材料与热处理(项目十)

项目十工具用钢10.1工具用碳钢10.2工具用合金钢10.1工具用碳钢用于制造刃具、量具和模具等工具的钢，称为工具用钢。工具用钢包括工具用碳钢和工具用合金钢。下一页返回10.1工具用碳钢10.1.1工具用碳钢的成分和牌号工具用碳钢的含碳量为wc=0.65%~1.35%，有益元素wSi≤0.35%,wMn≤0.4%，有害元素wS≤0.03%，wP

≤0.035%。工具用碳钢的牌号是用“T+数字+字母”字表示。"T”是碳素工具钢“碳”字汉语拼音的首写字母，数字表示钢中平均碳含量的千倍。

T8,T10分别表示钢中平均碳含量为wc=0.80%和wc=1.0%的工具用碳钢，若为高级优质工具用碳钢，则在牌号最后附以“A”字。如T12A，表示平均含碳量等于1.2%的优质工具用碳钢。上一页下一页返回10.1工具用碳钢10.1.2工具用碳钢的热处理及用途工具用碳钢经热处理(淬火+低温回火)后具有高硬度，但是工具用碳钢的淬透性低，须用水作淬火介质(水中的临界淬透直径为15~18min，而油淬的临界淬透直径为5-7mm，容易产生淬火变形，特别是形状复杂的工具，应该特别注意;其次是随着含碳量越多，碳化物的量越多，回火稳定性小，热硬性差，刃部受热至200℃~250℃时，其硬度和耐磨性已迅速下降。因此只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。上一页下一页返回10.1工具用碳钢T7~T9钢用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如木工工具:冲子、凿子、锤子等。T10~T11钢用于制造要求中韧性的且低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12~T13钢具有高硬度、高耐磨性的特点，但韧性低，用于制造不受冲击的耐磨工具，如锉刀、锯条等。常用的工具用碳钢的牌号、化学成分、热处理及力学性能见表10-1。上一页返回10.2工具用合金钢工具用合金钢是在工具用碳钢的基础上添加合金元素形成的钢，标注方法和合金结构钢相似。其牌号用“一位数字(或无数字)+字母+数字+其他”来表示。当钢中的wc<1%时，牌号中的第一个数字表示碳质量分数的千倍;当钢中的wc>1%时，牌号前面不标出含碳量。后面的字母和数字则表示合金中的合金元素的化学符号及其平均质量分数。例如9SiCr表示

wc=0.9%、wSi<1.5%、wCr<1.5%的合金工具钢，Cr12表示平均含碳量wc

≥1%，平均含铬量

wCr=12%合金工具钢。高速钢，如W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2等，它们的碳质量分数wc≤1%，但不表明其数字;合金元素和合金工具钢的标注一样，如W18Cr4V钢中的成分为wc=0.7~0.8%，下一页返回10.2工具用合金钢wCr=4%，wW=18%，wV<1.5%。此外，合金工具钢属于高级优质钢，故牌号后不再标出”A”字。合金工具钢按用途可分为量具钢、刃具钢、模具钢和高速工具钢。上一页下一页返回10.2工具用合金钢10.2.1量具用钢1.量具用钢的性能特点量具是用来度量工件尺寸的工具，如卡尺、块规、塞规及千分尺等。由于量具在使用过程中经常受到工件的摩擦与碰撞，而量具本身又必须具备非常高的尺寸精确性和恒定性;因此要求具有以下性能:(1)高硬度(≥60HRC)和高耐磨性。以此保证在长期使用中不致被很快磨损，而失去其精度;还应具有较高的热硬性。(2)高的尺寸稳定性。以保证量具在使用和存放过程中保持其形状和尺寸的恒定。上一页下一页返回10.2工具用合金钢(3)足够的韧性。以保证量具在使用时不致因偶然因素碰撞而损坏。(4)在特殊环境下具有抗腐蚀性。2.量具钢的化学成分这类钢属于高碳低合金的过共析钢，平均碳含量wc=0.8%~1%，较高的含碳量是保证高硬度和高耐磨性的必要条件。含有Cr,Mn,Si,W,V等合金元素，其总含量小于5%，其作用是提高钢的淬透性和耐回火性，细化晶粒的作用。3.常用量具用钢根据量具的种类及精度要求，量具可选用不同的钢种:上一页下一页返回10.2工具用合金钢(1)形状简单、精度要求不高的量具，可选用碳素工具钢，如T10A,T11A,T12A。由于碳素工具钢的淬透性低，尺寸大的量具采用水淬会引起较大的变形。因此，这类钢只能制造尺寸小、形状简单、精度要求较低的卡尺、样板、量规等量具。

