《金属材料工程概论（第2版）》6金属耐磨材料课件

6金属耐磨材料磨损的定义：两种材料（或物质）接触并相对运动而引起材料逐渐损伤的现象，称为磨损。影响材料耐磨性的因素有：(1)材料因素，材料的硬度、韧性、加工硬化能力、导热性、化学稳定性、表面状态等；(2)摩擦条件，相磨物质的特性、摩擦压力、温度、速度、润滑剂的特性等。大量实验证明，钢的耐磨性与其组织结构，硬度有密切的关系。本章主要讲述工具钢、塑料模具钢等知识。6金属耐磨材料6.1工具钢用来制造各种切削刃具、模具、量具和其它工具的钢，称之为工具钢。工具钢按化学成分可以分为碳素工具钢，合金工具钢两大类。按用途分类：刃具钢，模具钢，量具钢三种。在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素(如铬、锰、硅、钒、钨、钼等)称为合金工具钢。6.1工具钢6.1.1碳素工具钢碳素工具钢是含碳量0.65～1.35%的碳钢。按其杂质含量不同,可分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢。碳素工具钢生产成本低,原料易取得,加工性能好,广泛地用于制造各种工具、模具、量具、手作工具和低速小切削用量的机用刃具。碳素工具钢一般需经750℃～770℃温度范围的球化退火处理,获得球状珠光体组织;然后在760℃～820℃温度范围淬火,获得马氏体+少量残留奥氏体组织;再经160℃～180℃温度范围的回火处理,获得回火马氏体组织。常用的碳素工具钢有:T7(T7A)、T8(T8A)、T10(T10A)、T12(T12A)。6.1工具钢6.1.1碳素工具钢图6－1为澳大利亚产T12钢的锉刀的显微组织，淬火－回火组织，黑色基体为回火马氏体，白色颗粒状为碳化物。图6－1T12钢的回火马氏体组织6.1工具钢6.1.2合金刃具钢合金刃具钢主要用于制造切削刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥、板牙等。合金刃具钢应具有下列性能：（1）高的硬度与耐磨性（2）高的红硬性（3）足够的强度与韧性低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素发展起来的。它属于低合金钢，主要用于切削量不大的、形状复杂的刃具，也可兼作冷作模具与量具。其化学成分特点为：含碳0．75％一1．45％，以保证钢淬火后具有高硬度(≥62HRC)并可形成适量的合金碳化物，从而增加其耐磨性。6.1工具钢6.1.2合金刃具钢常用的低合金刃具钢有以下几种：①铬钢

常见的有GCr15、GCr6以及CrMn钢等。②硅铬钢

常见的有9SiCr钢。③铬钨钢

钢中加入钨(1.0～5.5%),钢淬火、回火后存在较多碳化物，从而提高硬度和耐磨性。④铬钨锰钢

钢中加入铬、钨、锰元素，使钢具有较高的淬透性、淬硬性和耐磨性。6.1工具钢6.1.3高速工具钢高速钢是当前使用最多最广泛的合金刃具钢种，专门用于制造高速切削的刀具，有时也会用来制造模具。根据标准，常用的高速工具钢：W18Cr4VC05、W18Cr4V2C08、W12Cr4V5C05、CW6M05Cr4V3、CW6M05Cr4V2、W2M09Cr4V2、W6M05Cr4V2C05、W7M04Cr4V2C05、W9M03Cr4V、W2M09Cr4VC08等。我国目前主要应用的高速工具钢是W18Cr4V、W6M05Cr4V2和W9M03Cr4V三个钢号。6.1工具钢6.1.3高速工具钢高速工具钢(W18Cr4V)热处理工艺是:800℃预热→1280℃保温→淬火→560℃回火三次。淬火得到隐晶马氏体组织如图6-2所示。560℃回火三次得到回火马氏体组织基体上分布着未溶碳化物的整合组织。硬度可达HRC64~66。图6-2高速钢淬火组织OM6.1工具钢6.1.4模具钢专门用于制造冲压、模锻、挤压、压铸等模具的合金钢，称之为合金模具钢。根据模具使用条件的不同将模具分为冷作模具和热作模具，相应地将制作模具的合金模具钢也分为两大类：一是冷作模具钢；二是热作模具钢。（1）冷作模具钢：高碳高铬型工具钢(Crl2型)是最常用的冷作模具钢。（2）热作模具钢：常用热作模具钢有5CrNiMo、3Cr2W8V、H13等6.1工具钢6.1.4模具钢H13钢模具的热处理是1010～1060℃加热淬火，520℃回火。获得回火托氏体组织。图6-3H13钢的退火组织，SEM6.1工具钢6.1.4模具钢图6-4W350钢的球化退火组织，OM6.1工具钢6.1.5量具钢

