第四章 金属材料学 工具钢

组织：球化退火后的显微组织叫球化体，在 铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。
球化体
目的： （1）使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球 状化，降低硬度，改善切削加工性能； （2）为以后的淬火作组织准备。
4. 扩散退火 把钢锭、铸件或锻坯加热到固相线以 下100 ℃～200 ℃的温度，长时间保温 （10 h～15 h），并进行缓慢冷却的热处 理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。 目的：减少钢锭、 铸件、锻坯的化学成分 和组织的不均匀性。 扩散退火后钢的晶 粒很粗大，要再进行完 全退火或正火处理。
Hale Waihona Puke 2. 等温退火 将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度, 保温后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度 保温, 奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热 处理工艺。 与完全退火相同, 能获得均匀的组织; 对于奥氏体较稳定的 合金钢, 可缩短退火 时间。
3. 球化退火 使钢中碳化物球状化的热处理工艺。 主要用于共析钢和过共析钢。球化退火 的加热温度略高于Ac1。 球化退火需 要较长的保温时 间来保证二次渗 碳体的自发球化。 保温后随炉冷却。
刃具
车刀、铰刀、刨刀、钻头
• 切削时刃部与切屑之间强烈摩擦----磨损严重 • 发热，刃部温度可达500℃～600℃； • 承受冲击和震动----崩刃、折断
工 具 钢
模具
冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模 热锻模、热压模、热挤压模和压铸模
• 型腔及刃口受到强烈的摩擦与挤压---磨损、刃口钝化 • 冲击与热的作用----型腔表面塌陷、沟槽、冷热疲劳裂纹
Mo 与W作用相近，1%Mo替代2%W，经济性提高15% 碳化物分布均匀，尺寸细小，可热加工； 回火时析出Mo2C，产生二次硬化和析出强化。
MoC不如WC稳定，Mo引起钢脱碳趋势增加。 V
1%-2%，大多以M6C形式存在，淬火时V少量溶解 入A，↑淬透性和M回火稳定性，回火时再析出VC，二 次硬化； 多数未溶，保留下来细化晶粒，提高硬度。 VC提高钢的红硬性，耐磨性，细化晶粒，降低钢的过 热敏感性。
钨系：W18Cr4V，18-4-1；M1，P18 钨钼系：W6Mo5Cr4V2，6-5-4-2；M2
高碳高钒 一般含钴 高钴高钒 超硬型
2.3.2 通用型高速钢成分及合金元素作用
C
一般高速钢含C量0.7~1.3%(质量分数)
保证淬火得到高碳马氏体，形成足够的碳化物。
合金元素 W
W、Mo、Cr、V等含量高碳化物形成元素， 提高淬透性、保证红硬性（Co）
Cr 4%，提高钢的淬透性，抗氧化性能。 切削时在刀刃处形成氧化膜，防止粘刀，降低磨损。 M6C型，溶于固溶体和渗碳体，阻止渗碳体型碳化物 的聚集长大。 Co 特殊性能高速钢中5-12% ，提高红硬性并加强二次硬 化 增加回火时Mo2C形核速度，减缓长大速率 （Co促进C原子扩散，使C的浓度梯度下降） Mo2C细小弥散析出 不利：脱碳趋势增大（采用还原气氛）
工 具 钢
成 分 特 点
合金元素
由于工具钢的含碳量较 高，为了改善工具钢的 塑性变形能力并减轻热 处理时淬裂的可能性， 工具钢对钢材的纯洁性 要求较严，对 S,P 含量 一 般 均 限 制 在 0.020.03%以下
Cr, W, Mo, V 碳化物形成元素。保证高硬 度和高耐磨性 有时也加入一些Mn和Si，其 目的主要是减少工具在热处 理时的变形，并增加钢的淬 透性和回火稳定性，使其硬 度值随回火温度的上升而下 降得慢一些。
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2.刃具钢的种类
2.1碳素刃具钢 T7、T8、T9、T10、T12、T13
0. 65-1.35% w(C)
T7、T8凿子、木工工具 T10、T12 车刀、丝锥 优点:容易锻造及切削加工，而且价格便宜，生产量约占全 部工具钢的60% 缺点：淬透性低、过热、回火抗力差
2.2 低合金工具钢 9SiCr，CrWMn, CrMn等
1. 完全退火 又称重结晶退火，把钢加热至 Ac3以上20 目的： ℃～30 ℃, 保温后缓慢冷却(随炉冷却或埋 ●通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、 入石灰和砂中冷却 ), 以获得接近平衡组织 不均匀的组织均匀化和细化； 的热处理工艺。 ●使中碳以上的 完全退火一般用 钢得到接近平衡状态 于亚共析钢及合金钢 的组织，降低硬度， 的铸锻件以及部分焊 改善切削加工性能； 接结构件。 ●消除内应力。 亚共析钢完全退 退火后组织为F+P。
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合金工具钢： ×合金元素符号××
工 具 钢
一位数字 含碳量千分数
元素含量 百分数
注： Wc>1%一般不标数字，牌号开始无数字； 9Mn2V；CrWMn 特例： W18Cr4V
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二、工具钢的成分及热处理特点