(2)精度要求较高的量具(如块规、塞规等)通常选用高碳低合金工具钢，如Cr2,CrMn,CrWMn及轴承钢GCr15等。由于这类钢是在高碳钢中加入Cr,Mn,W等合金元素，故可以提高淬透性、减少淬火变形、提高钢的耐磨性和尺寸稳定性。

(3)对于形状简单、精度不高、使用中易受冲击的量具，如简单平样板、卡规、直尺及大型量具，可采用渗碳钢15,20,15Cr,20Cr等。但量具须经渗碳、淬火及低温回火后使用。上一页下一页返回10.2工具用合金钢经热处理后，表面具有高硬度、高耐磨性、心部保持足够的韧性。也可采用中碳钢50,55,60,65制造量具，但须经调质处理，高频淬火回火后使用，亦可保证量具的精度。(4)在腐蚀条件下工作的量具可选用不锈钢4Cr13,9Cr18制造。经淬火、回火处理后可使其硬度达56~58HRC，同时可保证量具具有良好的耐腐蚀性和足够的耐磨性。若量具要求特别高的耐磨性和尺寸稳定性，可选渗氮钢38CrMoAI或冷作模具钢Cr12MoV。4.量具钢的热处理

量具钢热处理的主要特点是在保持高硬度与高耐磨性的前提下，尽量采取各种措施使量具在长期使用中保持尺寸的稳定。上一页下一页返回10.2工具用合金钢量具在使用过程中随时间延长而发生尺寸变化的现象称为量具的时效效应。这是因为:①用于制造量具的过共析钢淬火后含有一定数量的残余奥氏体，残余奥氏体变为马氏体引起体积膨胀;②马氏体在使用中继续分解，晶格重组引起体积收缩;③残余内应力的存在和重新分布，使弹性变形部分地转变为塑性变形引起尺寸变化。因此在量具的热处理中，应针对上述原因采用如下热处理措施:(1)调质处理。其目的是获得回火索氏体组织，以减少淬火变形和提高机械加工的光洁度。

(2)淬火和低温回火。量具钢为过共析钢，通常采用不完全淬火加低温回火处理，在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度并进行预热，以减少加热和冷却过程中的温差及淬火应力。上一页下一页返回10.2工具用合金钢量具的淬火方式为油冷(20℃~30℃)，不宜采用分级淬火和等温淬火，只有在特殊情况下才予以考虑。一般采用低温回火，回火温度为150℃~160℃:，回火时间不应小于4~5h。

(3)冷处理。高精度量具在淬火后必须进行冷处理，以减少残余奥氏体量，从而增加尺寸稳定性。冷处理就是在淬火冷却到室温后，冷却-80℃~-70℃并保温3h，使淬火后留下来的残余奥氏体继续向马氏体转变，以达到减少或消除残余奥氏体的目的。

(4)时效处理。为了进一步提高尺寸稳定性，淬火、回火后，再在120℃~150℃进行24~36h的时效处理，这样可消除残余内应力，大大增加尺寸稳定性而不降低其硬度。上一页下一页返回10.2工具用合金钢总之，量具钢的热处理除了要进行一段过共析钢的正常热处理(不完全淬火+低温回火)之外，还需要有三个附加的热处理工序，即淬火之前进行调质处理、正常淬火处理之间的冷处理、正常热处理之后的时效处理。常用量具钢的牌号、化学成分、主要特性及用途如表10-2所示。上一页下一页返回10.2工具用合金钢10.2.2刃具用钢合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加入某些合金元素而发展起来的。其目的是克服碳素刃具钢的淬透性低、红硬性差、耐磨性不足的缺点。1.刃具用钢的性能特点高硬度(≥60HRC)，主要取决于含碳量;高耐磨性，靠高硬度和析出细小均匀的碳化物来达到;高热硬性，即高温下保持高硬度的能力;足够的韧性，以防止脆断和崩刃。2.刃具用钢的化学成分上一页下一页返回10.2工具用合金钢合金刃具钢的含碳量为wc=0.75%~1.5%，合金元素总量则在5%以下，所以又称低合金刃具钢。加入的合金元素为Cr,Mn,Si,W和V等。其中Cr,Mn,Si主要是提高钢的淬透性，同时强化马氏体基体，提高回火稳定性;W和V在钢中形成WC和VC碳化物，加热时能阻止奥氏体晶粒长大，因此可以细化晶粒;Cr,Mn等可溶入渗碳体而形成合金渗碳体，有利于钢耐磨性的提高。另外，Si使钢在加热时易脱碳和石墨化，使用中应注意。如果Si,C:同时入钢中，则能降低钢的脱碳和石墨化倾向。3.常用刃具钢CrW

