第二节合金工具钢.ppt

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第二节工具钢,刃具钢：

制造车刀、铣刀、钻头等金属切削刀具。

模具钢：

制造冷冲模、冷挤压模、热锻模等成型模具。

量具钢：

制造各种度量工具如卡尺、千分尺、块规等。

工具钢是用于制造各类切削工具、模具和量具的钢类。

按化学成分可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢；按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。

量具,刃具,一、刃具钢,工作条件与性能要求,

（1）高硬度具有比被加工工件更高的硬度，一般高于60HRC。

（2）高耐磨性刀具的刃部和金属毛坯存在摩擦。

（3）高热硬性（在温度较高的情况下也能保持高硬度，这种性能称为热硬性）切削过程中因摩擦生热使刀具的温度升高。

失效形式有卷刃、崩刃和折断，但最普遍的是磨损。

（4）一定的强韧性承受冲击、振动载荷,

（一）刃具钢特点,含碳量：

高碳0.6%1.5%，保证高硬度、高耐磨性,3.热处理：

球化退火、淬火+低温回火,防止氧化脱碳盐浴炉或真空炉加热,最终组织：

M回+K（碳化物）+A,2.成分特点：

主加元素：

Cr、W、Mo、V等，提高强度、硬度、耐磨性，细化晶粒,辅加元素：

Mn、Ni、Si等，提高淬透性，强化铁素体,

（二）碳素及低合金刃具钢,1、碳素工具钢,含碳量：

0.651.30%钢号,T7A、T8A、T10A、T12A等,随含碳量增加，硬度、耐磨性增加，但韧性降低。

用途,用于制造低速、低温（200）、低冲击、硬度在HRC62左右的刃具。

錾子、凿子、冲子：

T7、T8A,锉刀、刨刀：

T12A、T13A,小钻头、丝锥、低速车刀：

T9T11A,加工路线,下料锻造球化退火机加工淬火+低温回火,最终热处理：

淬火加热温度：

760780，水冷。

回火温度：

160180,手锤,锉刀,冲头,组织:

M回+Fe3C+A,2、低合金刃具钢,含碳量：

1%左右,合金元素：

Cr、Si、Mn：

提高强度、淬透性、回火稳定性；,W、V：

细化晶粒，提高硬度和耐磨性,常用低合金刃具钢：

9SiCr、9Mn2V、CrWMn,主要用途：

丝锥、板牙、绞刀、载荷较小的冷冲模等，使用温度不能超过250300。

9SiCr钢球化退火工艺曲线,热处理：

球化退火、淬火+低温回火,P粒,板牙,组织:

M回+B下+K+A,例题：

分析比较T9和9SiCr:

1）为什么9SiCr钢的热处理加热温度比T9钢高?

2）直径为3040mm的9SiCr钢在油中能淬透，相同尺寸的T9钢能否淬透?

为什么?

3）T9钢制造的刀具刃部受热到200-250，其硬度和耐磨性已迅速下降而失效；9SiCr钢制造的刀具，其刃部受热至230-250，硬度仍不低于60HRC，耐磨性良好，还可正常工作。

为什么?

4）为什么9SiCr钢适宜制作要求变形小、硬度较高和耐磨性较高的圆板牙等薄刃工具?

（三）高速钢,特点：

使用时因高速摩擦产生热量大，使刃具温度很高，因而对热硬性和耐磨性要求非常高。

1、用途高速切削的刃具车、铣、刨、拉刀、钻头和丝锥工作温度达500600时硬度仍可保持60HRC以上。

典型钢种：

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,2、合金化,

（1）C0.7%1.4%固溶在马氏体中和形成合金碳化物。

保证钢淬火后马氏体具有高硬度，同时提高耐磨性。

（2）W和Mo提高红硬性固溶于M中的W在回火时W2C产生二次硬化（热硬性高）,（3）Cr增加淬透性风钢（小尺寸空冷，大尺寸可以油淬+空冷）,（4）V提高耐磨性和热硬性，回火时析出VC产生二次硬化并使耐磨性显著提高。

3、W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点,铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570回火磨削加工,铸造：

高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物，钢的韧性大幅下降。

高速钢铸态组织,锻造：

鱼骨状碳化物不能用热处理来消除，只能依靠反复多次锻打来击碎。

（1）预先热处理球化退火,热处理,球化退火后的组织:

S+粒状K（207255HB）,目的：

降低硬度，以利切削加工；使碳化物形成均匀分布的颗粒状，为最终热处理做好组织准备。

高速钢锻造退火后组织,工艺非常特殊淬火加热温度很高、回火温度高（在高硬度范围内）、回火次数多（三次）。

淬火加热淬火加热温度：

12701280为了获得二次硬化效果，加热温度必须高于1200。

（2）最终热处理淬火回火,加热用盐浴炉或真空炉,a）盐浴炉加热,加热速度快，适合小批量,预热,在A1温度附近（800840）必须预热一次。

如果尺寸大，还需在500650和10001100再预热。

b）真空炉加热,加热速度慢、适合大批量,不需要预热。

冷却采用高压气淬，容易控制冷却速度。

空冷小尺寸。

先油冷后空冷尺寸较大、但形状较简单。

分级淬火形状复杂，对变形量要求高。

冷却（根据尺寸大小和形状复杂程度选择）,淬火后的组织：

M+粒状K+A（2025%）,硬度为6263HRC,防止珠光体转变,内外温度均匀后空冷减小变形,淬火组织未溶碳化物+隐针马氏体+残余奥氏体,回火二次硬化,回火后硬度6365HRC,AM,20%25%A,5%A,1%2%A,15%A,为什么要进行三次回火？

