高碳低合金工具钢和中碳合金工具钢
高性能金属结构材料 —工具钢
材料学院
主要内容
1 碳素及低合金工具钢 2 高速工具钢 3 冷作模具钢 4 热作模具钢
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。
重点是高速钢钢、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。
淬火：高速钢的淬火是为了获得高合金的奥氏体，淬火后获得高合金 的马氏体，具有高的回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物 产生次生硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。
高速钢中的M6C、M23C6和MC比较稳定，必须在高温下才能将其溶解。 三者中M23C6稳定性最差，在900℃以上大量溶解，到1090 ℃溶解完 毕； M6C在1037℃以上开始溶解，对W18Cr4V钢，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慢。
MS(220℃)以下为马氏体转变区间。淬 火 后 约 含 有 70 ％ 的 隐 晶 马 氏 体 ， 还 用 20～25％残留奥氏体。在冷却过程中中 温停留或缓冷，将发生奥氏体热稳定化， 使MS点下降，残留奥氏体增多。
W18Cr4V钢加热1300℃时过 冷奥氏体恒温转变曲线
淬火方式一般用油淬空冷，对细长 件和薄片刃具采用分级淬火，一般用 580～620℃一次分级或再在350～400 ℃做二次分级。
二、高速工具钢
工具钢－高速工具钢
➢ 高速工具钢适用于高速切削刃具，由于合金度高，可保证刃部 在650℃时硬度仍高于HRC50，从而具有优良的切削性和耐磨 性。高速钢可分为三类：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、含钴高钒高钴和超硬高 速钢属于特殊高性能高速钢。
碳钢的分类
（5）按冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢、电炉钢； 分酸性和碱性。
说明：一般碳钢中含碳量较高则硬度越大，强度也越高，但塑性较低。
三、碳钢的牌号及表示方法
①普通碳素结构钢
现行标准规定表示方法为：Q×××-××。
Q=屈服点的汉语拼音第一个字母，×××为钢的屈服强度值（单位MPa）第三部分×是质量等级，分为A、B两级，其中B级质量优于A级，第四部分是脱氧方法。有F、b、Z沸腾钢，半镇静钢，镇静钢。
②优质碳素钢（含硫量≤0.040％、含磷量≤0.040％）
③高级优质碳素钢（含硫量≤0.030％、含磷量≤0.035％）
（3）按用途可以把碳钢分为
①碳素结构钢 ，主要用于制做各种工程结构件和机器零件，一般为低碳钢。
②碳素工具钢，主要用于制做各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。
（4）按脱氧方法可分为
其中它们的碳的质量分数分别为低<0.25%,中=0.25%~0.60%,高>0.60%,按主要质量等级可分为:普通,优质,特殊质量非合金钢
三
按非合金钢的用途分类可以分为:1碳素结构钢2碳素工具钢
2.低合金钢
合金元素总量小于3.5%的合金钢叫做低合金钢.低合金钢是相对于碳钢而言的,是在碳钢的基础上,为了改善钢的一种或几种性能,而有意向钢中加入一种或几种合金元素.加入的合金量超过碳钢正常生产方法所具有的一般含量时,称这种钢为合金钢.当合金总量低于3.5%时称为低合金钢.合金含量在3.5-10%之间称为中合金钢;大于10%的称为高合金钢.
钢按化学成份分为非合金钢，低合金钢，合金钢
1.非合金钢
非合金钢
一钢是以铁为主要元素,碳的质量分数一般在2.11%以下,并含有其它元素,
折弯机模具材料可以选择那些
折弯机模具材料可以选择那些？生产折弯机模具的材料多种多样，有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。
目前制造冲压折弯机模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的折弯机模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。
下面介绍几种材料知识：第一.碳素工具钢在折弯机模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等，优点为加工性能好，价格便宜。
但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。
第二.低合金工具钢低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。
