金属材料学第4章工模具用钢课件

第4章工模具用钢按其用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。刃具钢可分为碳素钢、低合金工具钢和高速工具钢。模具钢根据工作状态可分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢。

4.1概述

1、工具钢成分与性能特点主要矛盾

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。成分组织

一般含

0.6~1.3%C→M+足够数量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。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2、工具钢基本性能及检测方法

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，K可适当↑硬度2~3HRC

对高速钢，通常就是红硬性淬透性

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Si对不同含C量钢的淬透性影响

V在不同淬火温度时对淬透性的影响

2、低合金工具钢

淬火工艺T淬为Ac1+30~50℃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0.5％~0.6％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，不单独加入；?W:0.5~1.5%，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：①Si/Cr↑淬透性，D油<40mm；②Si/Cr↑回稳性，~250℃回火，>60HRC；③K细小、均匀→不容易崩刃；④分级淬火或等温淬火处理，变形较小；⑤Si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。

1898年就有含W钢，1910年生产了W18Cr4V。近几十年来，高速钢的产量、品种和质量都有了很大的发展。按照其成分和性能特点可分为以下几类：⑴钨系高速钢：典型牌号18-4-1，美M1，俄P18。⑵钨钼系高速钢：如6-5-4-2，美M2，目前应用普遍。⑶含钴高速钢：如W18Cr4VCo5,红硬性高。⑷超硬高速钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al。具有65~70HRC高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢低。钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其它类型称为特殊用途高速钢或高性能高速钢。4.3高速钢

上左:直、锥柄加长麻花钻上右:整体硬质合金钻头铣刀、铰刀、复合刀具及非标准刀具下右:各种合金车刀对焊高速钢锥柄钻头高速钢45钢高速钢直柄麻花钻V

V

显著↑红硬性、↑硬度和耐磨性，细化晶粒，↓过热敏感性。以VC存在.WMo

钨是钢获得红硬性的主要元素。M6C型K，回火时析出W2C；W↓↓热导率→钢导热性差钼和钨相似，1％Mo可取代1.5~2.0％WCr

Cr

加热时全溶，保证钢淬透性，4％Cr。改善抗氧化能力、切削能力Co

Co可显著提高钢的红硬性，5、8和12％三个级别。但↓钢韧性、↑钢脱碳倾向微量元素

微量氮增加硬度和热硬性，一般~0.10％。稀土可明显改善热塑性,↓硫在晶界的偏聚二、高速钢中的碳化物

铸态组织淬火态鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织（δ共析体等）和白亮组织（M+AR）

加热时，K溶解顺序为：M7C3\M23C6型在1000℃左右溶解完→M6C型在1200℃时部分溶解→MC型比较稳定，在1200℃时开始少量溶解。回火态

主要为M6C(淬火残留)、MC(回火时析出和淬火残留)、M2C(回火析出)等K.K不均匀性结果①各向异性；②形变时易应力集中开裂；③热处理工艺性变坏关键是必须经过正确的锻造

控制终锻温度；用合适的锻压比；锻造时先轻锤快打，后重锤锻打；

?

锻后要缓慢冷却；锻后进行退火。

?

1260~1300℃T

800~850℃500~600℃

580~620℃550~570℃×1h

油冷一次350~400℃分级二次三次回火分级时间t

W18Cr4V高速钢常用热处理工艺方法

三、高速钢的热处理预热:高速钢工具一般在高温盐浴炉中加热，速度较快，常采用一次或多次预热

为什么？

预热有什么作用？高速钢导热性差,加热温度又高,预热—①↓淬火加热过程中的变形开裂倾向；②缩短高温保温时间，减少氧化脱碳；③准确地控制炉温稳定性。可采用一次预热和二次预热。过热过烧欠热

T淬过高，晶粒长大，K溶解过多，K发生角状化；奥氏体中合金度过高，冷却时易在晶界上析出网状K。温度再高→晶界熔化→铸态组织特征，主要为鱼骨状共晶莱氏体及黑色组织。淬火温度较低，大量K未溶,且晶粒特别细小。淬火温度：精确控制可以从金相组织上初步判断工艺因素

W18Cr4V高速钢不同淬火温度下的组织特征正常淬火组织(400X)

欠热组织(400X)

过热组织(400X)

过烧组织(200X)

确定淬火温度时，还需要考虑下列因素：（1）不同工作条件，淬火温度应有所区别如车刀→高硬度和红硬性→采用较高T淬；中心钻→强韧度好→采用较低的T淬.（2）形状、尺寸不同，T淬有不同形状复杂（如锯片、细长拉刀等）和厚薄悬殊刀具（如三面刃铣刀等）→较低T淬。形状简单的工具可采用较高T淬。尺寸较小和尺寸很大的刀具→较低T淬；（3）原材料级别也有影响

K不均匀性大的原材料→低的T淬。一般情况，过热和过烧的危害比欠热要大确定保温时间基本原则：

一定量K溶入奥氏体，而晶粒不长大。对于一定的T淬，有一个合适的保温时间。淬火冷却：冷却很重要，方式也很多，可根据工具不同情况进行选择。分级淬火

常用一次分级或多次分级方法。?80%高速钢工具是采用一次分级淬火，分级温度常在600℃左右，停留时间严格控制，一般＜15min。多次分级适用于形状特殊、极易变形的工具。等温淬火

采用贝氏体等温淬火可↑工具的强度、韧度和切削性能。→↓中心钻及仪表刀具等在使用中发生断头、崩刃等现象.