Mn钢是最常用的合金刃具钢。经热处理后硬度可达64~66HRC且有较高的耐磨性。上一页下一页返回10.2工具用合金钢

CrW

Mn钢淬火后，有较多的残余奥氏体，使其淬火变形小，故有低变形钢之称。生产中常用调整淬火温度和冷却介质配合，使形状复杂的薄壁工具达到激变形或不变形。这种钢适于做截面尺寸较大、要求耐磨性高、淬火变形小，但工作温度不高的拉刀、长丝锥等。也可作量具、冷变形模具和高压油泵的精密部件(柱塞)等。针对提高耐磨性的要求，发展了Cr06,W,W2及CrW5等钢。其中CrW5又称钻石钢，在水中冷却时，其硬度可达67~68HRC。主要用于制作截面尺寸不大(5~15mm)、形状简单又要求高硬度、高耐磨性的工具，如雕刻工具及切削硬材料的刃具。上一页下一页返回10.2工具用合金钢4.刃具钢的热处理合金刃具钢的热处理与碳素刃具钢基本相同，也包括加工前的球化退火和成形后的淬火与低温回火。回火温度一般为160℃~200℃

。合金刃具钢为过共析钢，一般采用不完全淬火。淬火加热温度要根据工件形状、尺寸及性能要求等选定并严格控制，以保证工件质量。另外，合金刃具钢导热性较差，对于形状复杂、截面尺寸大的工件，在淬火加热前往往先在600℃~650℃左右进行预热，然后再淬火，一般采用油淬、分级淬火或等温淬火。少数淬透性较低的钢(如Cr06,CrW5等钢)采用水淬。最常用的合金刃具钢的成分、热处理工艺、性能和用途如表10-3所示。上一页下一页返回10.2工具用合金钢综上所述，合金刃具钢解决了淬透性低、耐磨性不足等缺点。但由于合金刃具钢所加合金元素数量不多，仍属于低合金范围，故其热硬性虽比碳素刃具钢高，但仍满足不了生产要求。如回火温度达到250℃时硬度值已降到60HRC以下。因此要想大幅度提高钢的热硬性，靠合金刃具钢难以解决，所以发展了高速钢。上一页下一页返回10.2工具用合金钢10.2.3模具用钢用于制造冲压模、锻模、挤压模、压铸模等的钢称为模具钢。根据模具的工作条件不同可以分为冷作模具钢和热作模具钢。1.冷作模具钢(1)冷作模具钢的性能特点。冷作模具包括拉延模、拔丝模或压弯模、冲裁模、冷墩模和冷挤压模等，均属于在室温冷下对金属进行变形加工的模具，也称为冷变形模具。这些冷作模具在工作时承受很大的压力，弯曲力，冲击和摩擦，模具表面温度一般不超过300℃。由其工作条件可知，冷作模具钢的性能特点是高硬度、高耐磨性、足够高的韧性与疲劳抗力和高淬透性。上一页下一页返回10.2工具用合金钢(2)冷作模具钢的化学成分及其作用。这类钢属于高碳钢，平均碳含量