与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。
用于制造折弯机模具的低合金钢有C rWMn、9Mn2V、7CrSiM nMoV代号CH-1)、6CrNiS iMnMo V(代号GD)等。
第三. 高碳高铬工具钢<常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12M oV、Cr12Mo1V1（代号D2），它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形折弯机模具钢，承载能力仅次于高速钢。
但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔（轴向镦、径向拔）改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。
第四. 高碳中铬工具钢用于折弯机模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它们的含铬量较低，共晶碳化物少，碳化物分布均匀，热处理变形小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。
与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有所改善。
第五.高速钢高速钢具有折弯机模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。
折弯机模具中常用的有W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2（代号6-5-4-2，美国牌号为M2）以及为提高韧性开发的降碳降钒高速钢 6W6Mo5Cr4V （代号6W6或称低碳M2）。
中碳合金钢定义
中碳合金钢定义
中碳合金钢是一种含有适量碳元素（通常在钢中的含碳量为
0.25%至0.60%之间）和适量合金元素（如铬、锰、钼、钒等）的钢材。
它具有较高的强度、硬度和耐磨性，同时也保持了一定的可塑性、韧性和焊接性能。
中碳合金钢广泛应用于机械零件、汽车零件、工具、刀具等领域，具有重要的应用价值。
中碳合金钢的定义与一般的普碳钢相似，但其含碳量较高，使得钢材在淬火后能够形成一定的硬度和强度。
同时，中碳合金钢通过添加合金元素，如铬、锰等，可以进一步改善钢材的机械性能。
合金元素的添加可以增强钢材的硬度、韧性、耐磨性等特性。
中碳合金钢的主要特点之一是其较高的强度。
中碳合金钢通过控制含碳量和淬火工艺，可以获得适当的强度水平。
在相同条件下与普通碳钢相比，中碳合金钢具有更高的强度和硬度，可以承受更大的负荷和应力。
此外，中碳合金钢还具有较好的可塑性和韧性。
这是由于中碳合金钢中适量的碳元素可以提高钢材的韧性，使其能够在受力时发生一定的塑性变形而不易断裂。
同时，适量的合金元素的添加也能够改善中碳合金钢的韧性和冲击韧性。
中碳合金钢在耐磨性方面也表现出优异的性能。
合金元素的添加可以提高钢材的硬度，使其具备较好的抗磨损能力。
因此，中碳合金钢常被用于制造耐磨件，如机械零件、工具等。
此外，中碳合金钢具有良好的焊接性能。
与高碳钢相比，中碳合金钢通过控制合金元素的含量，可以使钢材在焊接过程中具备较好的可焊性和低温韧性，从而保证焊接接头的强度和韧性。
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国产模具钢及具体分类
国产模具钢及具体分类1.1冷作模具钢①碳素工具钢T7A为高韧性碳素工具钢，其强度及韧性都较高，适合制作易脆断的小型模具或承受冲击载荷较大的模具；T10A是最常用的钢材，是性能较好的代表性碳素工具钢，耐磨性也较高，经适当热处理可得到较高强度和一定韧性，合适制作要求耐磨性较高而承受冲击载荷较小的模具。
T8A淬透性、韧性等均优耐磨性也较高，适合制作小型拉伸、挤压模。
②低合金工具钢低合金工具钢，是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。
这样可以降低淬火冷却速度，减少热应力和组织应力，减少淬火变形及开裂倾向，钢的淬透性也明显提高。
用于制造模具的低合金钢有CrWMn、9Mn2V、9SiCr、9CrWMn、9Mn2、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiMnSiMoV(代号GD)等。
CrWMn钢具有较好的淬透性，淬火变形小，但是其耐磨性、强韧性、变形要求等仍不能满足形状复杂的冷作模具的需要。
③高碳高铬冷作模具钢高碳高铬冷作模具钢包括Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2）具有高硬度、高强度、高耐磨性、易淬透、稳定性高、抗压强度高及淬火变形小等优点。
高碳高铬钢经锻造后的毛坯硬度较高（大约在550HB左右）内应力较大，必须进行退火处理。
