《工程材料》第4章工具钢

1、2022/9/22量具第四章 工具钢tool and mould steel模具刃具 什么叫完全淬火和不完全淬火? 一般情况下，结构钢（亚共析钢）采用完全淬火工艺，而工具钢（过共析钢）采用不完全淬火工艺? 亚共析钢：Ac3+3050 ? 过共析钢：Ac1+3050 ?2022/9/224.1概述工具钢用来制造各种工具的钢种 碳素工具钢 刃具用钢 低合金工具钢 高速工具钢分类 冷作模具钢 模具用钢 热作模具钢 塑料模具钢 量具用钢说明：量具用钢无专用钢种，一般可根据量具种类 和精度要求在有关钢种中选择。2022/9/224.1.1工具钢成分与工艺特点11成分组织 一般含 0.61.3%C M+足

2、够数量K 。M硬度高、切断抗力较高、耐磨性好。 什么 M ? Cr、W、Mo、V等:淬透性、耐磨性和热稳定性； Mn、Si辅助加入:淬透性，回稳性 第二相K 球状、细小、均匀分布。主要矛盾 韧度和耐磨性间的合理平衡基体成分和K的性质、数量、形态和分布。2022/9/22工艺特点 锻造 球化退火不完全淬火 淬火工艺参数要求严格。变形开裂倾向工艺措施热 应 力组织应力变形开裂 分级加热、分级淬火、等温淬火、双液淬火;零件设计与其他工艺措施等 模具增加工艺孔减少变形开裂强度塑性 静弯或扭转试验弯曲强度、挠度和扭转强度、扭转角； ?韧度硬度热稳定性 一般采用无缺口冲击试样 ? 一般硬度60HRC以上，

3、K可适当硬度23HRC 对高速钢，通常就是红硬性4.1.2、工具钢基本性能及检测方法 淬透性 断口法碳素工具钢和低合金工具钢； 端淬法合金工具钢，以端淬曲线上 60HRC处距水冷端距离表示。 淬透性作用强弱顺序： Si、Mn、Mo、Cr、NiMe淬透性,只有溶入A中，才起作用；Me作用随钢中含碳量而变化，如Si。工具钢淬透性随热处理条件而变化,如V 注意点图4-1Si在不同碳含量情况下的淬透性因子图4-2V在不同淬火温度时对淬透性的影响2022/9/22 4.1概述4.2碳素钢与低合金工具钢 4.3高速钢（热硬性高，淬透性高） 4.4冷作模具钢 4.5热作模具钢（S回组织） 4.6其他类型工具

4、用钢本章内容2022/9/22刃具用钢的种类刃具种类繁多，包括各种切削工具：车刀，板牙，丝锥，铣刀，刨刀，滚刀，钻头，刮刀等。4.2碳素钢与低合金工具钢2022/9/222022/9/22一. 化学成分：0.651.35碳含量用“T”（碳）表示含碳量千分之几的数值表示其中：A高级优质钢二. 牌号：T7,T8,T8Mn,T9,T10,T11,T12,T13T7A，T8A，T8MnA,T10A，T12A碳素工具钢带4.2.1碳素工具钢（GB12982008）2022/9/22T7T13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15mm的工具。 T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子

5、等； T8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，制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等 淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火. 成本低、工艺性能好、用量大。2022/9/22（1）预处理（球化退火）750770 （2）淬火：780-800 （3）回火：低温180-200 回火后的组织为：隐晶回火马氏体细粒状渗碳体少量的残余奥氏体； 硬度在HRC60以上球状珠光体T12钢正常淬火组织三. 热处理1.合金工具钢碳含量：含碳量小于1时用千分之几表示，如 9SiCr，9Mn2V等。 含碳量大于1时不标碳含量，如 Cr12MoV，CrWMn等。

6、2.合金元素含量：1）平均含量少于1.5的合金钢仅表示元素，一般不标含量, V、Ti、B、RE除外2） 含量在1.52.49，2.53.49,3.54.49 分别以2，3，4表示。3）低铬工具钢Cr含量用千分之几表示，如：Cr064.2.2低合金工具钢淬火工艺T淬为Ac1 +3050?油冷，熔盐分级淬火，等温淬火(B等温淬火和M等温淬火) 一般组织含碳量0.50.6的M+未溶粒状K合金化 Cr、Si、W、Mo、Mn 、V等元素，耐磨性和回稳性，淬透性采用缓冷方式，变形开裂 Cr: 1%左右，细化K，均匀分布； Mn: 主要淬透性; Si: 低温回稳性，Si强化F,切削加工性,脱碳敏感性，不单独

