1、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,Chapter 4 工具钢,重点及基本要求,掌握各类钢的典型牌号、成分特点、合金元素的作用、热处理及应用。 重点是刃具钢、高碳高铬模具钢、锤锻模用钢。 难点是高速钢的合金元素作用、热处理工艺制定的依据和显微组织与性能特点。,一、工具钢的分类,1、按化学成分分： 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 工具钢的分类和基本性能要求,二、工具钢的基本性能要求,1 刃具钢高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韧性。有的
2、还要求高的红硬性。红硬性：在高温下保持高硬度的能力。 2 热作模具钢高温下具有一定的强度和硬度、抗热疲劳性和良好的韧性。 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、一定的塑性和韧性。 4 量具钢高硬度、高耐磨性和良好的尺寸稳定性。,一、碳素工具钢,1、化学成分一般含有0.65-1.35%C。含碳量越高，则钢的耐磨性越好，而韧性越差。 典型牌号：T7、T8、T9、T10、T11、T12及T13各类。,4.1 碳素及低合金工具钢,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
3、。 应用：低速切削的刃具和简单的冷冲模，工作温度低于200。,3、常用碳素工具钢的成分、性能及用途,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，提高韧性。 提高钢的回火稳定性。,4.2 刃具钢,2、锻造及热处理,锻造：需多次锻粗和拔长，使碳化物分布均匀。 预备热处理：球化退火，获得球状珠光体。 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、熔盐等较缓和的淬火介质。回火：160-200。,3、常用低合金工具钢的化学成分、 力学性能和用途,高速工具钢,高速切削刀具，在650时，仍能使硬度保持HRC50以上，从而保证其
4、切削性能和耐磨性。 高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢增加13倍，而耐用性增加714倍。,4.2 高速工具钢,一、高速钢的化学成分、铸态组织 和碳化物类型,1 高速钢的化学成分 我国最常见的高速钢为钨系和钨钼系 ，主要的合金元素是W、Mo、Cr、V和Co，属于高合金莱氏体钢。,一、高速钢的化学成分、铸态组织 和碳化物类型,2 高速钢的铸态组织通常由鱼骨状莱氏体(Ld)、中心黑色的共析体、白亮的马氏体和残余奥氏体组成。如图4-2。,3 高速钢的碳化物,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高速钢退火状态的碳化物总量约为30%左右，其
5、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。,M6C型碳化物 ：,典型的M6C型碳化物是Fe4W2C。 其中Fe和W可以相互置换，形成Fe3W3C或Fe2W4C。 钢中含有的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稳定性不同。如Cr溶入M6C中，使M6C稳定性下降。 M6C的硬度为73.5HRC77HRC。,M23C6型碳化物：,是以Cr、W、Mo为主并溶有铁等元素的碳化物（Cr、Fe、W、Mo、V）23C6。 典型碳化物是Cr23C6，其稳定
6、性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢的淬透性。,MC型碳化物：,是以V为主的VC，也能溶解少量的W、Mo、Cr等元素。 碳化物VC的稳定性最高，即使在淬火加热温度下，也不能全部溶解。 VC的最高硬度可达8385HRC。 在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢具有高的耐磨性。,M2C和M7C3型碳化物：,高速钢在回火过程中，当温度超过500时，自马氏体中析出W2C、Mo2C，引起钢的弥散硬化。 当回火温度超过650时，则析出M6C及M7C3，它们容易聚集长大，使钢的硬度下降。,二、高速钢的锻造和热处理,1 锻造 高速钢的铸态组织很不均匀。大量不均匀分布的粗大碳化物，将造成强