高碳高铬钢在回火过程中，会出现马氏体分解、碳化物聚集和残余奥氏体的转变。
工业生产中，常采用2～3次回火，以改善前次回火残余奥氏体转变为初生马氏体的韧性，从而提高钢的韧性。
Cr12 型钢强度和耐磨性较高，但其碳化物不均匀性比较严重，使用中脆断倾向很大，韧性较低。
综合力学性能要求更高的模具，常用的替代钢种是高速钢。
④高速钢高速钢具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，采用低温淬火、快速加热等工艺措施，可以有效地改善其韧性。
因此，高速钢越来越多地应用于要求重载荷、高寿命的冷作模具。
高速钢合金元素含量高，价格贵，工艺性能不佳，脆性较大，使其应用受到一定限制。
钨钼系高速钢，因其含碳化物分布较均匀，颗粒细小，W6Mo5Cr4V2钢的韧性优于W18Cr4V钢，故应用比较广泛。
常用碳钢的牌号和分类
常用碳钢的牌号和分类常用碳钢的牌号和分类碳钢是一种常见的金属材料，由铁和碳组成，其中碳的含量在0.05%至2.0%之间。
碳钢具有良好的可塑性、可焊性和机械性能，因此在各个领域都有广泛应用。
下面将介绍一些常用的碳钢牌号和分类。
1. 低碳钢低碳钢是碳含量较低的碳钢，一般在0.05%至0.25%之间。
低碳钢具有良好的可塑性和可焊性，但强度相对较低。
它常用于制造冷轧板、冷拔材料、焊接零件等。
常见的低碳钢牌号有：- Q195：中国标准的低碳钢牌号，广泛用于制造冷轧板、焊管等。
- ASTM A36：美国标准的低碳结构钢牌号，常用于建筑、桥梁等领域。
2. 中碳钢中碳钢的碳含量在0.25%至0.60%之间。
中碳钢具有较高的强度和硬度，适用于制造机械零件、车轴等。
常见的中碳钢牌号有：- 45#：中国标准的中碳结构钢牌号，广泛用于制造机械零件、车轴等。
- ASTM 1045：美国标准的中碳结构钢牌号，常用于制造轴承、齿轮等。
3. 高碳钢高碳钢的碳含量在0.60%至2.0%之间。
高碳钢具有极高的强度和硬度，但可塑性较差。
它常用于制造刀具、弹簧等。
常见的高碳钢牌号有：- 65Mn：中国标准的高碳弹簧钢牌号，广泛用于制造弹簧、锯片等。
- ASTM 1095：美国标准的高碳工具钢牌号，常用于制造刀具、弹簧等。
4. 合金钢合金钢是在碳钢中添加其他元素形成的材料，以提高其特定性能。
合金元素可以是铬、镍、钼、锰等。
合金钢具有良好的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，适用于制造高温设备、化工设备等。
常见的合金钢牌号有：- 40Cr：中国标准的合金结构钢牌号，常用于制造齿轮、曲轴等。
- ASTM 4140：美国标准的合金结构钢牌号，常用于制造大型机械零件、汽车零件等。
总结：以上介绍了一些常用的碳钢牌号和分类。
根据不同的需求和使用环境，选择合适的碳钢材料可以满足工程项目的要求。
在使用过程中，还需要注意材料的加工工艺和热处理方法，以确保材料的性能和质量。
碳钢的分类、编号及用途
3. 碳钢难以满足一些特殊的性能要求：例如化工部门要求钢材具有耐 酸不锈性能，仪表工业要求材料具有特殊的电磁性能，汽轮机制造部 门则要求钢材具有良好的高温强度等等，这些特殊的物理化学性能只 有采用合金钢才能满足。
合金钢就是在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素，使其使 用性能和工艺性能得以提高的以铁为基的合金即为合金钢。
工程材料学
名称 碳素结构钢 低合金高强度钢 易切削钢 碳素工具钢 (滚珠)轴承钢 焊接用钢 铆螺钢 船用钢 汽车大梁用钢 压力容器用钢
符号 位置
名称
Q
头 桥梁用钢
Q
头 锅炉用钢
Y
头 焊接气瓶用钢
T
头 车辆车轴用钢
G
头 机车车轴用钢
H
头 沸腾钢
ML 头 半镇静钢
国际符号
镇静钢
L
尾 特殊镇静钢
R
尾 质量等级
结构钢
碳素结构钢 低合金高强度结构钢 渗碳钢 调质钢 轴承钢 弹簧钢 ……
刃具钢
工具钢
模具钢
量具钢
不锈钢
特殊用途钢
耐热钢 耐磨钢
……
附件：炼钢工艺
炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属 夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和 硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。采 用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。
工程材料学
（4）按冶炼方法分类
①按炉种分 a.平炉钢：(a)酸性平炉钢；(b)碱性平炉钢。 b.转炉钢：(a)酸性转炉钢；(b)碱性转炉钢。或 (a)底吹转炉钢；(b)侧
吹转炉钢；(c)顶吹转炉钢。 c. 电炉钢：(a)电弧炉钢；(b)电渣炉钢；(c)感应炉钢；(d)真空自耗炉
材料热处理工程师资格考试题+答案
