工具钢市公开课一等奖省赛课获奖课件

Chapter4工具钢工具钢第1页主要内容4.1碳素及低合金工具钢4.2高速工具钢4.3冷作模具钢4.4热作模具钢工具钢第2页重点及基本要求掌握各类钢经典牌号、成份特点、合金元素作用、热处理及应用。重点是刃具钢、高碳高铬模具钢、锤锻模用钢。难点是高速钢合金元素作用、热处理工艺制订依据和显微组织与性能特点。工具钢第3页一、工具钢分类

1、按化学成份分：

碳素工具钢；低合金工具钢；高合金工具钢。2、按用途分：

刃具钢；模具钢：冷作模具钢；热作模具钢；塑料模具钢。量具钢。4.1工具钢分类和基本性能要求

工具钢第4页二、工具钢基本性能要求

1刃具钢高硬度、高耐磨性、一定塑性和韧性。有还要求高红硬性。

红硬性：在高温下保持高硬度能力。2热作模具钢高温下含有一定强度和硬度、抗热疲劳性和良好韧性。3冷作模具钢（冷冲模、冷镦模、剪切片和冷轧辊等）高硬度、高耐磨性、一定塑性和韧性。4量具钢高硬度、高耐磨性和良好尺寸稳定性。工具钢第5页4.1碳素及低合金工具钢工具钢第6页一、碳素工具钢

1、化学成份普通含有0.65-1.35%C。含碳量越高，则钢耐磨性越好，而韧性越差。经典牌号：T7、T8、T9、T10、T11、T12及T13各类。工具钢第7页一、碳素工具钢2、热处理、硬度与应用不完全淬火（Ac1+30-50℃）和低温回火；淬火介质：盐水或碱水。硬度：HRC58-64，红硬性较低。应用：低速切削刃具和简单冷冲模，工作温度低于200℃。工具钢第8页3、惯用碳素工具钢成份、性能及用途

钢号化学成份硬度用途举例CSiMn供给状态HB淬火后HRCT70.65-0.74≤0.35≤0.40≤187≥62承受冲击，韧性很好、硬度适当工具，如手钳、大锤、改锥、木工工具T80.75-0.84≤0.35≤0.40≤187≥62承受冲击，要求硬度较高工具，如冲头、压缩空气工具、木工工具T8Mn0.80-0.90≤0.350.40-0.60≤187≥62同上，但淬透性较大，可制断面较大工具T90.85-0.94≤0.35≤0.40≤192≥62韧性中等、硬度高工具，如冲头、木工工具、凿岩工具T100.95-1.04≤0.35≤0.40≤197≥62不受猛烈冲击、高硬度耐磨工具，如车刀、刨刀、丝锥、手锯条T111.05-1.14≤0.35≤0.40≤207≥62同上T121.15-1.24≤0.35≤0.40≤207≥62不受冲击、要求高硬度高耐磨工具，如锉刀、刮刀、精车刀、量具T131.25-1.35≤0.35≤0.40≤217≥62同上，要求更耐磨工具，如刮刀、剃刀工具钢第9页二、低合金工具钢