7、度及韧性的下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫正，必须借助于反复压力热加工(锻、轧)，将粗大的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，所以锻造或轧制以后，钢坯应缓慢冷却，以防止产生过高的应力导致开裂。,2 退火,高速钢锻造以后，必须进行球化退火，其目的不仅在于降低钢的硬度，以利切削加工，而且也为以后的淬火作组织上的准备。 18-4-1钢的AC1温度是820-860，故退火温度为860880。在该温度保温23h，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余碳化物（图4.3）。,3 淬火,18-4-
8、1钢的淬火温度是1280。 淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金浓度越高。只有合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和红硬性。 高速钢中的合金碳化物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溶解完毕；M6C在1037以上开始溶解，1250以上溶解量逐渐减小；MC在1100以上逐渐溶解，溶解速度比M6C缓慢。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的质量分数，Cr基本溶解，W溶解7-8%，V溶解0.5-1.0%。
9、,3 淬火,温度超过1300时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至在晶界处发生溶化现象。使淬火钢的韧性大大下降。所以，1280作为淬火温度。 由于高速钢的导热性差，而淬火温度又极高，为减少工件在加热时的变形开裂和缩短高温保持时间，减少脱碳，可采用预热。一次预热在800-850，二次预热在800-850前加一次500-600预热。,淬火一般采用油淬空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火，一般在580-620一次分级或在350-400做第二次分级。 钢的正常淬火组织是马氏体碳化物残余奥氏体(30%左右)。图4-5为高速钢的正常淬火组织，图4-7为1350 油淬后的过烧组织 。,4
10、 回火,高速钢一般需进行三次560保温1h的回火处理。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、硬度和塑性的影响。 回火温度在500-600之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在550-570时可达到硬度、强度的最大值。在此温度区间，自马氏体中析出弥散的钨(钼)及钒的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使钢的硬度大大提高，这种现象称为二次硬化。 当回火温度500600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。这种贫化的残余奥氏体，在回火后的冷却过程中，转变为马氏体，使钢的硬度也有所提高。为了降低残余奥氏体量，需增加回火
11、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HRC6366，其组织为回火马氏体加碳化物。 常用高速钢钢棒的热处理制度、主要特性及用途举例如表4-5。,高速钢的热处理工艺规范图,5 高速钢的表面强化,为改善刃具的切削效率和提高耐用性，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。前者包括蒸气处理、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的碳化钛、氮化钛复层，许多国家已用于生产。,三、高速钢中合金元素的作用,1 碳 主要强化元素，随着碳含量进一步增高，淬火回火后的硬度和热硬性都增高。 若碳和碳化物形成元素满足碳
12、化物分子式中的定比关系，可以获得最大的二次硬化效应。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，需多次回火；使固相线温度降低，淬火温度下降。对W-Mo系，增加碳含量将使钢的抗弯强度和韧性明显下降。,2 钨和钼,提高热硬性、回火稳定性和细化晶粒、改善韧性。 共晶碳化物M6C淬火加热时大量未溶，阻碍奥氏体晶粒长大，改善韧性。 固溶在奥氏体中的7-8%W淬火后提高回火稳定性；回火时析出W2C，产生弥散硬化，提高热硬性。 钼的作用与钨相同，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，