高的含碳量
通常为0.6-1.3%
高碳马氏体，从而得到高的硬度和 切断抗力； 高的含碳量可以形成足够数量的碳 化物，以保证高的耐磨性。
5. 去应力退火 将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般 为500 ℃～650 ℃)，保温后随炉冷却。以 消除内应力的低温退火。 目的：消除铸 造、锻造、焊接和 机加工、冷变形等 加工在工件中造成 的残留内应力。 不引起组织变 化。
二、正火
钢加热到Ac3(对于亚共析钢)、Ac1(对于共析 钢)、Accm(对于过共析钢)以上30 ℃～50 ℃, 保 温后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理。
T10/T12基础上添加Cr、Si、Mn、W、V等，总量<4% 合金元素的作用： • 提高耐磨性：W、V 如何从牌号上区分 • 回稳性: Cr、Si 低合金工具钢和低 • 淬透性： Cr、Si、Mn 碳马氏体型钢？ 形状复杂变形小的刀具
9SiCr
正火900～920℃+等温退火700 ～ 720 ℃ 淬火：850 ～ 870 ℃，等温淬火 160 ～ 170 ℃盐浴 回火：175 ～ 200 ℃ 9SiCr钢适宜于做形状复杂变形小的刀具，特别是薄刃刀具， 如板牙、丝锥、钻头等。也可以用来做冲模、打印模和搓丝板 等。
一、 工具的分类和服役条件
主要包括 各种金属 切削刀具， 如车刀、 铣刀、钻 头等。
工 具 钢
刃具 量具
模具
量具包括各种量测工 模具是进行压力 加工的工具。根 具，如卡尺、千分尺、 据坯料的加工温 块规、塞规等。
度，又可分为冷 作模具和热作模 具两大类
螺纹规
游标卡尺
千分尺
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工具的服役条件
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板牙
2.3 高速钢（重点） 适用于制造高速切削的刃具钢种。 高速切削 刃部温度600℃
高碳低合金钢 硬度下降
高速钢的优点： 切削速度快1-3倍 （低合金钢5-8m/min； 高速钢30m/min）； 耐用性7-14倍； 应用广泛还可以做些模具。
2.3.1 高速钢的分类 通 用 型 特 殊 性 能 高 速 钢
碳质量分数为0.35%的钼
钢硬度与回火温度的关系
产生二次硬化的原因
（1）当回火温度低于450 ℃时, 钢中析出 渗碳体，硬度降低。 在450 ℃以上渗碳体溶解, 钢中开始沉淀出 弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等, 使硬度 升高, 称为沉淀硬化。 （2）回火时冷却过程中残余奥氏体转变为 马氏体的二次淬火也导致硬度升高。
MC：VC，稳定性最高，硬度最高， 淬火时只有部分溶于A中， 回火时析出VC产生弥散强化和二次硬化，使钢具 有高硬度、耐磨性、红硬性增加。
M23C6:稳定性较差，淬火时全部溶入A中， 增加淬透性。 热处理状态与碳化物类型 退火：M6C、M23C6、MC（Fe2W4C， Cr23C6、VC） 淬火：M6C、MC（Fe2W4C、VC） 回火：M2C、MC（Mo2C、W2C、VC）
2.3.3 高速钢中的碳化物及其作用：
总规律： 除Co高速钢外，退火状态下都含有M6C 溶于奥氏体的合金碳化物可增加红硬性和淬透性 （Cr23C6，950-1100oC） 回火析出时产生弥散强化和二次硬化， 未溶于奥氏体的碳化物M6C，MC可细化晶粒，增 加耐磨性。 举例： M23C6（Cr23C6，退火时形成的，稳定性较差）， 加热时全溶于A中，增加淬透性
碳化物分布状态对钢性能的影响
各向异性，降低钢材的强度、塑性和韧性
塑性降低，容易引起开裂 对热处理工艺性的影响— 碳化物稀少处，过热，甚至容易过烧，而且降低 了热处理后的硬度和红硬性。 在碳化物堆集处，较多残余奥氏体，这些区域往 往回火不足，使刀具组织不稳定，内应力增大， 容易引起刀具变形甚至开裂。 降低刀具的切削性能，使刀具容易崩刃和磨损。
正火后的组织： ●亚共析钢为F+S； ●共析钢为S； ●过共析钢为 S+Fe3CII。
正火应用 （1）作为最终热处理 细化晶粒，组织均匀，减少亚共析钢 中铁素体含量，珠光体含量增多并细化，提高钢 的强度、硬度和韧性。用于不重要的零件。 （2）作为预先热处理 截面较大的合金结构钢件，在淬火前进行正 一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行 火，消除魏氏组织和带状组织，均匀、细化组织。 的铁素体(渗碳体)针片，在铁素体针片之 对于过共析钢可减少二次渗碳体量，不形成 间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，这种 过热组织称为铁素体(渗碳体)魏氏组织 连续网状，为球化退火作组织准备。 （3）改善切削加工性能 适当提高低碳钢的硬度，改善切削加工性能。
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二、工具钢的成分及热处理特点
工 具 钢
球化退火：对于碳 素工具钢和低合金 工具钢的预先热处 理，通常采用球化 退火。 有时为了消除 网状或片状碳化物， 往往在球化退火前 先进行一次正火处 理。
淬火温度一般是在 碳化物与奥氏体共 存的两相区。
回火温度主要是在 消除有害应力前提 下，尽量保持钢的 高硬度来考虑。