1、主要合金元素及作用铬、锰、硅、钨、钼、钒等。增加淬透性。阻止奥氏体晶粒长大，提升韧性。提升钢回火稳定性。

4.2刃具钢

工具钢第10页2、铸造及热处理

铸造：需屡次锻粗和拔长，使碳化物分布均匀。预备热处理：球化退火，取得球状珠光体。最终热处理：淬火+低温回火

淬火：加热温度比碳素工具钢稍高些，可用油、熔盐等较缓解淬火介质。

回火：160-200℃。工具钢第11页3、惯用低合金工具钢化学成份、

力学性能和用途

钢号化学成份，wt%热处理及硬度用途CMnSiCr其它淬火，℃淬火，HRC回火，℃回火后，HRCCr061.30-1.45≤0.40≤0.400.50-0.70-800-810，水63-65160-18062-64锉刀、刮刀、刻刀Cr20.95-1.10≤0.40≤0.401.30-1.65-830-850，油62-65150-17060-62同上9SiCr0.85-0.950.30-0.601.20-1.600.95-1.25-830-860，油62-64150-20061-63丝锥、板牙、钻头、铰刀CrWMn0.90-1.050.80-1.10≤0.400.90-1.20W1.20-1.60800-830，油62-63160-20061-62拉刀、长丝锥、长铰刀9Mn2V0.85-0.951.70-2.00≤0.40-V0.10-0.25760-780，油＞62130-17060-62丝锥、板牙、铰刀CrW51.25-1.50≤0.40≤0.400.40-0.70W4.50-5.50800-850，油65-66160-18064-65低速切削硬金属刃具，如车刀、铣刀工具钢第12页4.2高速工具钢工具钢第13页高速工具钢

高速切削刀具，在650℃时，仍能使硬度保持HRC50以上，从而确保其切削性能和耐磨性。高速钢刀具切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢增加1～3倍，而耐用性增加7～14倍。

工具钢第14页一、高速钢化学成份、铸态组织

和碳化物类型

1高速钢化学成份我国最常见高速钢为钨系和钨钼系，主要合金元素是W、Mo、Cr、V和Co，属于高合金莱氏体钢。钢号化学成份（%）CSiMnCrMoWVW18Cr4V0.7-0.9≤0.4≤0.43.8-4.4≤0.317.5-191.0-1.4W6Mo5Cr4V20.8-0.9≤0.4≤0.43.8-4.44.5-5.55.5-6.71.75-2.2工具钢第15页一、高速钢化学成份、铸态组织

和碳化物类型2高速钢铸态组织

通常由鱼骨状莱氏体(Ld)、中心黑色共析体、白亮马氏体和残余奥氏体组成。如图4-2。工具钢第16页工具钢第17页3高速钢碳化物在钨系和钨钼系高速钢中，平衡状态下含有M6C、M23C6、MC三种碳化物。18-4-1高速钢退火状态碳化物总量约为30%左右，其中M6C型碳化物约占18%，M23C6型碳化物约占8%。MC型碳化物约占1%。在淬火状态下，只有M6C和MC。在回火（650℃）状态有M2C、MC析出。工具钢第18页M6C型碳化物：经典M6C型碳化物是Fe4W2C。其中Fe和W能够相互置换，形成Fe3W3C或Fe2W4C。钢中含有Cr、Mo、V可溶解在M6C中，Mo、V可置换W；Cr可置换Fe、W，这就使M6C稳定性不一样。如Cr溶入M6C中，使M6C稳定性下降。M6C硬度为73.5HRC~77HRC。工具钢第19页M23C6型碳化物：

是以Cr、W、Mo为主并溶有铁等元素碳化物（Cr、Fe、W、Mo、V）23C6。经典碳化物是Cr23C6，其稳定性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢淬透性。工具钢第20页MC型碳化物：

是以V为主VC，也能溶解少许W、Mo、Cr等元素。碳化物VC稳定性最高，即使在淬火加热温度下，也不能全部溶解。VC最高硬度可达83~85HRC。在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢含有高耐磨性。工具钢第21页M2C和M7C3型碳化物：高速钢在回火过程中，当温度超出500℃时，自马氏体中析出W2C、Mo2C，引发钢弥散硬化。当回火温度超出650℃时，则析出M6C及M7C3，它们轻易聚集长大，使钢硬度下降。工具钢第22页二、高速钢铸造和热处理

1铸造

高速钢铸态组织很不均匀。大量不均匀分布粗大碳化物，将造成强度及韧性下降。这种缺点不能用热处理工艺来矫正，必须借助于重复压力热加工(锻、轧)，将粗大共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均匀分布在基体内。高速钢在空气中冷却即可进行马氏体转变，所以铸造或轧制以后，钢坯应迟缓冷却，以预防产生过高应力造成开裂。工具钢第23页2退火高速钢铸造以后，必须进行球化退火，其目标不但在于降低钢硬度，以利切削加工，而且也为以后淬火作组织上准备。18-4-1钢AC1温度是820-860℃，故退火温度为860℃～880℃。在该温度保温2～3h，大部分合金碳化物未溶入奥氏体中，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易于转变为粒状珠光体和剩下碳化物（图4.3）。

