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第一篇:工具钢性能
第四章
工具钢
对各种材料进行加工,需要接受各种工具,主要是各种刃具与模具。
工具钢按用处分为刃具钢、模具钢及量具钢。按成分可分为碳素工具钢,低合金工具钢,高合金工具钢〔高速钢〕。
刃具钢要求高硬度,高耐磨性,确定韧性和塑性,有时需热硬性。如车刀,刨刀,铣刀,钻头,丝锥,锉刀,锯条。常用钢种为T7~T12,Cr,Cr2,9Mn2V,CrWMn,W18Cr4V。
模具钢为两类:一类为热作模具钢,要求高温下的硬度的强度,抗热疲乏和良好的韧性。
如锤锻模,挤压模,压铸模。常用钢种为T8~T12,MnSi,5CrW2Si,Cr12V,Cr12MoV。另一类为冷作模具钢,要求具有高硬度,耐磨性和确定的韧性。如冲切模,冷镦模,搓丝模,拉丝,剪刀片。常用钢种有5CrNiMo,3Cr2W8V。
量具钢要求高硬度,高耐磨和尺寸稳定性如量规,样板,卡尺。
工具钢要求的基本性能有:〔1〕运用性能,如强度,塑性,韧性,耐磨性,热硬性,热疲乏性能;〔2〕工艺性能,如淬透性,变形与开裂倾向,脱C敏感性,磨削性,切削加工性。
§
一、碳素工具钢
:高C钢,-%:高C回火马氏体+细粒状K,HRC58-:T7~T13高牌号者,硬度高,耐磨性好,但韧性较低;低牌号者,硬度较低,但韧性较好。可选择不同场合具体运用。
:球化退火〔粒状P组织,便于切削加工〕+淬火与低温回火
球化退火接受等温球化退火工艺。
:本钱低,冷热性能较好,热处理简洁,应用范围较宽。
缺乏处:〔1〕淬透性低,盐水中淬火,变形开裂倾向大。
〔2〕组织稳定性差,热硬性低,工作温度小于200℃。
:制作工件尺寸较小、受热温度不高、形态简洁、不受较大冲击的工具如低速切削的刃具和简洁的冷冲模。
二、低合金工具钢
加入M,如Si,Mn,Cr,W,Mo,V。与碳素钢相比,具有淬透性高,耐磨性好,淬火变形少,回火稳定性好,切削速度也较高。
合金元素作用:提高耐磨性,V,W,Mo,Cr;提高淬透性;削减淬火变形;
细化晶粒提高韧性;增大热硬性。
常用钢种:Cr06,Cr,Cr2,9Cr2,9SiCr,8MnSi,CrMn,CrWMn,CrW5,W,V但由于热硬性仍较差,难以满意高速切削的需要。
§
高速工具钢适用于高速切削***。由于合金度高,可保证刃部在650℃时实际硬度仍高于HRC50,从而具有优良的切削性和耐磨性。
根据钢中主要化学成分,高速钢可分成三类:即钨系高速钢、钼系高速钢和钨钼系高速钢,其中钨系的W18Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2应用最普遍,属于通用型高速钢;而高碳高钒、高钒高钴超硬高速钢属于特殊高性能高速钢见表4-1。

1、高速钢中的组成相
高速钢的平衡组织:合金F和合金K合金元素:W,Mo,Cr,V,Co
合金K:M6C型:
W,Mo的K,溶解确定的Cr,V,Co
M23C6型:Cr的K,〔Cr,Fe,Mo,W,V〕23C6
MC型:
V的K,溶解少量W,Mo,Cr
在热处理过程中还存在M2C型K:W,Mo的K,W2C,
高速钢属于高合金莱氏体钢,其相图较困难。图4-1为Fe-W-Cr-C系的变温截面。当W18Cr4V钢凝固时,发生以下反应:
〔1〕起先结晶时析出δ(高温α)固溶体;
〔2〕冷到1400℃发生L+δ→γ的包晶反应;
〔3〕在1345℃旁边很窄的温度范围进行L+δ→γ+M6C的包共晶反应;
〔4〕在1330℃-1300℃之间发生L→γ+M6C的共晶反应,始终到完全凝固,形成由奥氏体和碳化物组成的共晶莱氏体,存在于奥氏体晶之间,其中碳化物呈鱼骨状,骨络之间为γ;