1．何谓钢的球化退火，其目的是什么? 主要适用于哪些钢材?是使钢中碳化物球状化而进行的退火目的：降低硬度、改善切削加工性，为以后淬火做准备，减小工件淬火畸变和开裂；主要用于共析钢、过共析钢的锻轧件及结构钢的冷挤压件等。
2．简述淬火冷却方法(至少说出五种)。
1）水冷：用于形状简单的碳钢工件，主要是调质件；2）油冷：合金钢、合金工具钢工件。
3）延时淬火：工件在浸入冷却剂之前先在空气中降温以减少热应力；4）双介质淬火：工件一般先浸入水中冷却，待冷到马氏体开始转变点附近，然后立即转入油中缓冷；5）马氏体分级淬火：钢材或工件加热奥氏体化，随之浸入稍高或稍低于钢的上马氏体点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。
用于合金工具钢及小截面碳素工具钢，可减少变形与开裂；6）热浴淬火：工件只浸入150-180℃的硝烟或碱浴中冷却，停留时间等于总加热时间的1/3-1/2，最后取出在空气中冷却；7）贝氏体等温淬火：钢材或工件加热奥氏体化，随之快冷到贝氏体转变温度区域（260-400℃）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。
用于要求变形小、韧性高的合金钢工件3．简述淬透性概念及其影响因素。
钢在淬火时能够获得马氏体的能力即钢被淬透的深度大小称为淬透性。
其影响因素有：1.亚共析钢含碳量↑，C曲线右移，过共析钢含碳量↑，C曲线左移；2.合金元素（除Co外）使C曲线右移；3.奥氏体化温度越高、保温时间越长，碳化物溶解越完全，奥氏体晶粒越粗大，使C曲线右移；4.原始组织越细，使C曲线右移，Ms点下降；5.拉应力加速奥氏体的转变，塑性变形也加速奥氏体的转变。
4．钢的回火分哪几类?说出低温回火的适用性(目的)。
（1）低温：150-250℃，用于工模具、轴承、齿轮等。
（2）中温：250-500℃，用于中等硬度的零件、弹簧等。
（3）高温：500-700℃，用于各种轴累、连杆、螺栓等。
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第四章合金钢
第3节合金工具钢
第1讲高碳低合金工具钢和中碳合金工具钢
工具钢
是用于制作刃具、模具和量具的专用钢种
碳素工具钢
优点：价格便宜
缺点：淬透性太低(导致硬度低)，
耐回火性差(高温性能下降)
解决之道：合金工具钢
工具钢之一刃具
用来进行切削加工的工具工具钢的
服役条件
钻头剪刀车刀
1) 刃具服役条件
弯曲或扭转应力; 摩擦, 发热; 冲击; 震动
2) 刃具常见失效方式
卷刃；崩刃；刀刃磨损；刀体折断
3) 刃具性能要求
高硬度，高耐磨；足够的强、韧性；高速切削时高的红硬性
工具钢之二模具
用于进行压力加工的工具根据坯料的加工温度，模具分为
•冷作模具钢(室温金属变形的模具)•热作模具钢(热态金属变形的模具)
模具的失效方式
磨损刃口钝化
塌陷沟槽
热疲劳断裂
工具钢之三量具
是机械加工过程中控制加工精度的测量工具
千分尺，游标卡尺
失效方式：磨损碰撞变形
量具性能要求：表面极低的粗糙度保证测量尺寸的精度
工具钢性能要求
既要有高的硬度和耐磨性
又要有足够的韧性
合金工具钢（按碳和合金元素含量分类）
高碳低合金工具钢
高碳高合金工具钢
中碳合金工具钢
w c =0.85%~1.1%, w Me ≤5%
成分特点
Si 、Mn 、Cr 提高钢的淬透性和回火抗力、固溶强化马氏体，从而提高强度
W 、V 是形成特殊化合物，细晶、提高韧性
合金工具钢之一高碳低合金工具钢
9SiCr 、9Mn2V 、Cr2、CrWMn 等应用领域
•低速和中速切削刀具
•中等负荷的冷变形模具及量具
高碳低合金工具钢典型牌号
应用举例：低速切削刃具
车刀、钻头
预处理: 球化退火(球状珠光体)高碳低合金工具钢热处理特点
最终热处理：淬火＋低温回火
CrWMn 钢制量块最终热处理工艺规范图冷处理目的：降低残余奥氏体的含量
回火+时效处理：目的：进一步稳定组织，减少尺寸变形
高碳低合金工具钢
热处理后组织
回火马氏体+粒状碳化物＋残余奥氏体
高碳低合金工具钢
性能特点
优点：
淬透性、回火抗力及耐磨性比碳素工具钢好
缺点：
回火温度高于300℃时，其硬度变急剧下降，不能适合高温的要求
应用领域主要制造热模具钢，如热锻模、热挤压模、压铸模
合金工具钢之二中碳合金工具钢（热模具钢）工作中的热锻模
工件
热模具钢服役条件
挤压；摩擦；交变温度；冲击；震动等
热模具钢常见失效方式
磨损；断裂；热疲劳(龟裂) 等
热模具钢性能要求
•高淬透性; 高硬度，高耐磨;
•足够的强、韧性;
•高回火稳定性; 高热疲劳抗力; 高导热
热模具钢典型牌号：
5CrNiMo 5CrMnMo 3Cr2W8V
第三章
钢的热处理
热模具钢成分特点
合金元素作用：提高淬透性，回火稳定性，提高强韧性防第二类回火脆，细化组织热模具钢热处理特点退火，淬火＋高温回火中碳：0.5~0.6%, 良好的强度韧性、导热性合金元素：Cr ，Ni ，Mo…。