模块二---工程材料性能与选用-第4章-第3次课

NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming1～制造刀具、模具和量具；按化学成分分为碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢等；按用途分刃具钢、模具钢、量具钢3.3.1.刃具钢－车刀、铣刀、钻头1)服役条件压力、磨擦－热－温度500~600℃、冲击2)性能要求(1)高硬度HRC60(2)高耐磨性－取决于钢的硬度和其中碳化物的性质、数量、大小和分布。(3)高红硬性－钢在高温下保持高硬度的能力。与钢的回火稳定性和碳化物的弥散析出有关。(4)足够的塑性和韧性－防止刃具受冲击或震动时折断和崩刃。§3.3工具钢NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming2鉴于刃具的特殊工况条件，对刃具钢的基本性能要求应该是：高的切断抗力，高的耐磨性，高的弯曲强度和足够的韧性，高的热稳定性。用于刃具的材料有碳素工具钢，低合金工具钢，高速钢，硬质合金等。2.碳素工具钢－以成本低、具有一般较好的性能，在钳工、木工和形状简单受力不大的刃具、磨具中得到广泛应用。(1)成分特点：C0.65～1.35％高碳含量保证淬火后足够高的硬度。C，未溶渗碳体增多，钢耐磨性，韧性。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming3(2)热处理特点：预备热处理：锻、轧＋球化退火硬度、切削加工性最终热处理：淬火(780℃)＋低温回火(180℃)组织：回火M＋粒状渗碳体＋残余A。缺点：淬透性低，截面10mm刃具仅表面被淬硬；红硬性低，200℃硬度，切削能力丧失。适用于制造截面小、切削速度低的刃具，加工低硬度材料。(3)钢种和牌号T7、T8钢：用于承受冲击、韧性好、硬度适当的工具，大锤、凿子、冲头、钳子等T9~T11钢：用于不受剧烈冲击、高硬度耐磨工具：车刀、刨刀、丝锥、钻头、手锯条T12、T13耐磨性最高，韧性最低，多用于制造不受冲击负荷的量具、锉刀、刮刀等。高级优质碳素工具钢（T7A～T13A），由于其淬火时产生裂纹的倾向较小，因此多用于制造形状较为复杂的工具。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming4常见的退火工艺退火种类目的工艺特点其它完全退火(重结晶退火)使中碳(0.25-0.6C%)以上亚共析碳钢和合金钢得到接近平衡态组织,降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力加热至Ac3以上30～50℃保温炉冷等温退火与完全退火同，但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对于A较稳定的合金钢，常可大大缩短退火时间。将亚共析钢加热到Ac3(过共析钢加热到Ac1)以上30~50℃，保温后快冷到Ar1以下某一温度并等温保持，后出炉空冷一般作为冷变形加工中间工序球化退火过共析钢、合金工具钢淬火前的预备热处理、使片状Cm球化，HB,切削加热至Ac1以上20~30℃，较长时间保温后随炉冷当有网状Cm存在时，需先用正火消除Cm网，再球化退火扩散退火(均匀化退火)减小钢锭、铸件或锻坯的成分偏析和组织不均匀性加热到钢的熔点以下100~200℃，长时间保温后炉冷扩散退火后钢晶粒很大，要完全退火或正火处理去应力退火(低温退火)消除铸、锻、焊件、热轧、冷加工件的内应力，防止钢件在以后加工或使用过程变形或开裂加热至AC1以下某一温度(对于碳钢为500~600℃)，保温后随炉冷却消除内应力约50~80％NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming53.低合金工具钢为了克服碳素工具钢淬透性差，易变形和开裂，及红硬性差等缺点。在碳素工具钢基础上加入少量Me（3~5%），就形成了低合金工具钢。1)成分特点(1)高碳0.9～1.1％C－保证钢的高硬度及形成足够的合金碳化物，提高耐磨性(2)加入Cr,Mn,Si,W,V.CrMnSi淬透性，Si回火稳定性；W、V硬度和耐磨性2)热处理特点预备热处理：锻造后球化退火最终热处理：淬火＋低温回火组织：回火M＋未溶碳化物＋残余A。与碳素工具钢比：淬透性，淬火变形和开裂倾向小。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming63)钢种和牌号Cr钢：0.95～1.1c,0.35Si,0.4Mn,0.75~1.05Cr切削工具、车刀、刀、绞刀等，测量工具等，冷轧辊等。9SiCr：0.85～0.95c,1.2～1.6Si,0.3～0.6Mn,0.95~1.25Cr丝锥、钻头、铰刀、齿轮铣刀、冷冲模、冷轧辊等。更高的淬透性和回火稳定性，工作温度达～300℃。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming7板材轧机管材轧机NationalEngineeringResearchCenterforLightAlloyNet-FormingFabricationprocessforJDBMstentS.C.Cingot(Φ105)→Φ20Extr.Bar→Annealing→Tubewithextrusion(semifinishedproduct)→Drawingprocess→Smalltube(Φ3×0.2mm)→Annealing→StentfabricatedwithLaserprocessNationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming94.高速钢－高速切削用钢的代名词,高合金刃具钢，高红硬性。高速切削时刃部温度达600℃时硬度无明显下降。