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第四章工具钢工具钢：刃具用钢模具钢量具钢使用性能要求的共同点：高硬度、高耐磨性各自特殊性的要求：刃具钢：高硬度、高耐磨性外，红硬性、强度、韧性冷作模具钢：高硬度、高耐磨性外、高强度、高韧性热作模具钢：高硬度、高耐磨性外，高的回火稳定性、高耐热疲劳性第四章工具钢按化学成份分为：碳素工具钢，合金工具钢，高速钢成份：高C（0.65—1.55%）→高硬度、高耐磨性，Mn、Si非C化物形成元素，主要提高淬透性；Cr,W,Mo,V,碳化物形成元素，提高率透性，增加回火稳定性；较多的W、Mo、V、Co等提高红硬性。S、P∠0.02—0.03%（高纯洁度要求）使用状态组织：回火马氏体+C化物颗粒+少量γ'T7、T7A、T13、T13AC：0.65%～1.35%高碳热处理及使用态组织：亚共析最终热处理：完全淬火（AC3+30-50℃）＋低温回火→回火细针马氏体+少量残A过共析：球化退火+不完全淬火（Ac1+30-50℃）+低温回火→回火隐晶马氏体+未溶C化物颗粒+少量残A刃具用钢碳素刃具钢P67,读碳素刃具钢注意的问题：①及时回火（应力大，变形开裂倾向）；②石墨化问题（高温下长时间保温）；③脱C问题缺点：①淬透性低；②红硬性差；③耐磨性不够在碳素工具钢的基础上添加合金元素而成C：0.75-1.5%，ΣWMe∠5%Cr，Mn，Si（提高淬透性，强化马氏体基体，提高回火稳定性）；W，V（形成C化物，细化晶粒，红硬性）；→石墨化，Si+Cr，减少石墨化倾向→低合金工具钢优点：（相对C素钢）淬透性↑，变形开裂倾向小（因为可以使用较缓和的介质），耐磨性↑，红硬性↑合金刃具钢低合金工具钢两个体系：①高淬透性CrCr29SiCrCrWMn等。淬透直径大，尺寸较大的刀具。CrWMn：最常用的合金刃具钢，p70，read，Mn使有较多残A，淬火变形小，低变形钢，高硬度（HRC64-66）②高耐磨性Cr06，W，W2及CrW5（钻石钢，p70,read，HRC67-68)淬透性不大→尺寸不大，如雕刻工具，高硬度、高耐磨。→热处理：预备热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火，组织：回火隐晶马氏体+剩余C化物颗粒+γ'（导热差，淬火预热，分级加热）高速钢大幅提高钢的红硬性合金刃具钢：250℃硬度大幅下降∠60HRC→高红硬性，600℃以上，硬度60HRC高淬透性：风钢之称（中小型刃具在空气中能淬透）→切削速度↑2—4倍，寿命8—15倍→含有大量W，Mo，Cr,V，Co等合金元素（合金元素为高耐磨性服务，因为量大，很容易得到马氏体）高速钢高C高合金C：0.7—1.65%W:0－22%Mo0-10%Cr4%V:1－5%Co0-12%各元素作用：p71a.C:淬透性及马氏体C浓度，↑硬度C与Cr、W、Mo、V等形成C化物，↑硬度，耐磨性，红硬性C含量过高过低都不好，平衡C理论C=0.033W+0.063Mo+0.06Cr+0.200V高速钢b、合金元素↑红硬性→W、Cr、Mo维持马氏体晶格，↑马氏体高温稳定性→Cr，W，Mo，V→大量细小，弥散、坚硬，不易聚集长大的C化物→二次硬化→Cr↑高温氧化能力,Cr减少粘刀（4％wt.现象）→Co①↑马氏体高温稳定性；②减慢合金C化物析出和聚集长大，细化C化物，↑二次硬化能力及红硬性（P73，figure4.2，4.3，4.4）③CoW金属间化合物，弥散强化高速钢系列W系（W18Cr4V为代表）高硬，高耐磨，高红硬性，但脆性大，产生崩刃（C化物不均匀所致）Mo系：Mo8Cr4V2为代表，高硬，高耐磨，高红硬，C化物不均匀性小，韧性高，但脱C倾向性大，且过热敏感性大）W-Mo系：W6Mo5Cr4V2为代表（高温轴承），小的脱C敏感性与过热敏感性，脆性小，韧性高（红硬性最低）高钒高速进一步提高红硬性和耐磨性高钴高速进一步提高红硬性，超硬高速加工难切削材料高速钢的铸态组织及其压力加工高C高合金，铸态有共晶体（莱氏体）p74,figure4.5C化物量大且分布不均匀,C化物分布不均的危害p73-74,read消除高速钢中碳化物分布不均匀性的方法p74,read高速工具钢的热处理W18Cr4V,Accm1330℃a.球化退火（Ac1+20-30℃）目的：①降低硬度，便于机加工;②为淬火作组织准备。退火后组织：铁素体基体上分布着均匀的C化物颗粒）。退火温度太高不好（γ中ΣMe↑，冷却易得到M，硬度太高）b.