回火组织M回+K+A,二、模具钢,模具钢：

用于制造冲压、模锻、挤压、压铸等模具的钢。

根据模具工作条件的不同可分为热作模具和冷作模具。

曲轴模具,

（一）热作模具钢,热作模具属于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。

如热锻模、热挤压模及压铸模等。

1、热作模具的工作条件及性能要求,足够高的高温硬度、高温耐磨性（高的回火稳定性）高的热强性和足够高的韧性。

模腔受热，与工件间强烈摩擦作用。

足够的淬透性和导热性模具一般体积较大,良好的耐热疲劳性,热作模具反复受热和冷却，易发生热疲劳而龟裂,2、热作模具的化学成分,碳含量0.30.6%,一般为中碳钢，保证一定的硬度和足够的韧性。

辅加元素：

V、W、Mo细化晶粒，提高耐磨性、红硬性、耐热疲劳性能及抑制第二类回火脆性,增加淬透性，强化铁素体，提高强度、韧性及回火稳定性,合金元素：

主加元素：

Cr、Ni、Mn、Si,汽车四缸压铸模,常用钢号：

5CrMnMo（中小型热锻模具）、5CrNiMo（大型热锻模具）3Cr2W8V压铸模用钢（用于制造有色金属的压铸模和热挤压模）,3、热作模具的热处理,锻造后退火,消除锻造应力；降低硬度，利于切削加工；为随后的淬火作组织准备。

淬火及回火,大型热锻模：

淬火高温回火,中、小型热锻模：

淬火中温回火,热锻模钢：

5CrMnMo（中小型热锻模具）、5CrNiMo（大型热锻模具）,预冷（750780）,油淬,回火屈氏体+回火索氏体,5CrMnMo的淬火及回火工艺,降低淬火应力减少变形,防止开裂,210,球化退火淬火高温回火（560630）淬火（10801150）+560630三次回火热处理后的组织:

M回+K粒状+A,压铸模、热挤压模钢：

3Cr2W8V（过共析钢）,属于接近室温状态下对金属进行冷变形加工的模具。

（二）冷作模具钢制造冲压、冷挤压、冷镦模具。

汽车冲压模具,1、冷作模具的工作条件、性能要求,高硬度（HRC5862）良好的耐磨性足够的强度和韧性,常温下使坯料变形，变形抗力大且存在加工硬化，模具工作部分受到强烈的挤压、摩擦和冲击。

失效：

磨损、脆断、崩刃、变形,2、冷作模具的化学成分（和刃具钢基本相似）,高碳12%，保证高硬度和耐磨性,合金元素:

Cr：

提高淬透性；Mo、W、V：

细化晶粒，提高耐磨性。

3、钢种、牌号及用途（和刃具钢基本相似）,尺寸较大的重载或要求精度较高、高耐磨性、热处理变形小的冷变形模具：

高碳高铬模具钢：

Cr12、Cr12MoV等。

属于莱氏体钢,受力不大、形状简单、尺寸小的冷变形模具：

碳素工具钢，如T10A。

受力较轻，但形状复杂或尺寸较大的冷变形模具：

高碳低合金模具钢，9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15,4、冷作模具（Cr12、Cr12MoV）的热处理,锻造后球化退火（T加=850870等温730750）,消除锻造应力；降低硬度，利于切削加工；为随后的淬火作组织准备。

淬火及回火,根据使用条件和硬度范围选择回火种类。

一次硬化法:

淬火+低温回火（6163HRC）（9501000）（150180）二次硬化法:

（400450工作的模具）淬火+三次回火（6062HRC）（10001100）（490520）,S+K粒,HB207267,（若要求韧性，回火温度高一些200270（5759HRC），但应避开300375的回火脆性区）,Cr12MoV的淬火及回火工艺,为了提高模具的耐磨性、抗疲劳能力及减小变形，延长模具的使用寿命，也可采用渗氮、氮碳共渗（软氮化）和渗硼等对模具局部表面进行化学热处理。

使用状态下的组织:

M回+颗粒状碳化物+A（少量）,HRC6062,三、量具钢,

（一）对量具钢的要求,1、量具的工作部分应具有高的硬度和耐磨性（62HRC）与被测工件接触，受到磨损与碰撞,2、具有高的尺寸稳定性,3、有一定的韧性,

（二）量具用钢,形状简单、精度较低的卡尺、样板、量规等。

T10A、T12A、9SiCr2.使用中易受冲击、精度不高量具，如卡规、直尺。

10钢、15钢：

渗碳淬火+低温回火。

50、55、60、60Mn、65Mn钢：

调质处理后感应加热表面淬火+低温回火。

3.高精度的量具，如塞规、块规。

采用热处理变形小的钢CrMn、CrWMn、GCr15等。

卡规,塞规,4.接触腐蚀介质的量具：

M不锈钢3Cr13、4Cr13。

（三）量具钢的热处理,1、精度低、形状简单的量具,淬火及低温回火最终组织：

M回+AK,2、高精度的量具,淬火冷处理低温回火时效处理精磨或研磨,