金属材料学3.ppt

1、1, 工模具用钢,东南大学材料学院,金 属 材 料 学,2,主要内容,概 述 刃具钢 冷变形模具钢 热变形模具钢 高速钢的研究进展,3,一、概 述,1.1 工模具钢的性能要求 结构钢 用途：制造机器零件及金属构件； 常用机械性能指标（s，0.2， ，k 等）判断能否胜任服役条件 工模具钢 用途：制造刃具、模具和量具（制造加工业） 性能指标：硬度、热稳定性、耐磨性、强度、韧性,4,如何实现韧性-耐磨性 的优化？,取决于M的成分与硬度以及碳化物的性质、数量、形态和分布,判断工模具钢性能主要依据 成分、组织状态 ！,5,1.2 化学成分特点,两个问题：含碳量、合金化 1、含碳量 工具破坏方式：切断、

2、磨损高硬度和切断抗力 M：C%，硬度和切断抗力 淬火后获得高碳M；足够多的碳化物 C ：0.61.3%,低碳高强度构件用钢： C 0.2% 调质钢： C 0.5%,工具钢含碳量较高 塑性较差,6,改善塑变能力，减轻热处理淬裂，怎么办？ 提高钢材纯净度：S 0.020.03% P 0.020.03% 对比：结构钢 0.035% 合金化：减小热变形,7,2、合金化,主加：碳化物形成元素Cr, W, Mo, V等 碳化物 高硬度、高耐磨性 辅加： Si, Mn 热处理变形 淬透性、回火稳定性,8,结构钢： 主加： Cr，Ni，Si，Mn，B等 F的强度，淬透性 辅加：碳化物形成元素Mo, W, V,

3、 Ti 消除钢的回火脆性，细化晶粒等,结构钢： F的强度，细化晶粒 调质钢： 淬透性 工具钢： 淬透性 + 改变碳化物,合金化的作用,9,1.3 热处理特点, 热处理方式： 预备热处理：（正火）+球化退火 最终热处理：淬火 + 回火 正 火：消除网状碳化物 球化退火： 使钢中碳化物球化、细化、均匀分布 工具钢切削性、耐磨性和韧性，以及 热处理工艺性（过热敏感性、变形、淬裂倾向） 组织： 铁素体基体+细小均匀碳化物,高速钢、高铬冷变形模具钢等，粒状P中 一次碳化物分布状态主要取决于轧制或锻造工艺！？,10, 淬火+回火：关键加热温度的选定！,淬火：加热至A+碳化物两相区 ？ 防止A粗大，获得细小

4、晶粒，获得高硬度和一定韧性 剩余碳化物有利于工具耐磨性 调节淬火加热温度，可变更溶入A中碳化物量（即合金元素含量） 改变淬透性 回火：消除有害应力，尽量保持高硬度 具体加热温度有较大差异 ？ 各种工具钢含有的合金元素种类和数量有差别。由于合金元素的加入，使钢回火抗力,结构钢淬火温度？,加热至单一A区,11,1.4 工具钢分类,刃具用钢 碳素工具钢（T7T13） 低合金工具钢 高速钢 模具用钢 冷作模具钢：碳素工具钢 低合金工具钢 高铬和中铬模具钢 热作模具钢：铬系、钨系和钼系,12,二、刃具用钢,性能要求： 高切断能力 高耐磨性 高硬度 高的弯曲强度和足够韧性 高热稳定性,刃具：代表车刀、钻头

5、 车刀：压应力+弯曲应力+摩擦 钻头：压应力（轴）+弯曲应力（径） +扭转应力,13,热稳定性 常用加热时能保持一定硬度值的最高温度来表示 如：高速钢的“红硬性” 即将正常淬火+回火的高速钢加热至600 、625 、650，重复加热四次，每次1h，以能保持HRC60时的温度作为评价其红硬性的指标,14,2.1 碳素工具钢,含碳量 0.61.3% C T7T13，数字越高，含碳量愈高 含碳量，碳化物数量，钢耐磨性，韧性 T7，T8 用于中硬度、较高韧性工具（如冷冲模） T9，T10，T11 高硬度、中韧性工具（如车刀） T12，T13 极高硬度与耐磨性，韧性低（如量具、锉刀） 优点：足够硬度及较

6、好耐磨性， 易锻造及切削加工 + 价格便宜 产量约占工具钢60% 缺点：淬透性低，需水淬，易变形淬裂；回火抗力差,15,16,热处理特点,球化退火：两相区加热（ 730800） 加热时仅部分碳化物溶入A内 淬火：选取最低的加热温度 （ 760800）？ 因为其对过热较敏感性,晶粒易长大 回火：淬后立即回火,17,2.2 低合金工具钢,对过共析碳素钢T10，T12进行合金化 合金元素的加入先是起到“固溶强化” Fe3C的作用，但作用毕竟有限；为进一步提高材料的耐磨性与红硬性，必须采取新的方法,改变碳化物种类！ 必须加入其他合金元素，并且是多元合金化,18,合金化,Cr：形成合金Fe3C ，淬透性