7、加入； ? W: 0.51.5%，W含量太多K类型转变，且使K分布不均匀，恶化性能。 V: 过热敏感性,细化晶粒, 回稳性合金元素具体作用9SiCr： Si / Cr淬透性，D油60HRC； K细小、均 匀不容易崩刃； 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。 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。三.典型的低合金工具钢 （GB/T12992000）2022/9/22CrWMn： Cr、W、Mn复合，淬透性，D油=5070mm； AR在1820%，淬火后变形小； 含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒细小高硬度、高耐磨性； 回稳性较好，250

8、回火，10%AR + K1回火回火 M回 + M + 7%AR + K2 M回 + AR （1-2%） + K3（ K1 等以示区别）2022/9/22图4-16W18Cr4V高速钢回火次数与残余奥氏体量（a）和性能（b）的关系 图4-17W18Cr4V钢回火一次金相组织 （400X） 图4-18W18Cr4V钢回火三次的金相组织 （400X） 2022/9/22作业题1.高速钢（W18Cr4V）的A1点温度在800左右，为什么常用的淬火加热温度却高达1280？2.有一批W18VCr4V钢制钻头，淬火后硬度偏低，经检验是淬火加热温度出了问题。淬火加热温度可能会出现什么问题？怎样从金相组织上去判

9、断？2022/9/223.高速钢的铸态组织是什么?正常淬火回火后的组织是什么?4.为什么高速钢淬火后要选择560回火?并在此温度下进行三次和多次回火?为何不能用一次长时间回火代替？回火后得到什么组织？2022/9/22 4.1概述 4.2碳素钢与低合金工具钢 4.3高速钢（热硬性高，淬透性高）4.4冷作模具钢 4.5热作模具钢（S回组织） 4.6其他类型工具用钢本章内容2022/9/224.4冷作模具钢cold-working mould steel 4.4.1 冷作模具钢性能及分类4.4.2碳素工具钢和低合金工具钢4.4.3高Cr和中Cr模具钢4.4.4基体钢汽车冲压模具2022/9/22冷

10、作模具钢是指金属在冷态下变形所用的模具钢。冷作模具钢性能及分类 金属在冷态下变形 拉延、冲压、冷鐓或冷挤成形等共同特点 工作T不高，模具主要承受高压力或冲击力，有强烈的摩擦 主要技术要求为具有高硬度和耐磨性，有一定韧性技术要求典型冲压模及产品2022/9/224.4.1 碳素工具钢和低合金工具钢1.碳素工具钢： T8-T13优点：加工性好，成本低缺点：淬透性低，耐磨性不够，淬火变形大，使用寿命低。用途：小尺寸，形状简单，负荷较低的模具2.低合金工具钢：9Mn2V，9SiCr，GCr15，CrWMn等优点：较高淬透性，较好耐磨性，较小淬火变形用途：尺寸较大，形状复杂，精度要求较高的模具T8AT1

11、29SiCrCr2/ GCr15 CrWMn9Mn2V 9Mn2V特点： Mn淬透性，D油= 30mm； Mn MS，AR约2022%，变形小； V能克服Mn缺点,过热敏感性，细化晶粒； 硬度稍低，回稳性较差 200以下回火； VC使钢的磨削性能变差。 各种类型的中小冷作模具都可采用。2022/9/224.4.2高铬和中铬模具钢用于大载荷，耐磨性高，热处理变形小，形状复杂的模具（GB12992000）高铬模具钢Cr12Cr12MoV，不标注含碳量。中铬模具钢Cr4W2MoV表4-6 一些高铬和中铬模具钢的化学成分 （%）钢号CCrWMoVSi Cr122.00-2.3011.50-13.00C

12、r12MoV1.45-1.7011.00-12.500.40-0.600.15-0.30Cr4W2MoV1.12-1.253.50-4.001.90-2.600.80-1.200.80-1.109Cr6W3Mo2V2(GM高耐磨)0.86-0.945.60-6.402.80-3.202.20-2.501.70-2.207Cr7Mo2V2Si(LD冷镦)0.68-0.786.50-7.501.90-2.201.70-2.200.70-1.202022/9/224.4.2.1高碳高铬模具钢一.代表钢种：（1）特性 Cr12MoV钢具有高淬透性，截面200300mm 以下可以完全淬透。Cr12MoV