思考题:高速钢在分级淬火时，为什么不宜在950~675℃温度范围停留过长的时间?

W18Cr4V钢在1300℃奥氏体化后过冷奥氏体等温转变曲线

回火：高速钢一般需要在560℃左右三次回火淬火态M+大约30%AR+K回火ⅠM回+M+>10%AR+K1回火Ⅱ回火ⅢM回+M+少量AR+K2M回+AR（少量）+K3（K1等以示区别）W18Cr4V高速钢回火次数与残余奥氏体量（a）和性能（b）的关系

W18Cr4V钢回火一次金相组织（400X）

W18Cr4V钢回火三次的金相组织（400X）

同步热处理：

关键是正确选择回火温度与保温时间，以便和淬火工艺相匹配。

思考:可能有什么问题?表面处理：

强化方法:化学热处理或在刀具表面覆层表面氮化、表面硫氮共渗等多元共渗、蒸气处理等，＜560℃。物理气相沉积(PVD法)，在表面沉积TiC等覆层。新型工具钢：

日本神户钢铁公司开发粉末工具钢Fe18Cr2Mo1V2.2C(KAD181)，经HIP后不用锻造，具有很好的性能，在模具、辊子、刀具等方面应用很广泛美国开发坩埚粉末冶金法（CPM）↑韧性和耐磨性,↑使用寿命。如CRMT440V(Fe17Cr0.4Mo5.5V)的耐蚀性与不锈钢T-440C差不多，但耐磨性是T-440C的几倍，制成的造球机刮刀，其实际使用寿命是T-440C的20倍.经济合金化是高速钢的一个发展方向，在不降低性能的前提下尽可能降低钢中的W含量

工模具表面技术:

是高速工具发展的一个重要方面，近年来已成功利用离子渗入法在工具表面涂覆TiC、TiN、Ti(C,N)等涂层，发挥了优越的性能。在新型工具材料的开发上具有重要的意义。日本开发了以硼砂熔盐为基稀土钒共渗工艺，经过该工艺处理的模具耐磨性比常规处理的要提高2.8倍。这些研究提高了工模具性能和使用寿命。这些研究都是不可忽视的开发课题.4.4冷作模具钢

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部分冲裁模典型冲压模及产品一、低合金工具钢

常用低合金工具钢有9Mn2V、CrWMn、GCr15、9SiCr等。和碳素工具钢相比，这类钢的淬透性比较高，热处理变形较小，耐磨性也较好，所以可制造工具尺寸较大、形状比较复杂、精度要求相对较高的模具。

9Mn2V特点：

①Mn↑淬透性，D油=~30mm；②Mn↓↓MS，AR约20~22%，变形小；③V能克服Mn缺点,↓过热敏感性，细化晶粒；④硬度稍低，回稳性较差→200℃以下回火；⑤VC使钢的磨削性能变差。各种类型的中小冷作模具都可采用。二、高铬和中铬模具钢

1、高碳高铬模具钢

主要有Cr12、Cr12MoV钢。Cr12MoV钢具有高淬透性，截面200~300mm以下可以完全淬透。Cr12MoV钢主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经有“冷作模具王牌”之称。

组织变化特点一：

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：<300~400℃，M分解而尺寸缩小；>450℃，AR转变为M→体积↑

组织变化特点二：

随T淬升高，K溶解量增加，奥氏体合金度增加，淬火后残余奥氏体增加，硬度下降。淬火温度的波动可引起组织和性能的较大变化。一次硬化法

低淬和低回→晶粒细小，强韧性好。980~1030℃淬火×150~170℃回火，硬度为61~63HRC，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

1050~l100℃×500℃左右多次回火，硬度回升到60~62HRC。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（400~500℃）且受载荷不大或淬火后表面需要氧化处理的模具。

Cr12MoV钢的硬度、残余奥氏体量与淬火温度的关系

2、高碳中铬模具钢

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。φ100mm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、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。3、新型冷作模具钢

我国常用7Cr7Mo2V2Si钢，淬透性较好，热处理变形小。用来制造冷鐓模、冷冲模及冲头、冲剪模等。4.5热作模具钢

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

钢碳含量质量分数一般在0.3~0.6%，还加入Cr、Mo、W、Si、Mn、V等合金元素，以提高钢的各种性能。根据工作条件热作模具钢可分为三大类：热锤锻模具钢，热挤压、热鐓锻及精锻模具钢和压铸模用钢。汽车转向节热锻模(大型,700×675×400mm)一、热锤锻模钢

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2、成分特点

C：一般在0.45~0.60%，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.所以，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。3、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35~38HRC为宜，相对较低。?锻模模面：大中型模36~42HRC，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：5CrNiMo5\CrMnMo:T淬830~860℃;T回450~580℃左图强度和韧度与T回的关系右图硬度与T回的关系工艺要求：

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150~200℃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二、热挤压模钢

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。铬系：

4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、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代之。钨系：三、压铸模钢

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.

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铝合金压铸模

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和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4.6其它类型工具用钢

1、耐冲击