工具钢第24页3淬火18-4-1钢淬火温度是1280℃。淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体数量越多，淬火之后马氏体合金浓度越高。只有合金含量高马氏体才含有高回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生二次硬化，使钢含有高硬度和红硬性。高速钢中合金碳化物M6C、M23C6和MC比较稳定，必须在高温下将其溶解。三者中M23C6稳定性最差，在900℃大量溶解，1090℃溶解完成；M6C在1037℃以上开始溶解，1250℃以上溶解量逐步减小；MC在1100℃以上逐步溶解，溶解速度比M6C迟缓。由图4-4可知，在1280℃淬火温度下，18-4-1钢奥氏体中合金元素质量分数，Cr基本溶解，W溶解7-8%，V溶解0.5-1.0%。工具钢第25页工具钢第26页3淬火温度超出1300℃时，各元素溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至在晶界处发生溶化现象。使淬火钢韧性大大下降。所以，1280℃作为淬火温度。因为高速钢导热性差，而淬火温度又极高，为降低工件在加热时变形开裂和缩短高温保持时间，降低脱碳，可采取预热。一次预热在800-850℃，二次预热在800-850℃前加一次500-600℃预热。淬火普通采取油淬空冷，对细长件和薄片刃具采取分级淬火，普通在580-620℃一次分级或在350-400℃做第二次分级。钢正常淬火组织是马氏体＋碳化物＋残余奥氏体(30%左右)。图4-5为高速钢正常淬火组织，图4-7为1350℃油淬后过烧组织。工具钢第27页工具钢第28页4回火高速钢普通需进行三次560℃保温1h回火处理。图4-8，4-9示出了回火温度和回火次数对18-4-1高速钢强度、硬度和塑性影响。回火温度在500-600℃之间，钢硬度、强度和塑性都有提升，而在550-570℃时可到达硬度、强度最大值。在此温度区间，自马氏体中析出弥散钨(钼)及钒碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使钢硬度大大提升，这种现象称为二次硬化。当回火温度500～600℃之间时，残余应力松弛，基体中析出了部分碳化物，使残余奥氏体中合金元素及碳含量下降，Ms点升高。这种贫化残余奥氏体，在回火后冷却过程中，转变为马氏体，使钢硬度也有所提升。为了降低残余奥氏体量，需增加回火冷却次数，三次回火后残余奥氏体量完全转变。正常回火后硬度为HRC63～66，其组织为回火马氏体加碳化物。惯用高速钢钢棒热处理制度、主要特征及用途举比如表4-5。工具钢第29页工具钢第30页高速钢热处理工艺规范图工具钢第31页5高速钢表面强化为改进刃具切削效率和提升耐用性，生产上经常对刃具进行表面强化处理。表面强化主要有化学热处理和表面复层处理两类。前者包含蒸气处理、气体软氮化、离子氮化、氧氮化(氧氮共渗)等。表面复层处理则使金属表面形成耐磨碳化钛、氮化钛复层，许多国家已用于生产。

工具钢第32页三、高速钢中合金元素作用1碳主要强化元素，伴随碳含量深入增高，淬火回火后硬度和热硬性都增高。若碳和碳化物形成元素满足碳化物分子式中定比关系，能够取得最大二次硬化效应。C%=0.033%W+0.063%Mo+0.20%V+0.060%Cr若碳含量很高，碳化物总量增多，碳化物不均匀性增加；淬火后残余奥氏体量增多，需屡次回火；使固相线温度降低，淬火温度下降。对W-Mo系，增加碳含量将使钢抗弯强度和韧性显著下降。工具钢第33页2钨和钼

提升热硬性、回火稳定性和细化晶粒、改进韧性。共晶碳化物M6C淬火加热时大量未溶，妨碍奥氏体晶粒长大，改进韧性。固溶在奥氏体中7-8%W淬火后提升回火稳定性；回火时析出W2C，产生弥散硬化，提升热硬性。钼作用与钨相同，1%Mo可取代1.5%W。钼使共晶碳化物由鱼骨状变成细鸟巢状，减小碳化物不均匀性；热硬性略低；脱碳倾向大；钼系抗弯强度和韧性远高于钨系。工具钢第34页3铬