13、钢主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，有“冷作模具王牌”之称。 (2)组织变化特点： 选择T淬和回火温度来控制工具的变形。 调节淬火温度： T淬 AR 体积V 一定程度可抵消M转变所引起的胀大；调节回火温度： 450，AR转变为M 体积 2022/9/22（1）锻造高Cr模具钢与高速钢类似，属莱氏体钢，铸态组织中的碳化物严重不均匀，需要锻轧破碎（2）预备热处理：球化退火消除应力，便于切削加工为淬火做准备二.高Cr模具钢的热加工工艺图4-19 Cr12MoV钢的球化退火工艺2022/9/22(3)Cr12型钢热处理工艺一次硬化法 低淬和低回晶粒细小，强韧性好。9801030淬火+150

14、170回火，硬度为6163HRC，残奥量少。12左右未溶（Cr，Fe）7C3碳化物。 一次硬化法使用较普遍二次硬化法 1050l100+500左右多次回火，硬度回升到6062HRC。热硬性较好，强韧性较低。二次硬化法适合于工作温度比 较高（400500）且受载荷不大或淬火后表面需要氧化处理的模具。 图4-20 Cr12MoV钢的硬度、残余奥氏体量与淬火温度的关系 2022/9/224.4.2.2.高碳中Cr模具钢 Cr5Mo1V （美A2）是值得推广的空冷淬硬冷作模具钢，是国际上通用的钢种。100mm以下可空冷淬硬，适用于形状复杂、要求热处理变形小又需要好的耐磨性和良好韧度的冷作模具，如下料模

15、、成形模、冲头、剪刀片等。 典型钢号：Cr4W2MoV和Cr5Mo1V。K以M7C3型为主，分布较均匀，具有耐磨性好和热处理变形小的特点，适于制造既要求有高的耐磨性，又具有一定韧度的模具。2022/9/224.4.3基体钢随冷挤压技术的发展，对模具的强度，韧性，耐磨性提出了更高的要求，一般的低合金工具钢和Cr12型钢难以满足要求，很多工厂以高速钢作冷挤压凸模。由于凸模无红硬性要求，强度、韧性要求更高，所以必须调整高速钢成分和热处理工艺。一般采用： 高速钢的低温淬火（由于低温淬火未溶碳化物多，阻碍奥氏体晶粒长大，韧性较好） 应用低碳高速钢(6W6Mo5Cr4V) 选用基体钢(6Cr4W3Mo2V

16、Nb) (以前称65Nb)2022/9/22概念：成分相当于高速钢淬火组织中基体成分的钢种特点：过剩碳化物少，颗粒细小，分布均匀，冲击韧性和疲劳强度较好，并保持了较高的耐磨性和红硬性代表钢种：65Nb（6Cr4W3Mo2VNb） 接近于6-5-4-2的基体。表4-7高速钢淬火状态的基体化学成分钢号淬火温度/CWMoCrVW18Cr4V1100油0.345.24.50.351200油0.456.64.50.651300油0.578.74.51.0W6Mo5Cr4V21050油0.330.91.54.31.11150油0.421.31.84.31.51250油0.532.12.44.41.8202

17、2/9/22作业题1.Crl2MoV是冷作模具钢，如要求具有较高的强度和韧性，采用什么样的热处理工艺?如要求具有高的红硬性及二次硬化效果应采取什么样的热处理工艺?2.为减少Cr12MoV钢淬火变形开裂，只淬火到200左右就出油，出油后不空冷，立即低温回火，而且只回火一次。这样做有什么不好？为什么？3.如果想选择W18Cr4V钢作为冷作模具钢使用，热处理工艺应该如何选择，为什么?2022/9/22 4.1概述 4.2碳素钢与低合金工具钢 4.3高速钢（热硬性高，淬透性高） 4.4冷作模具钢4.5热作模具钢（S回组织） 4.6其他类型工具用钢本章内容2022/9/224.5热作模具钢hot-wor

18、king mould steel （S回组织）4.5.1热作模具钢基本性能和成分特点4.5.2锤锻模大型压力机锻模用钢4.5.3热挤压模小型压力机锻模用钢4.5.4压铸模用钢2022/9/22热作模具钢基本性能和成分特点（一）基本性能特点 使热或液态金属获得所需形状 模具是在反复受热和冷却条件下工作。模具受热时间越长，受热程度就越严重。 许多模具还受到较大冲击力。工作条件苛刻 模具钢应具有高抗热塑性变形能力、高韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性服役条件技术要求2022/9/221.含碳量 0.3-0.6之间 靠碳化物强化，但不能太高，以保证钢的韧性抗热疲劳性2.合金元素 Cr，W，Mo，V，N