13、减小碳化物的不均匀性；热硬性略低；脱碳倾向大；钼系抗弯强度和韧性远高于钨系。,3 铬,提高淬透性，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，主要提高淬透性。,4 钒,细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性。 V在钢中主要以VC存在，也溶于其他类型碳化物。淬火加热时，VC部分溶于奥氏体中，未溶部分阻碍奥氏体晶粒长大，溶解部分使马氏体回火稳定性提高；回火时析出弥散VC产生二次硬化，提高热硬性。 高速钢中含V量增多，热硬性明显提高。 高V高速钢中，鸟巢状的共晶碳化物VC增多，可达10%左右，提高钢的耐磨性，但也使切削加工性
14、能降低。高V高速钢属于高热硬性高耐磨性钢。,5 钴,提高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，提高马氏体的回火稳定性。Co与W和Mo原子间结合力强，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。,6 微合金元素,氮：提高热硬性，同时也提高抗弯强度和挠度，改善韧性。N溶于碳化物中，形成合金碳氮化物，使M6C碳化物稳定性提高，减小聚集倾向。N细化奥氏体晶粒，提高晶界开始熔化温度，因而提高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：提高钢在900-1150间的热塑性。加入稀土元素降低硫在晶界的偏聚，提高热塑性。,四、高速钢刃具
15、的热处理缺陷,1 过热 由于淬火温度过高等原因，造成晶粒过大，剩余碳化物数量减少，碳化物出现粘连、拖尾、角状或沿晶界呈网状分布的现象称为过热。 2 过烧 淬火温度接近钢的熔化温度，晶界熔化，出现莱氏体及黑色组织，称为过烧(图4-7)。过烧的刃具，常常出现严重的变形或皱皮现象，这种缺陷是不可挽救的。,四、高速钢刃具的热处理缺陷,3 脱碳 表面脱碳使工具的硬度降低，金相组织中出现明显的铁素体，在其基体上还有碳化物存在。钢的表层脱碳，使Ms点升高，在淬火时，表层先转变为马氏体，形成一层薄的硬壳，随后心部进行马氏体转变时，体积膨胀，表层受到张应力，易于引起开裂，同时其硬度和耐磨性也降低，从而大大降低刃
16、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。其金相组织为粗大的晶粒。产生萘状断口的刀具，强度、韧性极低，使用时易崩刃或折断，是一种不可挽救的缺陷。萘断口的形成主要是由于停锻温度过高(10501100)，而且变形量又在1015左右，或由于需返修而进行两次淬火，其间未经退火造成的。如果淬火前不进行充分退火，也容易产生萘状断口。,作业题： 1 常用碳素工具钢和低合金工具钢的典型钢种有哪些，预备热处理工艺、最终热处理工艺、使用态的显微组织和主要应用如何？ 2 请制定高速钢W18Cr4V的热处理工艺，说出工艺制定的原因？ 3 高速钢W18Cr4V中合金元素的作用是什么？ 思考题：了解其
17、他高速钢的成分、合金元素作用、主要性能及用途？,一、冷作模具的服役条件、失效方式 和性能要求（1）,冷作模具钢包括拉延、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，工作温度一般不超过300。 冷作模具钢在服役时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压应力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此冷作模具钢的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。,4.3 冷作模具钢,一、冷作模具的服役条件、失效方式 和性能要求（2）,要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性。对性能的要求与刃具钢相比： 模具形状及加工工艺比较复杂，而且
