金属材料学__第八章_工模具用钢

材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢第八章工模具用钢材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢主要内容8.1工具钢的分类和基本性能要求8.2刃具钢：碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢8.3冷作模具钢8.4热作模具钢材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢重点及基本要求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。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢Ω工模具钢的定义与分类Ω定义：用来制造刃具、模具和量具的钢种Ω分类：刃具钢、模具钢和量具钢Ω刃具钢：碳素钢、低合金工具钢和高速工具钢。Ω模具钢：热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢。Ω量具钢用来制作量规、卡尺、样板等．用来测量工件尺寸和形状.材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢§8.1工模具钢的性能要求、成分与热处理特点主要矛盾工模具钢要有优良的耐磨性（硬度要高）；在工作过程中还要有良好的韧性。在韧度和耐磨性之间的合理平衡解决矛盾方法取决于基体马氏体的成分与硬度和碳化物的性质、数量、形态和分布。即成分与组织状态材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢一、工具钢成分与性能特点——C含量高硬度、耐磨性、足够的强度和韧性高C（0.6～1.3%）C↑，M（马氏体）的硬度、切断抗力↑，耐磨性↑C↑，碳化物的数量↑，耐磨性↑材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢一、工具钢成分、组织与性能特点——合金元素高C，获得大量碳化物，保证耐磨、热稳定性主加合金元素：强碳化物或中强碳化物形成元素，如：Cr、W、Mo、V等。作用：↑耐磨性、热稳定性和淬透性；辅加元素：Mn、Si等能提高淬透性和回火稳定性的元素材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢一、工具钢成分、组织与性能特点——组织为保证耐磨性第二相碳化物→球状、细小、均匀分布规律：碳化物呈球状、细小、均匀分布时材料的耐磨性提高材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢二、热加工与热处理特点－预处理第二相碳化物→球状、细小、均匀分布碳素工具钢和低合金工具钢：球化退火获得铁素体+细小球形碳化物高合金工具钢：C高、合金元素含量高，K多且不均匀高合金工具钢：球化退火前要热锻：破碎一次碳化物（细小）同时使碳化物均匀分布获得粒状珠光体组织材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢二、热处理特点－最终热处理淬火+回火；组织：回火马氏体+K淬火温度：在Ac1～Acm，即在碳化物与奥氏体共存区原因：①碳化物的存在，可以阻止奥氏体长大，细化组织，提高韧性；②这些碳化物的存在可以提高的耐磨性；③可以用温度高低，改变奥氏体中C含量，从而改变淬透性选择依据：在消除有害应力的前提下，尽量保持钢的高硬度，以保持高耐磨性回火温度：低温回火材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢三、工具钢基本性能及检测方法强度塑性静弯或扭转试验→弯曲强度、挠度和扭转强度、扭转角；韧度硬度热稳定性一般采用无缺口冲击试样一般硬度60HRC以上，K可适当↑硬度2~3HRC对高速钢，通常就是红硬性材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢淬透性断口法→碳素工具钢和低合金工具钢；端淬法→合金工具钢，以端淬曲线上60HRC处距水冷端距离表示。淬透性作用强弱顺序：Si、Mn、Mo、Cr、NiMe↑淬透性,只有溶入A中，才起作用；Me作用随钢中含碳量而变化，如Si。工具钢淬透性随热处理条件而变化,如V注意点材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢Si对不同含C量钢的淬透性影响V在不同淬火温度时对淬透性的影响材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢§8.2刃具用钢一、刃具的工作条件和对刃具钢的基本性能要求①、高切断抗力，防止折断、崩刃和变形②、高的耐磨性，防止人口过早和过量磨损破坏③、高硬度，使其具有高耐磨性④、高的弯曲强度和足够的韧性⑤、高的热稳定性：防止高温工作下软化导致耐磨性下降工具钢热稳定性的衡量：用加热时能保持一定硬度的最高温度来表示。对高速钢用红硬性：正常淬火回火的高速钢加热到600、625、650℃，重复4次，每次1h，保持HRC60的温度定义为～材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢二、碳素工具钢含C量：0.65～1.35%，足够高的硬度和较好的耐磨性。优点：易于锻造及切屑加工、价格便宜。缺点：淬透性差、回火抗力差典型钢号与应用：T7~T13做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸小于15mm的工具。T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等；T8易过热，制造形状简单的木工工具等；T10、T12耐磨性较好，强度高，但韧度低，制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢最终热处理：淬火+低温回火淬火加热温度：760～800℃，防止过热淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火.回火温度：180～210℃（常用）；200～250℃（螺纹工具，如板牙）锻造：锻造性好。锻造过程中注意表面脱碳，故时间尽量短；锻压比要大于4球化退火：退火温度730～800℃碳素工具钢的热加工与热处理材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢三、低合金工具钢是在T10或T12的基础上合金化得到的钢种常用合金元素：在低合金工具钢中，常加入的合金元素为：Cr、Si、Mn、W、V。为防止碳化物分布的不均匀性，总量一般不大于4%。合金元素的作用：耐磨性和回火稳性↑（碳化物形成元素）淬透性↑（提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Si）防止变形开裂材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢合金元素具体作用Cr:1%左右，（大于1%且C含量大于1%，引起K分布的不均匀性）作用：①提高过冷A的稳定性，提高淬透性②使碳化物稳定性↑，分解温度↑，使钢的回火抗力↑③中强碳化物形成元素，防止Si的石墨化④细化K，均匀分布，使耐磨性↑⑤降低Ms点，使残余A量↑，使硬度↓。