲击负荷作用.故对钢的力学性能要求 较高，特别是对塑变抗力及韧性要求较高；二是锤锻模的 截面尺寸较大( 400mm)故对钢的淬透

54、性要求较高，以 保证整个模具组织和性能均匀。常用锤锻楼用钢有 5CrNiMo、 5CrMnMo、5CrNiW、5CrNiTi及5CrMnMoSiV等。不同类型的锤眼模应选用不同的材料。对特大型或大型的锤锻模以 5CrNiMo为好.也可 采用5CrNiTi、5CrNiW或5CrMnMoSi等。对中小型的锤锻 模通常选用5CrMnMO钢。(2)热挤压模用钢，热挤压模的工作特点是加载速度较 慢，因此，模腔受热温度较高，通常可达500 800Co对这类钢的使用性能要求应以高的高温强度(即高的回火稳定性)和高的耐热疲劳性能为主。对 ak及淬透性的要求可适 当放低。一般的热挤压模尺寸较小，常小于 7090

55、 mm。 常用的热挤压模有 4CrW2Si、3Cr2W8V及5%Cr型等热作 模具钢.其化学成分如表 4.16所示。其中4CrW2Si.既可做冷作模具钢，又可做热作模具钢.由 于用途不同，可采用不同热处理方法。作冷模时采用较低 的淬火温度(870-900 C)及低温或中温回火处理；作热 模时则采用较高的淬火温度(一般为950 1000C)及高温回火处理。(3)压铸模用钢。从总体上看，压铸模用钢的使用性能要 求与热挤压模用钢相近，即以要求高的回火稳定性与高的 热疲劳抗力为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤模 用钢相同.如常采用 4CrW2Si.和3Cr2W8V等钢。但又有 所不同如对熔点较低

56、Zn合金压铸模.可选用 40Cr、30CrMnSi及40CrMo等；对Al和Mg合金压铸模，可选用4CrW2Si、4Cr5MoSiV 等对Cu合金压铸模.多采用3Cr2W8V 专冈。近年来.随着黑色金属压铸工艺的应用，多采用高熔点的铝合金和银合金.或者对 3Cr2W8V钢进行Cr-Al-SI三元共渗，用以制造黑色金属压铸模。最近国内外还正在试验采用高强度的铜合金作黑色金属的压铸模材料。铁/钢/铜/铝和密度常用物质密度表(1g/cm3=1000kg/m3=1吨/立方米)材料名称 密度(g/cm3)材料名称 密度(g/cm3)水1.00玻璃2.60冰 0.92 铅 11.40银10.50酒精0.7

57、9水银(汞)13.60汽油0.75灰口铸铁 6.60-7.40 软木 0.25白 口铸铁 7.40-7.70 锌 7.10可锻铸铁 7.20-7.40纯铜材8.90铜 8.90 59、62、65、68 黄铜 8.50铁 7.86 80、85、90 黄铜 8.70铸钢 7.80 96黄铜 8.80工业纯铁 7.87 59-1、63-3铅黄铜 8.50普通碳素钢 7.85 74-3铅黄铜8.70优质碳素钢 7.85 90-1锡黄铜8.80碳素工具钢 7.85 70-1锡黄铜8.54易切钢 7.85 60-1和62-1锡黄铜 8.50镒钢 7.81 77-2 铝黄铜 8.6015CrA 铭钢 7.7

58、4 67-2.5、66-6-3-2、60-1-1 铝黄铜 8.5020Cr、30Cr、40Cr 铭钢 7.82 银黄铜 8.5038CrA铭钢7.80镒黄铜 8.50铭、机、银、铝、镒、硅钢 7.85 7-0.2、6.5-0.4、6.5-0.1、4-3 锡青铜 8.80纯铝2.70 5-5-5 铸锡青铜 8.80铭银鸨钢7.80 3-12-5铸锡青铜8.69铭铝铝钢7.65铸镁1.80含鸨9高速工具钢 8.30工业纯钛（TA1、TA2、TA3）4.50含鸨18高速工具钢 8.70超硬铝2.850.5镉青铜 8.90 LT1特殊铝 2.750.5铭青铜 8.90工业纯镁 1.7419-2铝青铜7

59、.60 6-6-3铸锡青铜 8.829-4、10-3-1.5铝青铜7.50硅黄铜、银黄铜、铁黄铜 8.5010-4-4铝青铜7.46纯银、阳极镇、电真空镇 8.85高强度合金钢7.82镇铜、镇镁、银硅合金 8.85轴承钢7.81银铭合金8.727 铝青铜 7.80 锌锭（Zn0.1、 Zn1、 Zn2、 Zn3） 7.15钺青铜 8.30铸锌 6.863-1硅青铜8.47 4-1铸造锌铝合金 6.901-3硅青铜8.60 4-0.5铸造锌铝合金 6.751钺青铜8.80铅和铅镶合金 11.371.5镒青铜8.80铅阳极板11.335镒青铜 8.60 4-4-2.5 锡青铜 8.75金19.30 5铝青铜8.204-0.3、4-4-4 锡青铜 8.90 变形镁 MB1 1.76不锈钢 0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 、Cr17Ni2、Cr18、9Cr18、Cr25、Cr28 7.75 MB2、MB8 1.78Cr14 Cr17 7.70 MB3 1.790Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、2Cr18Ni9 7.85 MB5、MB6 MB7 MB15 1.801Cr18Ni11Si4A1Ti 7.52 锻铝 LD8 2.77不锈钢 1Crl8NillNb、Cr23Ni18 7.90 LD7、LD9、LD10 2.802Cr13