7、；加入量约1%（过高淬火后残A多） Si：淬透性和回火稳定性（仅固溶），高温加热易引起脱碳 加入Mn,W, V等 Mn：淬透性； 然而，过热倾向 W：形成稳定碳化物，细化晶粒，防止过热 V：形成VC，防止过热；回火韧性,19,热处理特点,正火： 加热至ACm以上，消除渗碳体网 球化退火 淬火：加热温度高于碳素工具钢，可油淬 （合金元素淬透性） 回火 常用钢种及热处理规范见表8-5,20,21,2.3 高速钢,高速工具钢，我国冶金工业部门习惯称为高工钢，也称“风钢”或“锋钢”，主要用于机床切削刀具 含多量碳(C)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等元素的高合金钢，热处理后具有高热硬性。

8、当切削温度高达600以上时，硬度仍无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达60 m/min，而得其名 应用于金属切削刀具、冷作模具、轧辊、木工刀具及其它非金属切刀、耐磨件、油泵油嘴针阀等。制造高速切削用车刀、刨刀、钻头、铣刀等 通用型、高性能型、经济型（低合金高速钢） 经济型中钨当量W=W+2Mo5%12%,22,发展历史： 18701898 英 Mushet自硬钢（C 2,W 7, Mn 2.5 ），切削中碳钢速度达到8m/min 18981900 美 F.W.Taylor和英 M.White 发明接近钢熔点的高温淬火+高温回火 Cr-W钢（C1.85，W8，Cr3.8），创立高速钢。切削中碳

9、钢速度达 20 m/min。 1900年 巴黎国际博览会 表演高速切削 1903 现代高速钢原始成分C0.7、W 14、Cr4 1904 美 John Mathew 高速钢中加入0.3V 1906 试用电炉冶炼高速钢,23,1910 T1钢（W18Cr4V）成分（C0.75、W18、Cr4.0、V1.0），切削中碳钢速度达30 m/min 1912 德国Becker 加入35Co，提高热硬度 1918 3t电弧炉试炼高速钢成功，替代坩埚炉 可生产较大尺寸的钢锭和钢材 1923 加入Co 达1215，切削速度达40 m/min 1932 美 J.V. Emmons 以Mo代替W 高钼钢M1 19

10、37 美 W. Breelor W-Mo系列钢 M2 1939 美 J.P. Gill 高C高V钢 ( Super HSS )，含V 35，淬回火硬度达HRC6768，耐磨性好，可磨削性差,24,19581963 平衡碳原理提出与应用 美 M40系列超硬钢，硬度达到HRC70，最早为M41和M42 1965 美 Crucible Steels公司 粉末冶金法 高速钢 1970 瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速钢投产 电渣重熔高速钢开始用于大截面材生产 高速钢用于高载荷冷作模具 1980 TiN涂层（PVD）用于部分高速钢刀具 使用寿命成倍提高 1990 粉末高速钢新钢种 硬度达HRC70-

11、72 综合性能优良的低合金高速钢重新受到重视和发展，替代部分通用高速钢，以节约合金资源,25,对于更高要求的切削工具，碳素工具钢和低合金工具钢性能难以满足要求 从合金化出发，加入大量合金元素，改变碳化物的形式与分布 材料的整体使用性能 高速钢分两大类： 通用型（W18Cr4V, W6Mo5Cr4V) 高性能高速钢（高C高V，普通含Co, 高V高Co ，超硬型）,26,a) 成分特点,属高合金莱氏体钢 主要合金元素： W, Mo, Cr, V, Co 除钴高速钢外，退火态都含M6C，M23C6，MC碳化物 M6C ： Fe4W2C , Fe3W3C , Fe2W4C 此外，可Mo, Cr, V溶

12、解在内，改变其稳定性 M23C6： Cr23C6, 加热时溶解 淬透性 MC ：VC 稳定 不分解；HRC83.585 弥散强化 WC 82.5 M2C ：回火500 析出 W2C； Mo2C 650 析出 M6C； M7C3 碳化物含量约占30%vol 碳化物的形态分布对性能影响很大,M7C3,M23C6,M6C，MC （部分溶解）,27,b)凝固特点,以W18Cr4V为例，其 二元相图如图8-6 ： a.平衡冷却曲线 ( 0.70.8%C) 1 2 ：L（先析出相-Fe ，树枝状）。 23: L+(包晶转变) 34: L+ M6C（包共晶转变） 45: L+ M6C （共晶莱氏体） 56:

13、 M6C （析出M6C ） 67: + M6C （共析转变，二元） 78: + M6C + Fe3C 这一系列转变在非平衡状态下可能完成，但凝固并非一个非平衡过程，因此组织也不会均匀，偏析不可避免！,28,b.实际凝固过程,包晶、包共晶转变难以完全进行，代以共晶和共析出转变 L+ L + M6C（Ld增多） L+ M6C + M6C 一般冷却条件下: 67: + M6C 78: + M6C + Fe3C 反应可能受抑制。 共析反应受抑制， M 最终铸态组织：Ld + -共析体+ M+ （黑色）,29,c)压力加工特点,铸态组织极不均匀，碳化物粗大，造成强度及韧性。这种缺陷不能通过热处理调整。怎

14、么办？ 压力热加工！ 反复压力热加工（锻、轧）可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。,30,d)热处理特点,退火 锻造后球化退火 硬度，以利切削加工；并为以后淬火作组织准备。 为退火时间等温退火 18-4-1 退火组织：索氏体+碳化物,31, 淬火,奥氏体化加热温度高， M6C部分溶解 合金元素含量（高红硬性）； 分级加热（导热性差） 油淬，或分级淬火 淬火组织：碳化物+马氏体+残余奥氏体（30%） 回火 发生二次硬化（M中析出VC、W2C等） 三次回火，残A和应力。 为减少回火次数，可在淬火后立即冰冷处理,32,e) 瑞典 Assab Steel Ltd,出厂硬度HB

15、淬后硬度HRC C Cr W Mo V Co ASP-60 340 2.3 4.0 6.5 7.0 6.5 10.5 115090 68 ASP-30 300 1.27 4.0 6.4 5.0 3.1 8.5 115080 66 ASP-23 210 1.28 4.0 6.4 5.0 3.1 - 112050 64,33,三、冷变形模具钢,典型模具 拉丝模具：耐磨，高硬度以及热稳定性 冲裁模：耐磨，高硬度，足够韧性 冷镦模：外面高硬度，心部可低一些 冷挤压模：高抗压及耐磨性 冷作模具钢分类 碳素及低合金模具钢： 高铬和中铬模具钢： 基体钢,34,1.碳素及低合金模具钢,碳素钢：T8A，T10A

16、，T12A等 优点：可加工性好，价格低 缺点：淬透性低，耐磨性差，淬火变形大。 适用于尺寸小、形状简单的工模具。 低合金钢： 9Mn2V,CrWMn,GCr15,9CrSi等。 优点：淬火变形较小，淬透性较好，耐磨性较高 适用于尺寸较大、形状复杂、易变形、精度要求较高的模具。,35,2.高铬模具钢,典型钢号：Cr12 和Cr12MoV C% 1.002.30%；Cr%11.5013.0%; Mo% 0.400.60%; V% 0.150.30% (Cr ,Fe)7C3是主要碳化物。 Ti,Mo,V均在高温下溶于内。 其类似高速钢，属莱氏体钢。铸态组织有网状共晶莱氏体存在，需破碎共晶碳化物以改善

17、其分布。 改善性能的关键是： 改善其中碳化物的分布！,36,性能特点,高耐磨性：存在大量M7 C3型碳化物 高淬透性：经9001000淬火加热，固溶体中含45%Cr，过冷稳定性很高。 淬火时变形量小：淬火温度，淬火变形量。至某一温度变形接近零（与残量有关）。 二次硬化效应：需在一定的温度下化后才能充分表现出来（如图8-28）。其不需要很高红硬性，因此二次硬化不一定必要。 碳化物不均匀性比较严重。可通过改锻来碳化物级别。,37,热处理特点,一次硬化法：较低温度淬火+ 一次低温回火 Cr12MoV 9801030淬火+ 200 回火 Cr12 950980淬火+ 200 回火 好处：强韧性高，有一

18、定硬度， 但不能在高温下工作。 二次硬化法：高温度淬火+ 多次高温回火 好处：回火稳定性高，硬度高； 坏处：强韧性，工艺复杂。 适用于：工作温度较高（ 400500 ），且受荷不大的场合。,38,3.高碳中铬钢,典型钢号： Cr6WV， Cr4W2MoV， Cr6WV： C% 1.001.15%； Cr%5.507.00%; W，V 适量 属共析钢，铸态下存在莱氏体共晶（偏析）。 钢中碳化物以Cr7C3为主，并含少量合金碳化物M6C,MC。 热处理：950980热油淬火 + 160200低温回火 Cr4W2MoV：某些场合替代高铬模具钢 处理方法与高碳高铬相似。,39,四、热变形模具钢,典型模具和性能要求： 锤锻模：冲击加压， 热疲劳 热挤压：耐磨 压铸模：抗热烧蚀性,40,成分特点,C% 一般0.5% 低碳保持足够的韧性 合金元素：Cr,Mn,Ni,S