18、摩擦面积大，磨损可能性大，所以修磨困难，因此要求模具钢具有更高的耐磨性 承受冲击力大，又由于形状复杂易于产生应力集中，所以要求具有较高的韧性 模具尺寸大、形状复杂，所以要求较高的淬透性、较小的变形及较小的开裂倾向。,二、碳素及低合金模具钢,常用作冷作模具的碳素工具钢有T8A、T10A、T12A。 常用作冷作模具的低合金工具钢有9Mn2V、9CrSi、CrWMn等。 只能用于制作尺寸小、形状简单、工作负荷较轻的模具。,三、高碳高铬模具钢,1、高碳高铬模具钢的成分和特点 含有较高的C（1.4%2.3%）和大量的Cr（11%13%），有时还加入少量的Mo和V。 这类钢的典型钢号有Cr12、Cr12M
19、oV和Cr12Mo1V1，其化学成分如下见表4-6。,高碳高铬冷变形模具钢具有以下特点： 高的耐磨性：主要由于存在大量M7C3型碳化物。 高的淬透性： Cr12MoV钢，截面300400mm以下可以完全淬透。 淬火变形小：随淬火温度的升高，体积变化减小，显然这与残余奥氏体量增多有关。 高的红硬性：经回火处理产生二次硬化，有较高的红硬性。 碳化物不均匀比较严重：通常需要通过改锻来降低碳化物的级别。,2 锻造和退火,高碳高铬型钢的组织和性能与高速钢有许多相似之处，也属于莱氏体钢。铸态组织也有共晶莱氏体存在，必须通过轧制或锻造，破碎共晶碳化物，也减少碳化物的不均匀分布。 锻造后通常采用等温球化退火进
20、行软化。A1温度为800820，所以等温球化退火的加热温度一般为850870，保温3h4h；退火等温温度为720740，保温6h8h，炉冷至小于500出炉空冷，如图4-9。 等温球化退火后的组织与高速钢的退火组织相似，为索氏体型珠光体+粒状碳化物。退火后硬度为207267HB。,4.3 冷作模具钢,3 淬火和回火,随着加热温度的升高，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的浓度，可获得较高的淬火硬度。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，由于奥氏体中合金元素增多，使Ms点下降，从而导致残余奥氏体量的增加，硬度急剧下降。如图4-12。,高碳高铬型钢的
21、淬火、回火处理有下列两种工艺方法 ： (1)一次硬化处理 采用较低的淬火温度并进行低温回火。 选用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强度和韧性较好。通常Cr12MoV钢选用9801030淬火，如希望得到较高的硬度，淬火温度可取上限。 回火温度一般在150-170。硬度HRC61-63。回火温度升高时硬度降低,但强度和韧性提高。 大多数Cr12型钢制作冷变形模具均采用此工艺。,(2)二次硬化处理 在较高的温度淬火，然后进行多次高温回火，以达到二次硬化的目的。这样可以获得高的回火稳定性，但稍降低钢的强度和韧性。 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的模具。,四、
22、高碳中铬模具钢,1 中铬模具钢的成分和特点 典型钢种：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，并有少量M6C和MC型。碳化物分布较均匀，退火态含有15%左右的碳化物。 耐磨性好、热处理变形小，适用于既要求耐磨性又具有一定韧性的模具。,2 淬火、回火,Cr6WV淬火温度通常采用960-980，热油淬火，150-200回火，硬度HRC58-62。淬火温度提高，可获得最高的硬度和淬透性。 耐磨性低于Cr12钢，但有较好的强韧性。 常用合金冷作模具钢的热处理、主要特性和用途如表4-7。,五、基体钢和低碳高速钢,所
23、谓基体钢系指含有高速钢淬火组织中除过剩碳化物外的基体化学成分的钢种。这种钢，既有高速钢基体的强度和热硬性，又不含有大量的未溶碳化物，故不致使韧性和疲劳强度降低。 一般18-4-1和6-5-4-2高速钢正常淬火后基体的成分如表4-8。,由表4-8和表4-6可见，基体钢也可以认为是一种较低碳含量的高速钢（有时称为低碳高速钢，实际碳含量处于中碳成分）。 这种低碳高速钢常用于高冲击负荷下的模具，由于碳化物相对较少，钢的韧性和工艺性能也明显改善。 低碳高速钢应用最多的是6W6Mo5Cr4V钢，碳和钒的含量都比高速钢6-5-4-2降低，但仍属于莱氏体钢。 这种钢适宜的淬火温度为11801200，在油、空气
24、或盐浴中冷却，淬火后经560580回火三次，硬度为（6063）HRC。 其他钢种：50Cr4Mo3W2V，55Cr4Mo5WVCo8，65Cr4W3Mo2VNb，60 Cr4Mo3Ni2WV。,六、新型冷作模具钢,为适应冷镦模和厚板冲剪模的要求，既有良好的耐磨性，又有较高的韧性，发展的高韧、高耐磨的钢种。 典型的钢种有8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2V2WSi，我国常用的是7 Cr7Mo2V2Si钢。 7Cr7Mo2V2Si钢成分：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，有较好的淬透性，热处理变形小。,在退火状态，钢中碳化物以VC为