wc=1.4%~2.3%，wCr=11.00%~12.50%、wMo=0.40%~0.60%、wV=0.15%~0.30%。合金元素的作用:碳的作用是既要保证与铬、钥、钒等形成足够数量的碳化物;又要保证马氏体中存在一定的碳过饱和度，以获得高硬度、高耐磨性以及较高的热硬性;铬的作用是钢中的主要合金元素，与碳所形成的Cr7C3或(Cr,Fe)7C3具有极高的硬度(约为1820HV)，极大地增加了钢的耐磨性。钥和钒的作用除能改善Cr12MoV钢的淬透性和回火稳定性外，还可细化晶粒、改善碳化物的不均匀性，提高钢的强度和韧性。上一页下一页返回10.2工具用合金钢(3)冷作模具钢的热处理。冷作模具钢的热处理和量具刃具钢相似。模具经淬火+低温回火，得到回火马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体，硬度为58~62HRC。常用的冷作模具钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途见表10-4。2.热作模具钢(1)热作模具钢的性能特点。热作模具包括热锻模、热墩模、热挤压模、精密锻造模、高速锻模等，均属于在受热状态下对金属进行变形加工的模具，也称为热变形模具。由于热作模具是在非常苛刻的条件下工作，承受压应力、张应力、弯曲应力及冲击应力，还经受到强烈的摩擦，因此热作模具钢必须具有高的强度以及与韧性的良好配合。上一页下一页返回10.2工具用合金钢同时还要有足够的硬度和耐磨性;工作时经常与炽热的金属接触，型腔表面温度高达400℃~600，所以必须具有高的回火稳定性;工作中反复受到炽热金属的加热和冷却介质冷却的交替作用，极易引起“龟裂”现象，即所谓“热疲劳”，因此热作模具钢还必须具有抗热疲劳能力。此外，由于热作模具一般尺寸较大，因而还要求热作模具钢具有高的淬透性和热导性。

(2)热作模具钢的化学成分及其作用。①碳。钢中的碳含量为0.50%~0.60%。从热锻模的工作条件出发，碳含量不能过高，以免降低钢的热导性和韧性;钢中碳含量也不能过低，否则无法保证强度、硬度和耐磨性的要求。上一页下一页返回10.2工具用合金钢②铬。钢中的铬是提高淬透性的重要元素，同时还能提高钢的回火稳定性。③镍。在5CrNiM。钢中，镍与铬能显著提高钢的淬透性;镍固溶于铁索体中，在强化铁索体的同时，还可以增加钢的韧性，使5CrNiMo钢获得良好的综合力学性能。因此，5CrNiMo钢适用于大型热锻模具。④锰。在5CrMnM。钢中，锰能显著提高钢的淬透性，但锰固溶于铁索体中，在强化铁索体的同时使韧性有所降低。因此SCrMnMo钢只适用于中、小型热锻模具。⑤钥。在两种钢中均含有0.16%~0.30%的钥，其主要作用在于防止产生第二类回火脆性。同时，钥还有细化晶粒、提高淬透性、提高回火稳定性等作用。上一页下一页返回10.2工具用合金钢

(3)热作模具钢的热处理。由热作模具钢制作的锻件后的预备热处理是退火，目的是消除锻造内应力，改善切削加工性。最终热处理为淬火后中温回火或高温回火。淬火加热温度为840℃~870℃，回火温度根据零件的大小确定。常用的热作模具钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途见表10-5。上一页下一页返回10.2工具用合金钢10.2.4高速工具钢1.高速工具钢的性能特点由于加工刀具随着切削速度和进给量的增加，其刃部的温度会随之增加，如车削速度为10~20m/min时，刃部温度为200℃~300℃;车削速度为50~80m/min时，刃部温度为500℃~550℃;车削速度大于100m/min时，刃部温度为800℃~1000℃。因此高速钢的主要性能是具有良好的热硬性和高的硬度。所谓热硬性，是指材料在高温下保持高硬度的一种特性，一般用材料在加热时能保持大于或等于60HRC的最高温度来表示。常用的刃具材料的热硬性:合金工具钢为200℃~300℃，高速钢为550℃~600℃。上一页下一页返回10.2工具用合金钢2.高速工具钢的化学成分及其作用高速钢的性能主要取决于钢的化学成分和热处理。现以应用较广泛的W18Cr4V钢为例，说明高速钢的成分及热处理特点。