提升淬透性，也增加耐蚀性和抗氧化能力。Cr在钢中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化物中。淬火加热Cr几乎全部溶于奥氏体中，主要提升淬透性。工具钢第35页4钒

细化晶粒，提升回火稳定性和热硬性。V在钢中主要以VC存在，也溶于其它类型碳化物。淬火加热时，VC部分溶于奥氏体中，未溶部分妨碍奥氏体晶粒长大，溶解部分使马氏体回火稳定性提升；回火时析出弥散VC产生二次硬化，提升热硬性。高速钢中含V量增多，热硬性显著提升。高V高速钢中，鸟巢状共晶碳化物VC增多，可达10%左右，提升钢耐磨性，但也使切削加工性能降低。高V高速钢属于高热硬性高耐磨性钢。工具钢第36页5钴

提升回火稳定性和热硬性。降低韧性、增大脱碳倾向。淬火加热时溶于奥氏体中，提升马氏体回火稳定性。Co与W和Mo原子间结协力强，可减轻W和Mo原子扩散速率，减慢合金碳化物析出和聚集长大，增加热硬性。工具钢第37页6微合金元素氮：提升热硬性，同时也提升抗弯强度和挠度，改进韧性。N溶于碳化物中，形成合金碳氮化物，使M6C碳化物稳定性提升，减小聚集倾向。N细化奥氏体晶粒，提升晶界开始熔化温度，因而提升了淬火温度和合金元素溶解量，增加回火硬度和热硬性。稀土元素：提升钢在900-1150℃间热塑性。加入稀土元素降低硫在晶界偏聚，提升热塑性。工具钢第38页四、高速钢刃具热处理缺点

1过热因为淬火温度过高等原因，造成晶粒过大，剩下碳化物数量降低，碳化物出现粘连、拖尾、角状或沿晶界呈网状分布现象称为过热。2过烧淬火温度靠近钢熔化温度，晶界熔化，出现莱氏体及黑色组织，称为过烧(图4-7)。过烧刃具，经常出现严重变形或皱皮现象，这种缺点是不可挽救。工具钢第39页四、高速钢刃具热处理缺点3脱碳表面脱碳使工具硬度降低，金相组织中出现显著铁素体，在其基体上还有碳化物存在。钢表层脱碳，使Ms点升高，在淬火时，表层先转变为马氏体，形成一层薄硬壳，随即心部进行马氏体转变时，体积膨胀，表层受到张应力，易于引发开裂，同时其硬度和耐磨性也降低，从而大大降低刃具寿命。4萘状断口萘状断口呈闪光粗粒状，有如萘光，故得名。其金相组织为粗大晶粒。产生萘状断口刀具，强度、韧性极低，使用时易崩刃或折断，是一个不可挽救缺点。萘断口形成主要是因为停锻温度过高(1050～1100℃)，而且变形量又在10～15％左右，或因为需返修而进行两次淬火，其间未经退火造成。假如淬火前不进行充分退火，也轻易产生萘状断口。工具钢第40页作业题：1惯用碳素工具钢和低合金工具钢经典钢种有哪些，预备热处理工艺、最终热处理工艺、使用态显微组织和主要应用怎样？2请制订高速钢W18Cr4V热处理工艺，说出工艺制订原因？3高速钢W18Cr4V中合金元素作用是什么？思索题：了解其它高速钢成份、合金元素作用、主要性能及用途？工具钢第41页4.3冷作模具钢工具钢第42页一、冷作模具服役条件、失效方式

和性能要求（1）

冷作模具钢包含拉延、拉丝和压弯模、冲裁模（落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模等）、冷镦模和冷挤压模等，工作温度普通不超出300℃。冷作模具钢在服役时，因为被加工材料变形抗力比较大，模具工作部分承受很大压应力、弯曲力、冲击力及摩擦力。所以冷作模具钢主要失效形式是磨损，有时也因断裂、崩刃和变形超差而提前失效。工具钢第43页一、冷作模具服役条件、失效方式