→淬火，两次预热：①减小变形开裂倾向；②减小高温氧化及过热倾向→高温淬火：加热温度，（1280℃，Accm以下尽可能高）促进C化物溶解，即↑合金元素的含量，保证红硬性（马氏体中合金元素含量↑，回火稳定性↑）冷却：大、中尺寸，油冷；小尺寸刃具，分级淬火、等温淬火（高速钢淬火后的正常组织，p76，figure4.8，过烧组织，4－7）淬火后的组织：马氏体（60%）+γ′（30%）+C化物颗（10%）高速工具钢热处理→三次高温回火：560℃，回火时马氏体不分解，γ'变化，未溶C化物不变化560℃左右，回火时硬度，抗弯强度达到峰值，p76，fig.4.9原因：二次硬化效应①大量的W、Mo、V的C化物析出，C化物粒状细小，弥散，均匀，弥散分布→第二相强化②γ′应力释放，析出C化物，C和合金含量↓，γ′→M，硬度→二次淬火现象600℃以上回火，C化物聚集，硬度↓W18Cr4V高速工具钢的热处理高速钢热处理：球化退火+（分级加热）高温淬火+三次高温回火使用态组织：回火马氏体（65－70%）+C化物颗粒（20%-25%）+γˊ（5%以下）总结:模具钢冷变形模具（又称冷作模具）包括冷冲压、冷挤压、切边等。使用性能要求（与刃具钢相比）：更高淬透性，更高耐磨性，更高韧性冷作模具钢冷作模具钢钢种（1）尺寸小，形状简单，轻负荷的冷作模具优质C素工具钢，T7A，T8A等缺点：淬透性低，淬火变形大，耐磨性低。（2）尺寸大，形状复杂，轻负荷的冷作模具（淬透性必须高，变形必须小，耐磨要求不高）9SiCr，CrWMn，GCr15等（低变形钢），它们淬透性大，油冷即可，变形开裂倾向小（3）尺寸大，形状复杂，重负荷（中、高合金钢，高速钢）高铬及中铬的模具钢高铬及中铬的模具钢Cr12(C2.00—2.30%)；Cr6WV→高C，高合金，注意：a.C化物不均匀性及危害，去除方法、铸态多次墩粗，拉伸去除；锻造后正火去除b.加热时分级预热；热处理：①一次硬化法：球化退火+低温淬火+低温回火组织：回火马氏体+粒状C化物+少量残A②二次硬化法：球化退火+高温淬火+2—3次高温回火组织：回火马氏体+粒状C化物+少量残A高硬度，高耐磨，高红硬，但韧性低，变形大，少用高速钢用作冷作模具a.C化物不均匀性及危害，消除方法b、分级加热低温淬火(1190℃)+低温回火，高硬度,高耐磨，高韧性①韧性与马氏体晶粒度有关，高温淬火晶粒大，韧性↓，脆性大；②与C化物析出有关，高温回火大量C化物析出，↓韧性注意与其作刃具的热处理相区别：刃具：高温淬火（1280℃）十三次高温回火高韧性冷作模具钢切边模，冲裁模，刃口单薄受冲击大，冲击韧性要大。①降低含C量↓C化物折出;②Si,Cr加入固溶强化，提高回火稳定，从而↑回火温度，充分消除淬火应力，又保持硬度;③加入W等形成难熔C化物，细化晶粒，↑韧性;8Cr8Mo2V2Si热作模具钢与冷作模具相比，使用条件(p86)，性能要求：（1）模腔表层金属受热（热挤压模500--800℃受热，锤锻模，400℃以上）高温硬度，高温强度，高温塑变抗力，即钢的回火稳定性要高，加入Cr,W.Si等提高回火稳定性，而非红硬性，只要有强度即可（2）抗热疲劳性能反复的热胀冷缩要求高的热疲劳抗力，其影响因素a、钢的导热性，与C含量有关，C含量↑，导热性下降。选用中C钢（0.3－0.6％），C太低也不利（硬度，强度下降）b、钢的临界点影响，AC1↑，热疲劳破坏倾向性小(Cr,W,Si提高临界点)锤锻模要求：冲击韧性（冲击力大），淬透性要求高（模具尺寸较大，而且要求组织和性能均匀）常用的锤锻模钢，以5CrNiMo，5CrMnMo最常用，成分与调质钢相近，只是C含量较高Cr提高淬透性，耐磨性及回火稳定性，Ni提高淬透性，韧性，耐热疲劳性。Mn代替Ni，↑淬透性，但强度，韧性不如含NiMo：细化晶粒，提高韧性及减小回火脆性热处理：淬火+高温回火（450--500℃）组织：回火索氏体（回火屈低体）+残A性能：高强、高韧热挤压模用钢性能要求：高的高温强度和高的耐热疲劳性能，冲击韧性要求不高，因为加载速度慢常用钢种：3Cr2W8V半高速钢，是高热强钢，有明显的二次硬化效果，热硬性，热强性，回火稳定性都较高，能在600--650℃长期股役）H13(4Cr5MoSiV1)(进口)（韧性与热疲劳抗力都较前者高）热处理：冲击负荷大的模具：低温淬火（1100℃以下）工作温度高但冲击负荷不大的模具：高温淬火（1140--1150℃）回火：560-660℃，多次回火，550℃回火，出现二次硬化效果。组织：回火马氏体+粒状碳化物＋γ′压铸模用钢低熔点合金：调质钢40Cr,40CrMoAl，Mg，可用热挤压模具用钢，4CrW2Si（高韧冷作模、热挤压、模压铸模均可用）高熔点：Cu,可用3Cr2W8V