19、i，Si等元素 （1）提高钢的高温强度，高温硬度回火稳定性，以及高温下的抗变形，磨损能力 （2）提高Ac1点，避免模具在受热、受冷过程中产生相变组织应力，从而提高钢的抗热疲劳强度和韧性 （3）提高淬透性，强化基体 （二）热作模具钢成分特点（GB12992000）2022/9/224.5.1锤锻模大型压力机锻模用钢热锤锻模钢是在高温下通过冲击强迫金属成形的工具服役条件性能要求1）反复冷、热 龟裂、热疲劳 热疲劳抗力A1， 硬度是有利的；2）表层温度500,冲击力大热强性韧度高温回火； 消除回脆,整体性能好；3）强烈摩擦磨损模具高温耐磨性4）模具尺寸比较大淬透性好，导热性好2022/9/22一、成

20、分特点 C：一般在0.450.60%，以保证一定硬度和冲击韧度。 Cr：一般1%左右，淬透性，回稳性，改善AK； Ni：能 AK ，和Cr共同作用钢淬透性； Mn：主要代Ni，但Mn 过热敏感性和回火脆性。 Si：能强度、回稳性和耐热疲劳性，Si量1% 。 Mo、V：有效地细化晶粒，过热倾向，回稳性。 Mo（W）最重要的作用是钢的回火脆性。 不但热锤锻模钢都含有Mo元素，其他热作模具钢也都用Mo（W）合金化。使用最广泛的是5CrNiMo和5CrMnMo钢 。 二、工艺特点 硬度要求：小型模硬度要求在40 44HRC，相对较高； 大型模硬度在3538HRC为宜，相对较低。?锻模模面：大中型模36

21、 42HRC，较高； 锻模模尾：大中型模30 35HRC，较低。? 思考：锻模模面和模尾硬度不同，在工艺上有什么措施? 热处理工艺：5CrNiMo5CrMnMo: T淬 830860; T回 450580图 4-22 硬度与T回的关系图4-21 强度和韧度与T回的关系三、工艺要求： 注意保护模面和模尾，以避免脱碳。 加热要注意预热，450左右预热，升温速度要慢, 50/h； 冷却要注意预冷，预冷到780左右，循环油冷，冷至150200取出； 淬火后必须立即回火，绝对不允许冷至室温。 思考：为什么?上图 锻模加热时 的保护右图 盐浴中燕尾 部分的回火2022/9/224.5.2热挤压模小型压力机

22、锻模用钢 和热锤锻模相比，热挤压模在工作时需要较长时间与被变形加工的金属接触，其受热的温度往往更高。热挤压模还承受很大的应力和摩擦力。 这类模具的尺寸一般都不大，比锤锻模要小。 热挤压模主要要求有高的热稳定性、较高的高温强度、耐热疲劳性和高的耐磨性。有铬系、钨系和钼系热模具钢三类。必须选用高热强性热作模具钢 2022/9/22铬系： 4Cr5MoSiV、4Cr5W2SiV等常用。淬透性较高，较高的强度和韧度，抗氧化性较好。常用于制造尺寸不大的热锻模、钢及铜的热挤压模、铝及铜合金的压铸模等。 3Cr2W8V钢使用最多，具有高的热稳定性、耐磨性，但韧度和抗热疲劳性较差。国外已基本停止，以H13（4

23、Cr5MoSiV1）代之。钨系：2022/9/224.5.3压铸模用钢汽车四缸压铸模 要求压铸模具钢有高的耐热疲劳性、较高的导热性、良好的耐磨性及耐蚀性和一定的高温强度等 压力铸造是在高的压力下，使液态金属挤满型腔成型。在工作中模具反复与炽热金属接触.2022/9/22 压铸模具钢的选择首先要根据浇注金属的温度和浇注金属的种类来决定。 锌合金、铝合金、镁合金是低熔点的金属合金，可以选择30CrMnSi、40Cr、5CrMnMo等低合金钢来制造压铸模具。如压铸锌合金的模具可采用5CrMnMo钢，也可使用40Cr调质钢. 压铸铝、镁合金的模具目前常选用3Cr2W8V、H13(4Cr5MoSiV1)钢 铜合金和黑色金属的熔点比较高采用难熔金属为基的合金，如钼基合金、钨基合金等铝合金压铸模2022/9/22作业题高速钢和经过二次硬化的Cr12型钢都有很高的红硬性，能否作为热作模具使用？为什么？ 2022/9/22 4.1概述 4.2碳素钢与低合金工具钢 4.3高速钢（热硬性高，淬透性高） 4.4冷作模具钢 4.5热作模具钢（S回组织）4.6其他类型工具用钢本章内容4.6 其它类型工具用钢 1、耐冲击用钢 （略）切边、冲孔、剪切等和一般模具比:剪切力大，刃口薄和一般刃具比，冲击力大耐磨性韧度高韧度耐磨C%，回稳性,形成稳定K+ S