和性能要求（2）要求模含有高硬度和耐磨性、高抗弯强度和足够韧性。对性能要求与刃具钢相比：模具形状及加工工艺比较复杂，而且摩擦面积大，磨损可能性大，所以修磨困难，所以要求模具钢含有更高耐磨性承受冲击力大，又因为形状复杂易于产生应力集中，所以要求含有较高韧性模具尺寸大、形状复杂，所以要求较高淬透性、较小变形及较小开裂倾向。工具钢第44页二、碳素及低合金模具钢

惯用作冷作模具碳素工具钢有T8A、T10A、T12A。惯用作冷作模具低合金工具钢有9Mn2V、9CrSi、CrWMn等。只能用于制作尺寸小、形状简单、工作负荷较轻模具。工具钢第45页三、高碳高铬模具钢

1、高碳高铬模具钢成份和特点含有较高C（1.4%~2.3%）和大量Cr（11%~13%），有时还加入少许Mo和V。这类钢经典钢号有Cr12、Cr12MoV和Cr12Mo1V1，其化学成份以下见表4-6。工具钢第46页

高碳高铬冷变形模具钢含有以下特点：

①高耐磨性：主要因为存在大量M7C3型碳化物。②高淬透性：Cr12MoV钢，截面300～400mm以下能够完全淬透。③淬火变形小：随淬火温度升高，体积改变减小，显然这与残余奥氏体量增多相关。④高红硬性：经回火处理产生二次硬化，有较高红硬性。⑤碳化物不均匀比较严重：通常需要经过改锻来降低碳化物级别。

工具钢第47页2铸造和退火高碳高铬型钢组织和性能与高速钢有许多相同之处，也属于莱氏体钢。铸态组织也有共晶莱氏体存在，必须经过轧制或铸造，破碎共晶碳化物，也降低碳化物不均匀分布。铸造后通常采取等温球化退火进行软化。A1温度为800℃~820℃，所以等温球化退火加热温度普通为850℃~870℃，保温3h~4h；退火等温温度为720℃~740℃，保温6h~8h，炉冷至小于500℃出炉空冷，如图4-9。等温球化退火后组织与高速钢退火组织相同，为索氏体型珠光体+粒状碳化物。退火后硬度为207~267HB。4.3冷作模具钢工具钢第48页工具钢第49页3淬火和回火

伴随加热温度升高，合金碳化物Cr7C3继续向奥氏体中溶解，增加了奥氏体中碳和铬浓度，可取得较高淬火硬度。淬火温度升高到1050℃时，淬火硬度达最大值。若淬火温度再升高，因为奥氏体中合金元素增多，使Ms点下降，从而造成残余奥氏体量增加，硬度急剧下降。如图4-12。工具钢第50页工具钢第51页

高碳高铬型钢淬火、回火处理有以下两种工艺方法：(1)一次硬化处理

采取较低淬火温度并进行低温回火。选取较低淬火温度，晶粒较细，钢强度和韧性很好。通常Cr12MoV钢选取980～1030℃淬火，如希望得到较高硬度，淬火温度可取上限。回火温度普通在150-170℃。硬度HRC61-63。回火温度升高时硬度降低,但强度和韧性提升。大多数Cr12型钢制作冷变形模具均采取此工艺。工具钢第52页(2)二次硬化处理

在较高温度淬火，然后进行屡次高温回火，以到达二次硬化目标。这么能够取得高回火稳定性，但稍降低钢强度和韧性。二次硬化处理适于工作温度较高(400-500℃)且负荷不大或淬火后表面需要氮化模具。工具钢第53页四、高碳中铬模具钢

1中铬模具钢成份和特点经典钢种：Cr6WV、Cr4W2MoV和Cr5Mo1V。含碳量相对低、铬量低，属于过共析钢，但仍有部分莱氏体共晶。碳化物以Cr7C3为主，并有少许M6C和MC型。碳化物分布较均匀，退火态含有15%左右碳化物。耐磨性好、热处理变形小，适合用于既要求耐磨性又含有一定韧性模具。工具钢第54页2淬火、回火