最重要两种：钨系W18Cr4V钢(W是提高钢红硬性的主要元素，热硬性好、热处理脱碳和过热倾向小);W资源少，Mo代替钨-钼系W6Mo5Cr4V2钢(耐磨,热塑性和韧性好)1)成分特点(1)高碳：0.7～1.5％C，一方面保证与W、Cr、V形成足够量的碳化物；另一方面有一定数量碳溶于中，保证M的高硬度。(2)加入Cr(4%):①铬的碳化物(Cr23C6)淬火加热时全部溶入中，过冷的稳定性，淬透性。②形成碳化物强化相③Cr在高温下可形成Cr2O3，能起到氧化膜的保护作用。④Cr含量在4%左右为宜，高于4%CrMs，淬火后A残的不良结果(3)加入W、Mo－保证高的红硬性。(4)加入V－耐磨性：V形成的碳化物VC(V4C3)非常稳定，极难溶解，硬度高且颗粒小，分布均，硬度和耐磨性。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming10我国最常用的高速钢是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，简称18-4-1、6-5-4-2。前者的过热敏感性小，磨削性好，但由于热塑性差，通常适于制造一般高速切削刀具，如车刀、铣刀、绞刀等；由于后者的耐磨性、韧性和热塑性较好些，适于制造耐磨性和韧性很好配合的高速刀具，如丝锥、齿轮铣刀、插齿刀等。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming112)加工及热处理要点(1)锻造：高速钢属莱氏体钢，铸态含大量鱼骨状分布的粗大共晶M6C,机性(韧性)。M6C只能用锻打击碎，使其分布均。锻造具有成型和改善碳化物两重作用。锻后需缓冷，防开裂。W18Cr4V钢铸态组织W18Cr4V钢锻造后组织NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming12W18Cr4V钢球化退火工艺W18Cr4V钢淬火回火工艺NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming13(2)热处理I球化退火目的：硬度、便于切削加工；为淬火作组织准备组织：S＋粒状碳化物；退火后硬度HB207~255II淬火＋回火淬火：特点－一次/两次预热目的：热应力、变形加热℃高：1200-1300℃，保证W，Mo，Cr，V的难溶碳化物溶于，确保淬火、回火后获得很高的热硬性。淬火后组织：M＋K(碳化物)＋残(~30%)回火：特点－560℃1h3次560℃回火，碳化物从M中析出，弥散分布，HB；残M，HB二次硬化、保证硬度和红硬性。3次回火，残％；消除前一次回火残M产生的内应力淬火态第一次回火第二次第三次残％30％15％3～5%1~2%回火后组织：回火M＋K＋少量残NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming145.硬质合金硬质合金是把一些高硬度、高熔点的粉末（WC、TiC等）和胶结物质（Co、Ni等）混合、加压、烧结成型的一种粉末冶金材料。它虽不是合金工具钢，但是一种常用的，主要的刃具材料。特点是：硬度极高（HRA89~91）；红硬性好（切削温度可达1000℃）；耐磨性好。用硬质合金制作的刀具，切削速度比高速钢还可提高4~5倍。由于硬质合金的硬度很高，切削加工困难。因此形状复杂的刀具，如拉刀、滚刀就不能用硬质合金制作。一般硬质合金做成刀片，镶在刀体上使用。硬质合金可分为：钨钴类：牌号有YG3、YG6、YG8等等。YG表示钨钴类硬质合金，后边数字-含钴量（Co%）。如YG8表示含钴量为8%、含碳化钨（WC）为92%的钨钴类硬质合金。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming15钨钴钛类：牌号有YT5、YT15、YT30等，YT——钨钴钛类硬质合金，后边的数字表示碳化钛（TiC）的含量。如YT15表示含15%的TiC，其余为WC和Co的钨钴钛类硬质合金。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming16钨钴类用于加工脆性材料（铸铁以及胶木等非金属材料）。其中含钴量高的抗弯强度高，韧性好，而硬度、耐磨性低，适于粗加工钨钴钛类用于加工韧性材料（适于加工各种钢件），由于TiC的耐磨性好，热硬性高，所以这类硬质合金的热硬性好，加工的光洁度也好。此外，还有如YW1和YW2(含Ta－TaC)称通用和万能硬质合金，用来切削不锈钢、耐热合金等难加工的材料，刀具寿命更长。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming17NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming18～分为冷作模具和热作模具钢两大类。1.冷作模具钢(1)用途：制造各种使金属在冷态下变形的模具钢，如冷冲模、冷镦模、冷挤压模及拉丝模等。工作温度300℃。(2)性能要求－承受很大压力、弯曲力、冲击载荷、摩擦；损坏形式：磨损、崩刃、断裂和变形。性能要求：①高硬度HRC58-62、高耐磨在冷态下冲制螺钉、螺帽、硅钢片、面盆等，被加工的金属在模具中产生很大的塑性变形，模具的工作部分承受很大的压力和强烈的摩擦，要求有高的硬度和耐磨性，通常要求硬度为HRC58~62，以保证模具的几何尺寸和使用寿命。②较高的强度和韧性。冷作模具在工作时，承受很大的冲击和负荷，甚至有较大的应力集中，因此要求工作部分有较高的强度和韧性，以保证尺寸的精度并防止崩刃。3.3.2模具钢NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming19③良好的工艺性。要求热处理的变形小，淬透性高。模具钢钢号表示方法与低合金工具钢相同。3）冷作模具钢的成分特点和钢种①碳素工具钢和低合金工具钢对于尺寸小、形状简单、工作负荷不大的模具采用这类钢，钢种有T8A、T10A；T12A、Cr2、9Mn2V、9SiCr、CrWMn、Cr6