机械制造业中,大量使用的卡尺、千分尺、块规、卡规、塞规、样板等,统称为量具。在量具制造中,尺寸小、形状简单、精度低的样板、塞规等用碳钢(T10A、T12A)制造,在腐蚀介质中工作的量具用不锈钢制(9Cr18)造外,其它凡形状较复杂、精度较高的量具,均用合金量具钢来制造。合金量具钢都是高碳钢,以保证有高的硬度和高的耐磨性。常见的合金量具钢有Cr2、GCr15、CrMn、CrWMn钢等。它们的热处理工艺流程:球化退火→淬火→冷处理→低温回火→低温人工时效处理。6.1工具钢6.1.6其他类型工具钢（1）冷轧辊用钢冷轧辊一般属于大截面用钢。冷轧辊用钢的化学成分、性能要求与一些冷作模具钢相近。常用冷轧辊钢有:9Cr、9Cr2、9CrV、9Cr2Mo、9Cr2W、9Cr2MoV。化学成分:0.85～0.95%C、0.25～0.45%Si、0.20～0.35%Mn、1.40～2.10%Cr、0.10～0.25%V、0.20～0.40%Mo、0.30～0.60%W。（2）耐冲击工具钢在工作中受震动较大的工具(如风铲、风凿)、加工较厚钢板的剪切工具以及一些冷模具(例如切边模、冲孔模等)，要求有较高的韧性,这些钢的含碳量大都在0.7%以下,一般在04～0.6%之间。6.2其他耐磨钢6.2.1轴承钢制造滚动轴承的专用钢叫轴承钢。轴承钢经热处理后要求高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和高的接触疲劳强度。常用的轴承钢为高碳高铬轴承钢，如GCr15、GCr15SiMn。还有渗碳轴承钢，如20Cr2Ni4等以及不锈轴承钢，如9Cr18等。图6-5GCr15轴承钢的退火组织，OM6.2其他耐磨钢6.2.2高碳高锰奥氏体钢碳和锰都是扩大γ相区的元素，而且降低马氏体点(Ms)。只有含碳量为1.0~1.4％及含锰量为10％～14％时才具备很高的塑性。这个范围便是高碳高锰奥氏体钢的成分范围，最常见的是1.2％C及13％Mn。图6-6高碳锰钢的奥氏体组织，OM6.2其他耐磨钢6.2.3石墨钢石墨钢是含有石墨的高碳工具钢，它一方面具有高碳工具钢的高度耐磨性，另一方面又具有石墨的润滑作用(摩擦系数较一般工具钢小50％)。石墨钢含碳约1.5％，另外含有促进石墨化的合金元素(硅、铝、铜、镍等)以及提高淬透性的元素(锰、铬、镍、钼等)，有时还加入提高耐磨性的钨元素。6.2.4钢轨钢专门用于制作钢轨的钢叫钢轨钢。它是钢铁企业大量生产的钢种，一般是经过多次热轧才制成钢轨。6.2其他耐磨钢6.2.4钢轨钢钢轨钢是属于中、高碳(0.4％～0.8％)的铁素体一珠光体钢，主要用C及Mn来进行强化，典型钢轨钢,如U71Mn，化学成分（质量分数％）：0.67~0.80C,0.13~0.28Si,0.7~1.0Mn。进一步提高耐磨性需要进行端头淬火或全长淬火(实际上是正火得到索氏体组织)。图6-7钢轨钢的索氏体组织，OM钢轨钢的轧制组织为索氏体，具有良好的耐磨性。6.2其他耐磨钢6.2.5耐磨用普通低合金钢

这类钢除了要求有高的强度、硬度及良好的耐磨性外,还必须有良好的韧性和淬透性，且不含贵重元素,适合于在农业机械和矿山机械中推广应用。常用的这类钢有:41Mn2SiR1、55SiMnCuRe、65SiMnRe钢等。

6.3塑料模具钢随着塑料制品的日益广泛应用，对塑料模具的需求也越来越大，制作塑料模具所用的钢－塑料模具钢，其需求量也大幅度攀升。压制塑料可以分为两种基本类型，即热固性塑料和热塑性塑料

6.3塑料模具钢6.3.1热塑性塑料注射模的主要失效方式1）表面磨损由于塑料中含有无机填料，使模具型腔磨损，表面粗糙度恶化，需要不断抛光，多次抛光后，型腔尺寸超差而失效。2）表面侵蚀塑料含有的氯、氟元素，受热分解析出HCI、HF等腐蚀性气体，侵蚀模具表面而失效。3）塑性变形模具持续受热，在压力作用下，发生塑性变形而失效。4）断裂塑料制品成型模的形状复杂，在凹角、薄边等处容易造成应力集中而开裂。6.3塑料模具钢6.3.2热塑性塑料注射模的工作条件和性能要求（1）工作条件:1）通常不含固体填料，以软化状态注入型腔，当含有玻璃纤维填料时，对型腔有较强的磨损作用。但是受热、受压、受磨损，一般不太严重。2）有的塑料含有氯及氟，在压制时放出腐蚀性气体，侵蚀型腔表面。（2）性能要求如下：1）抛光性型腔表面要求光滑，成型面要求抛光成镜面，抛光时不出现麻点和桔皮状缺陷，表面粗糙度Rz低于0.4μm。2）型腔表面具有良好的耐磨性、抗蚀性。3）耐热性，在250℃左右长期不软化、不氧化。4）良好的强韧性，长期工作不变形，不断裂。6