Cr6WV淬火温度通常采取960-980℃，热油淬火，150-200℃回火，硬度HRC58-62。淬火温度提升，可取得最高硬度和淬透性。耐磨性低于Cr12钢，但有很好强韧性。惯用合金冷作模具钢热处理、主要特征和用途如表4-7。

工具钢第55页五、基体钢和低碳高速钢

所谓基体钢系指含有高速钢淬火组织中除过剩碳化物外基体化学成份钢种。这种钢，现有高速钢基体强度和热硬性，又不含有大量未溶碳化物，故不致使韧性和疲劳强度降低。普通18-4-1和6-5-4-2高速钢正常淬火后基体成份如表4-8。工具钢第56页工具钢第57页由表4-8和表4-6可见，基体钢也能够认为是一个较低碳含量高速钢（有时称为低碳高速钢，实际碳含量处于中碳成份）。这种低碳高速钢惯用于高冲击负荷下模具，因为碳化物相对较少，钢韧性和工艺性能也显著改进。低碳高速钢应用最多是6W6Mo5Cr4V钢，碳和钒含量都比高速钢6-5-4-2降低，但仍属于莱氏体钢。这种钢适宜淬火温度为1180℃~1200℃，在油、空气或盐浴中冷却，淬火后经560℃~580℃回火三次，硬度为（60~63）HRC。其它钢种：50Cr4Mo3W2V，55Cr4Mo5WVCo8，65Cr4W3Mo2VNb，60Cr4Mo3Ni2WV。工具钢第58页六、新型冷作模具钢

为适应冷镦模和厚板冲剪模要求，现有良好耐磨性，又有较高韧性，发展高韧、高耐磨钢种。经典钢种有8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2V2WSi，我国惯用是7Cr7Mo2V2Si钢。7Cr7Mo2V2Si钢成份：0.75%C,1.0%Si,7.0%Cr,2.5%Mo,2.0%V。总合金元素质量分数12%左右，有很好淬透性，热处理变形小。工具钢第59页在退火状态，钢中碳化物以VC为主，还有少许M23C6和M6C。淬火温度1100-1150℃，此时剩下碳化物为3%VC，提升耐磨性。因为剩下碳化物总量不高，钢韧性很好。淬火回火时在500-550℃间出现二次硬化峰。要求强韧性好模具，采取低淬火温度1100℃，550℃回火2-3次。要求高耐磨性，采取高淬火温度1150℃，560℃回火2-3次。工具钢第60页作业：叙述高碳高铬模具钢成份、热处理、性能特点及用途。思索题：了解其它类型冷作模具钢成份、热处理、性能特点及用途。4.3冷作模具钢工具钢第61页4.4热作模具钢工具钢第62页热作模具主要包括锤锻模、热挤压模和压铸模三类。热作模具服役条件主要共同特点是与热态金属直接接触。所以会带来以下两个方面影响：一是模腔表面金属受热（锤锻模模腔表面可达300℃~400℃，热挤压模可达500~800℃，压铸模模腔温度与压铸材料熔点及浇注温度有关，对于黑色金属高达1000℃以上），使模腔表面硬度和强度显著降低；二是模腔表面金属在承受反复热、冷作用下出现热疲劳（龟裂）。对热作模具钢性能要求一方面是高高温硬度、高热塑性变形抗力，实际上反映了钢高回火稳定性；其次是要求钢具有高热疲劳抗力。一、热作模具服役条件和性能要求

工具钢第63页二、锤锻模用钢

1、化学成份和经典钢种

碳含量不宜过高，一般在0.45-0.6%之间。中碳可以保证钢具有足够韧性，碳含量过低会导致钢硬度和强度下降，碳含量过高，钢导热性能低，对抗热疲劳有利。加入Cr、Mn、Ni、Si、W、V等合金元素。一方面可以强化铁素体基体和增加淬透性，其次这些合金元素还可以提高钢回火稳定性，并在回火过程中产生二次硬化效应，从而提高钢高温强度、高热塑性变形抗力；同时这些合金元素加入