〔5〕凝固后接着冷却时,由奥氏体中析出过共析合金碳化物,在870-800℃间发生γ+M6C→α的包析反应;冷到800℃左右发生γ→α+M6C+Fe3C共析反应。事实上W18Cr4V钢中在共晶结晶时还出现VC,并在随后冷却时,由奥氏体中还析出VC和M23C6型碳化物。在低温下未觉察Fe3C存在。
图4-1Fe-W-Cr-C系的变温截面
图4-2W18Cr4V钢的铸态组织
在实际铸锭凝固时的冷却速度大于平衡冷却,其包晶反应不能进行完毕,仍有部分δ相被保存下来,在接着冷却时发生共析分解δ→γ+M6C,随后γ相再发生共析反应。“黑色组织〞。γ相的共析反应也可能破抑制而过冷到低温,转变为马氏体和残留奥氏体,形成“白亮组织〞。
因此铸态组织有大量鱼骨状共晶Le和黑色组织〔屈氏体〕与白色组织〔马氏体和剩余奥氏体〕。

铸态高速钢组织中粗大的共晶碳化物必需经过锻轧将其裂开,使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物;在锻轧变形量缺乏时,仍存在粗的碳化物网和密集的带状碳化物,这种碳化物的不均匀性对高速钢***的质量和运用寿命有极大影响。淬火加热时,碳化物稀有区奥氏体晶粒易粗化,淬火开裂倾向大,碳化物密集区脆性大,易引起崩刃。粗大碳化物在淬火加热时溶解少,使旁边奥氏体合金度低,热处理后刃具的硬度、热硬性和耐磨性都降低,抗弯强度、韧性指标因碳化物不均匀而降低。因此,碳化物的均匀分布程度是考核高速钢的主要技术质量指标之一。
改善碳化物不均匀性的措施有:
〔1〕接受200-300kg小锭型,使钢锭凝固快,削减结晶时宏观偏析,莱氏体共晶也细小;
〔2〕接受扁锭加快凝固,一般用630kg型,削减集中偏析和使莱氏体共晶细小;〔3〕增大钢锭锻压比,反复拉拔和镦粗;
〔4〕,莱氏体共晶细小;〔5〕粉末冶金方法。
二、高速钢的热处理

高速钢经锻轧后,钢材需要退火。消退内应力,降低硬度,便于切削加工,为淬火做组织准备。可接受一般退火或等温退火。
高速钢的Ac1在820-860℃范围,故退火温度为870-880℃,保温2-3h,大部分合金碳化物未溶入奥氏体,此时奥氏体中合金元素含量不多,冷却时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。一般冷却速度≤30℃/h,冷到600℃出炉空冷。退火后W18Cr4V钢中碳化物体积百分数约为30%,其中M6C为16-19%,M23C6为9%,%-2%。组织为S+K。
图4-3为W18Cr4V钢的典型热处理淬火与回火工艺。
图4-3W18Cr4V钢的典型热处理淬火与回火工艺
l热处理工艺特点:
〔1〕往往接受一次或两次预热:高合金的高速钢导热性差,为防止工件加热时变形,开裂和缩短加热的保温时间以削减脱碳。〔2〕淬火温度高。
为使奥氏体中合金度含量较高,应尽可能提高淬火温度至晶界熔化温度偏下〔晶粒照旧很细,9级〕。淬火后获得高合金的马氏体,具有高的抗回火稳定性,在高温回火时析出弥散的合金碳化物产生二次硬化,使钢具有高的硬度和热硬性。图4-4是W18Cr4V钢的的正常淬火组织,图4-5是W18Cr4V钢的过烧组织。
图4-4W18Cr4V钢的正常淬火组织
图4-5W18Cr4V钢的过烧组织M23C6
900℃起先溶解,1090℃全部溶解;
M6C
1037℃起先溶解,1250℃以上溶解量逐惭减小;MC
1100℃起先溶解,溶解速度比M6C缓慢。
1280℃时,奥氏体中:%,W7-8%,Cr4%,-%
剩余K总量为9-10%:其中,%-%,-%〔3〕可接受分级淬火。