故总量必须控制在1%左右材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢•Si的左右:•①使淬透性↑•②阻碍马氏体的分解和Fe3C的聚集，使回火稳定性↑•③对Ms点影响很小，对残余A量影响小，使刀具的尺寸稳定性↑•④Si强化F•⑤是石墨化元素，易引起脱C和C的石墨化。•不单独加入。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢•Mn:①主要淬透性↑;②使残A量↑，减少淬火变形；③，使A晶粒粗大，过热倾向↑•W:形成稳定的碳化物，使钢的耐磨性和红硬性↑，细化A晶粒和阻止钢的过热。量过多，引起K分布不均匀↑•V:形成VC，阻碍A长大，过热敏感性↓,细化晶粒；回火稳定性↑材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢热锻特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆性大。(1)加热速度不宜太快。(2)变形量足够大，终轧温度较低，控制碳化物形态。(3)轧后缓冷，避免开裂。热处理与热加工材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢球化退火退火温度要适当：太高，使氧化和脱碳倾向↑；太低，K过细，硬度过高，网状碳化物不易消除。为缩短退火时间：等温退火正火目的：在球化退火前，为消除网状碳化物正火温度：Acm以上。？材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢热处理与热加工淬火工艺淬火温度：T淬一般与碳素工具钢相同，为Ac1+30~50℃，但保温时间较长。?冷却：油冷，熔盐分级淬火，等温淬火(B等温淬火和M等温淬火)一般组织含碳量0.5％~0.6％的M+未溶粒状K回火低温回火，一般小于200℃。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢常用低合金工具钢的化学成分、力学性能和用途钢号化学成分，wt%热处理及硬度用途CMnSiCr其它淬火，℃淬火，HRC回火，℃回火后，HRCCr061.30-1.45≤0.40≤0.400.50-0.70-800-810，水63-65160-18062-64锉刀、刮刀、刻刀Cr20.95-1.10≤0.40≤0.401.30-1.65-830-850，油62-65150-17060-62同上9SiCr0.85-0.950.30-0.601.20-1.600.95-1.25-830-860，油62-64150-20061-63丝锥、板牙、钻头、铰刀CrWMn0.90-1.050.80-1.10≤0.400.90-1.20W1.20-1.60800-830，油62-63160-20061-62拉刀、长丝锥、长铰刀9Mn2V0.85-0.951.70-2.00≤0.40-V0.10-0.25760-780，油＞62130-17060-62丝锥、板牙、铰刀CrW51.25-1.50≤0.40≤0.400.40-0.70W4.50-5.50800-850，油65-66160-18064-65低速切削硬金属刃具，如车刀、铣刀材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢9SiCr：①Si/Cr淬透性↑，D油40mm；②Si/Cr回稳性↑，~250℃回火，60HRC；③K细小、均匀→不容易崩刃；④分级淬火或等温淬火处理，变形较小；⑤Si使钢的脱碳倾向较大。适于制作形状较复杂、变形要求小工件，特别是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢CrWMn：①Cr、W、Mn复合，淬透性↑，D油=50~70mm；②AR在18~20%，淬火后变形小；③含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒细小→高硬度、高耐磨性；④回稳性较好，250℃回火，60HRC；⑤W使碳化物易形成网状。适于制作要求变形小、耐磨性高的工件，如拉刀等，也可做量具及形状较复杂的高精度冲模。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢27在Cr钢基础上加入5%W，生成M6C碳化物，淬火加热时未溶K多。①淬透性差；②高硬度，高耐磨性。CrW5材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢四、高速钢在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600℃以上，低合金钢刃具已不能满足这种要求。因此，就必须选用高速钢，它在650℃时，仍能使硬度保持HRC50以上，从而保证其切削性能和耐磨性。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1～3倍，而耐用性增加7～14倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢1910年开始应用W18Cr4V（18－4－1）。1932年到1937年，应用钼系，W2Mo9Cr4V和钨－钼系，W6Mo5Cr4V2（6－5－4－2）。1939年出现高碳高钒，超硬高速钢。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢按照其成分和性能特点可分为以下几类：•⑴钨系高速钢：典型牌号18-4-1，美M1，俄P18。•⑵钨钼系高速钢：如6-5-4-2，美M2，目前应用普遍。•⑶含钴高速钢：如W18Cr4VCo5,红硬性高。•⑷超硬高速钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al。具有65~70HRC高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢低。•钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其它类型称为特殊用途高速钢或高性能高速钢。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢1、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。钢号化学成分（%）CSiMnCrMoWVW18Cr4V0.7-0.9≤0.4≤0.43.8-4.4≤0.317.5-191.0-1.4W6Mo5Cr4V20.8-0.9≤0.4≤0.43.8-4.44.5-5.55.5-6.71.75-2.2材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢（2）高速钢的平衡凝固与铸态组织材料学—西安理工大学材料学院第八章工模具用钢33①δ黑色组织由于包晶和包共晶转变需要固相扩散，使δ达到所需C和Me，才能转变为γ，所以不能充分进行。部分δ被保留，随后发生共析转变，δ→γ＋K，称为δ共析。因为在金相组织中呈黑色，又称黑色组织。材料学—西安理工大学材料学院第八章工模