(1)碳。一部分碳要与钨、铬、钒形成合金碳化物;另一部分碳在淬火加热时溶于高温奥氏体，冷却后获得过饱和的马氏体，从而保证高硬度、高耐磨性以及高的热硬性。W18Cr4V钢的碳含量为0.70%~0.90%，若含碳量过低，则不能保证形成足够数量的合金碳化物，在高温奥氏体和马氏体中的含碳量均减少，以致降低钢的硬度、耐磨性以及热硬性;若含碳量过高，则碳化物数量增加，同时碳化物不均匀性地增加，致使钢的塑性降低，脆性增加，工艺性能降低。上一页下一页返回10.2工具用合金钢(2)钨和钥。钨是高速钢的主要元素，其作用是保证高速钢的热硬性。在退火状态下，钨以Fe4W2C的形式存在。在淬火加热时，一部分Fe4W2C溶入奥氏体，淬火后存在于马氏体中，提高钢的回火稳定性，同时在560℃左右回火时一部分钨以W2C形式弥散沉淀析出，形成“二次硬化”。在淬火加热时未溶的Fe4W2C能阻止高温下奥氏体晶粒长大。所以钨含量的增加，可提高钢的热硬性，并减小其过热敏感性;但W超过20%时，钢中的碳化物呈不均匀性增加，使钢的强度及塑性降低;若钨含量减少，则碳化物总量减少，钢的硬度、耐磨性及热硬性将降低。钨和钥可以互相代替，大约1%的钥可以代替2%的钨。上一页下一页返回10.2工具用合金钢(3)铬。铬的主要作用是提高钢的淬透性，改善耐磨性和提高硬度。在淬火加热时，铬能全部溶入奥氏体，能显著提高过冷奥氏体的稳定性和钢的淬透性，使钢在空冷条件下也能得到马氏体组织。目前高速钢中铬的含量大多在4%左右，超过4%时会使钢的残余奥氏体量增多，降低钢的脆性。(4)钒。主要作用是提高钢的耐磨性。钒与碳形成的V4C3(或VC)性能比较稳定，其颗粒非常细小，分布十分均匀，因此V4C3对改善钢的硬度、耐磨性和韧性有很大作用，特别是对提高钢的耐磨性最为有效。随着钢中钒和碳含量的增加，将降低钢的塑性和韧性，并使可磨削性和可锻性变得更坏。现行高速钢标准中大多数钢的钒含量不超过3%，只有少数钢的钒含量大到5%。上一页下一页返回10.2工具用合金钢3.高速工具钢的热处理高速工具钢的热处理包括锻后退火和机加工后淬火+回火。(1)预备热处理。高速钢的铸态组织中具有鱼骨骼状碳化物，这些粗大的碳化物不能用热处理的方法予以消除，只有采用锻造的方法将其击碎，并使其分布均匀。但锻后的硬度仍然很高，且产生残余内应力。所以高速钢的预备热处理采用等温球化退火，其退火工艺为加热860℃~880℃保温后，快冷到740℃~750℃等温6h，炉冷至500℃~550℃后出炉空冷。其目的就是为了改善切削加工性能，消除锻造内应力，为最终热处理作组织准备。退火后的组织为回火索氏体+碳化物，其硬度为26~33HRC。上一页下一页返回10.2工具用合金钢(2)最终热处理。高速钢最终热处理的特点是“淬火+三次高温回火”。高速钢的热硬性主要取决于马氏体中合金元素的含量，对热硬性影响最大的元素W及V，在奥氏体中的溶解度只有在1000℃以上时才有明显的增加。在1270℃~1280℃时，奥氏体中含有7%~8%的钨，4%的铬，1%的钒，温度再高，奥氏体晶粒就会迅速长大，淬火状态下残余奥氏体的量也会迅速增多，降低高速钢的性能，所以其淬火温度一般为1270℃~1280℃。淬火介质一般采用在盐浴中分级淬火或油冷，这可以减小工件的变形与开裂。上一页下一页返回10.2工具用合金钢由于W18Cr4V钢在淬火后的组织为隐针马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体(20%~25%)，硬度约为60HRC。钢中大量的残余奥氏体一次回火难以全部消除，经三次回火后才可使残余奥氏体减至最低量(一次回火后约剩15%，二次回火后剩3%~5%，三次回火后剩1%~2%，并且后一次回火还可以消除前一次回火中由于奥氏体转变为马氏体所产生的内应力。回火后的组织由回火马氏体+少量残余奥氏体(1%~2%+碳化物所组成，硬度为63~66HRC。W18Cr4V钢的硬度与回火温度之间的关系如图10-1所示。由图可知，在550℃~570℃回火时硬度最高。上一页下一页返回10.2工具用合金钢因为在此温度范围内，钨及钒的碳化物W2C,

VC)呈细小分散状从马氏体中弥散沉淀析出，这些碳化物很稳定，难以聚集长大，从而提高了钢的硬度，这就是所谓的“弥散硬化”;在此温度范围内，一部分碳及合金元素也从残余奥氏体中析出，降低了残余奥氏体中碳及合金元素含量，提高了马氏体转变温度，当随后冷却时，就会有部分残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度得到提高。W6Mo5Cr4V2为生产中广泛应用的另一种高速钢，其热塑性、使用状态的韧性、耐磨性