一般油淬空冷〔组织为:M+Ar20-25%+9-10%未熔K〕。对瘦长件和薄片件接受等温淬火。
为了削减工件变形,接受1次或多次分级淬火。对于大型困难刃具,可接受等温淬火,以削减变形并提高韧性。
〔4〕回火温度高,回火次数多。
回火目的是从M中析出弥散M2C和MC碳化物,产生二次硬化效应和消退剩余奥氏体和内应力。
回火温度高是为了提高二次硬化效果;回火次数多一方面增加二次硬化效果,另一方面〔主要〕是为了利用二次淬火来降低剩余奥氏体的含量,也间接地提高了性能。见图4-6~4-8。
图4-6W18Cr4V钢奥氏体成分与淬火T的关系
图4-7W18Cr4V钢回火时的硬度转变
图4-8W18Cr4V钢回火次数与剩余奥氏体量与性能的关系
为改善和提高高速钢刃具的切削效率和耐用度,广泛接受外表强化方法,通过外表化学热处理或在刃具外表覆层。高速钢工件外表化学热处理有外表氮化〔如辉光离子氮化、气体软N化〕、外表硫氮共渗或硫氮硼等多元共渗、蒸气处理等。这些处理温度均不超过560℃,工件的显微组织和性能均未变更。
工件外表覆层是物理气相沉积(PVD法)在工件外表沉积TiC或TiN覆层,具有高硬度、优异的耐磨性、抗粘着性扣抗咬合性,显著提高工件运用寿命。
三、合金元素的作用
碳化物的转变是高速钢性能的晴雨表。它确定高速钢热硬性的好坏。
。可阻挡奥氏体晶粒粒长大;提高马氏体的回火稳定性。
Mo高速钢的含Mo共晶碳化物为细鸟巢状,削减了K的不均匀性;抗弯强度和冲击韧性较高。Mo2C比W2C析出温度低,易长大;易脱C。现常选用W-Mo系。。
。可提高钢的耐蚀性和抗氧化实力,改善切削实力。
形成K,固溶强化。C%提高,HRC和热硬性提高。
,降低韧性,增加脱C倾向。有5%、8%、12%三个级别
主要通过固溶在马氏体中,提高马氏体的抗回火稳定性,减慢合金K的析出与聚集
长大,加强二次硬化效果〔提高晶界起先熔化温度〕。
:N—-%于高C高硬高速钢中,可提高热硬性;
RE:可明显改善其在900-1150℃之间的热塑性。
§
一、概述
冷作摸具钢是用来制作使金属冷变形的模具,如冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁、拉丝等模具。其工作温度不高,主要要求具有高硬度和耐磨性,也要有确定韧性。在热处理时要求淬透性高,淬火变形小。
一般中小型模具常用碳素及低合金工具钢制作,如T12、9Mn2V、Cr2、CrWMn等。另一类是高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高碳中铬钢或高速钢基体钢。常用的冷作模具钢化学成分见表4-2。
表4-2常用的冷作模具钢的的成分〔%〕
二、高铬和中铬模具钢
,Cr7C3型〔HV2100〕,具有高淬透性。可用两种热处理工艺:
1)低温淬火和低温回火,组织M+Ar(少),HRC61-63
2)高温淬火与高温回火,组织M+Ar〔多〕,多次回火,提高硬度。,Cr4W2MoV,Cr5Mo1V高碳中铬模具钢。由于碳量相对低,铬量低,属于过共析钢。由于凝固时偏析,故仍有部分莱氏体共晶。这类钢中的碳化物也是以Cr7C3型为主,并有少量M6C,MC型。
这类钢的碳化物分布较均匀。退火态含有15%左右的碳化物。这类钢具有耐磨性好和热处理变形小的特点,适用于制造既要求有耐磨性、又具有确定韧性的模具。
三、基体钢和低碳高速钢
50Cr4Mo3W2V,55Cr4Mo5WVCo8,65Cr4W3Mo2VNb,60Cr4Mo3Ni2WV基体钢是根据通用高速钢淬火后基体成分而设计的钢种,它既有高速钢基体的强度和热硬性,又不含有由过多的未溶碳化物带来的脆性。低碳高速钢也常用于高冲击负载下的模具。