25、主，还有少量的M23C6和M6C。 淬火温度1100-1150，此时剩余碳化物为3%的VC，提高耐磨性。由于剩余碳化物总量不高，钢的韧性较好。淬火回火时在500-550间出现二次硬化峰。 要求强韧性好的模具，采用低淬火温度1100，550回火2-3次。 要求高耐磨性，采用高淬火温度1150，560回火2-3次。,作业：叙述高碳高铬模具钢的成分、热处理、性能特点及用途。 思考题：了解其他类型冷作模具钢的成分、热处理、性能特点及用途。,4.3 冷作模具钢,4.4 热作模具钢,热作模具主要包括锤锻模、热挤压模和压铸模三类。 热作模具服役条件的主要共同特点是与热态金属直接接触。因此会带来以下两个方面的
26、影响：一是模腔表面金属受热（锤锻模模腔表面可达300400，热挤压模可达500800，压铸模模腔温度与压铸材料的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、冷的作用下出现热疲劳（龟裂）。 对热作模具钢的性能要求一方面是高的高温硬度、高的热塑性变形抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性；另一方面是要求钢具有高的热疲劳抗力。,一、热作模具的服役条件和性能要求,二、锤锻模用钢 1、化学成分和典型钢种,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的韧性，碳含量过低会导致钢的硬度和强度下降，碳含量过高，钢的导热性能低
27、，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，另一方面这些合金元素还可以提高钢的回火稳定性，并在回火过程中产生二次硬化效应，从而提高钢的高温强度、高的热塑性变形抗力；同时这些合金元素的加入还可以提高钢的临界点，并使模面在交替受热与冷却过程中不致发生容积变化较大的相变，从而提高钢的热疲劳抗力。 加入Mo、W等合金元素还可以防止回火脆性。,4.4 热作模具钢,1、化学成分和典型钢种,典型钢种：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2MoWVNi和45Cr2NiMoSiV。 化学成分见表4-10。,4.4 热作模具钢,2、淬火和回火,锻模由型
28、腔和燕尾两部分组成。大中型锻模的型腔部位要求硬度在HRC3642，燕尾部分承受冲击，要求硬度在HRC3035 。5CrMnMo、5CrNiMo：830-860加热，空气中预冷到760左右油淬，型腔部位520-580回火； 燕尾部分可在600-660回火。 对于稳定性高的3Cr2MoWVNi和45Cr2NiMoSiV钢，回火温度将提高。 回火温度应稍高于模面工作温度。,4.4 热作模具钢,3、主要应用,模高小于400mm的中、小型锤锻模：5CrMnMo； 模高大于400mm的锤锻模：5CrNiMo及3Cr2MoWVNi和45Cr2NiMoSiV钢。后两种钢具有更高的高温强度、韧性和热稳定性。 常
29、用热作模具合金钢的热处理、主要特性和用途举例如表4-11。,4.4 热作模具钢,三、热挤压、压铸模用钢 1、铬系热作模具钢,含有大约5Cr，并加入W、Mo、V、Si等。 典型钢种：45Cr5MoSiV、45Cr5MoSiV1、4Cr5W2SiV、33Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2NiVNbB等。其成分参见表4-10。 Si、Cr抗氧化性和烧蚀性较好 ；Si还有利于提高回火稳定性和抗热疲劳性能； 加入V可加强钢的二次硬化现象，增加热稳定性。 主要用于尺寸不大的热锻模、铝及铜合金的压铸模、钢及铜合金的热挤压模、热剪切模、精密锻造模及各种冲击和急冷条件下工作的模具，成为主要的热作模具钢钢种。,4.4 热作模具钢,2、钨系热作模具钢,主要特点是具有高的热稳定性。 W提高热稳定性和耐磨性，含W量越高，热稳定性越高。Cr增加钢的淬透性，使模具有较好的抗氧化性。 典型钢种： 3Cr2W8V 一般采用10801150淬火加热； 560600回火，回火组织为回火马氏体过剩碳化物，硬度HRC4048。 这类钢主要用于制造高温下承受高应力，但不承受冲击负荷的压铸模、热挤压模和顶锻模等。,4.4 热作模具钢,作业：,说出各种热作模具钢的典型钢种和热处理特点。思考题： 热作模具钢的生产与研究动态。,
