第7章 工具鋼

1、7.1 7.1 刃具鋼刃具鋼7.2 7.2 模具鋼模具鋼7.3 7.3 量具鋼量具鋼：用于制造各種加工工具的鋼種：用于制造各種加工工具的鋼種 。車刀車刀高速銑刀高速銑刀車削加工車削加工銑削加工銑削加工刃具鋼刃具鋼 模具鋼模具鋼 量具鋼量具鋼 工具鋼工具鋼模具模具按成分分類按成分分類碳素工具鋼碳素工具鋼 低合金工具鋼低合金工具鋼 高速鋼高速鋼 工具鋼工具鋼碳素工具鋼材料碳素工具鋼材料低合金工具鋼制品低合金工具鋼制品高速鋼銑刀高速鋼銑刀7.1 刃具鋼刃具鋼 7.1.1 刃具鋼的服役條件和性能要求刃具鋼的服役條件和性能要求 服役條件：服役條件： 刃具鋼在切削過(guò)程中承受彎曲、剪切、沖擊、刃具鋼在切削過(guò)

2、程中承受彎曲、剪切、沖擊、扭轉(zhuǎn)、震動(dòng)、摩擦等力的作用，產(chǎn)生熱量，使得刀扭轉(zhuǎn)、震動(dòng)、摩擦等力的作用，產(chǎn)生熱量，使得刀刃溫度高達(dá)刃溫度高達(dá)600，要求刃具鋼具有高硬度、高耐，要求刃具鋼具有高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韌性。有的還要求高的紅硬性磨性、一定的塑性和韌性。有的還要求高的紅硬性（在高溫下保持高硬度的能力）。（在高溫下保持高硬度的能力）。q性能要求：性能要求：W(C):0.651.35，經(jīng)不完全淬火和低溫回，經(jīng)不完全淬火和低溫回火，硬度在火，硬度在HRC5864之間；之間；2）作低速切削的刃具，工作溫度）作低速切削的刃具，工作溫度200 ；3）淬透性差，易淬火變形或開(kāi)裂；）淬透性差，易淬火

3、變形或開(kāi)裂；4）成本低，加工性能好。）成本低，加工性能好。7.1.2 碳素工具鋼（碳素工具鋼（T7-T13） 碳素工具鋼的特點(diǎn)碳素工具鋼的特點(diǎn) 1）碳素工具鋼須經(jīng)球化退火（預(yù)先熱處理）以降低硬）碳素工具鋼須經(jīng)球化退火（預(yù)先熱處理）以降低硬度便于切削加工、并為淬火作組織準(zhǔn)備；度便于切削加工、并為淬火作組織準(zhǔn)備； 若鍛造組織不良（如網(wǎng)狀碳化物），則應(yīng)在球化退火若鍛造組織不良（如網(wǎng)狀碳化物），則應(yīng)在球化退火之前先進(jìn)行正火處理，以消除網(wǎng)狀碳化物。之前先進(jìn)行正火處理，以消除網(wǎng)狀碳化物。 碳素工具鋼的熱處理碳素工具鋼的熱處理2）最終熱處理為淬火低溫回火（回火溫度一般為）最終熱處理為淬火低溫回火（回火溫度一

4、般為180180200200），正常組織為），正常組織為。 木工鑿木工鑿木工鉆木工鉆絲錐絲錐銼刀銼刀手鋸條手鋸條鉆頭鉆頭 在碳素工具鋼基礎(chǔ)上添加在碳素工具鋼基礎(chǔ)上添加等合金元素（總含量等合金元素（總含量5），以提高工具鋼的綜合性能。），以提高工具鋼的綜合性能。7.1.3 低合金刃具鋼低合金刃具鋼絲錐絲錐板牙板牙低合金工具鋼扳手低合金工具鋼扳手 1 1）：0.750.751.5%C1.5%C，保證足夠的碳化物存在；，保證足夠的碳化物存在； 成分特點(diǎn)成分特點(diǎn) 2 2）合金元素的作用：）合金元素的作用： 主要添加主要添加CrCr、MnMn、SiSi等，提高鋼的淬透性（如等，提高鋼的淬透性（如CrCr

5、、 MnMn、SiSi）和回火穩(wěn)定性（如）和回火穩(wěn)定性（如SiSi），可用油淬代替鹽），可用油淬代替鹽 浴淬火，減少變形開(kāi)裂；浴淬火，減少變形開(kāi)裂； 次要元素次要元素W W、V V的添加，可在淬火加熱時(shí)，形成合金的添加，可在淬火加熱時(shí)，形成合金 滲碳體（較穩(wěn)定），阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，改善鋼滲碳體（較穩(wěn)定），阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，改善鋼 的韌性的韌性( (如如W W、V)V)。 由于添加的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量由于添加的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量較多的強(qiáng)碳化物形成元素較多的強(qiáng)碳化物形成元素(W、Mo、V等等)，故仍不具備熱，故仍不具備熱硬性特點(diǎn)，刀具刃部的硬性特點(diǎn)，刀具刃部

6、的。 因此這類鋼仍然屬于低速切削刃具鋼，因此這類鋼仍然屬于低速切削刃具鋼， 低合金刃具鋼的熱處理低合金刃具鋼的熱處理同于碳素工具鋼，只是淬火介質(zhì)為油同于碳素工具鋼，只是淬火介質(zhì)為油( (碳素工具鋼為水碳素工具鋼為水) )。 最終熱處理的正常組織為最終熱處理的正常組織為。7.1.4 高速鋼高速鋼高速鋼銑刀高速鋼銑刀 在高速切削過(guò)程中，刀具的刃部溫度可達(dá)在高速切削過(guò)程中，刀具的刃部溫度可達(dá)600以上，低以上，低合金鋼刃具已不能滿足這種要求。因此，就必須選用高速鋼，合金鋼刃具已不能滿足這種要求。因此，就必須選用高速鋼，它在它在650時(shí)，仍能使硬度保持時(shí)，仍能使硬度保持HRC50以上，從而保證其切削以

7、上，從而保證其切削性能和耐磨性。性能和耐磨性。 高速鋼刀具的切削速度可比碳素工具鋼和低合金工具鋼高速鋼刀具的切削速度可比碳素工具鋼和低合金工具鋼增加增加13倍，而耐用性增加倍，而耐用性增加714倍，因此，高速鋼在機(jī)械制倍，因此，高速鋼在機(jī)械制造工業(yè)中被廣泛地采用。造工業(yè)中被廣泛地采用。 根據(jù)鋼中的化學(xué)成分，高速鋼可分為根據(jù)鋼中的化學(xué)成分，高速鋼可分為鎢系高速鋼鎢系高速鋼、鉬系鉬系高速鋼高速鋼和和鎢鉬系高速鋼鎢鉬系高速鋼。其中鎢系的。其中鎢系的W18Cr4V和鎢鉬系的和鎢鉬系的W6Mo5Cr4V2是應(yīng)用最普遍的，屬于通用型高速鋼。是應(yīng)用最普遍的，屬于通用型高速鋼。 性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)它可使刀具在高

8、速切削時(shí)，刃部溫度上它可使刀具在高速切削時(shí)，刃部溫度上 升到升到600，其硬度仍然維持在，其硬度仍然維持在5560HRC以上；以上；使切削時(shí)刀刃保持鋒利（故也稱使切削時(shí)刀刃保持鋒利（故也稱 “鋒鋼鋒鋼”）；）；在空氣中冷卻也可得到馬氏體。廣泛用在空氣中冷卻也可得到馬氏體。廣泛用 于尺寸大、形狀復(fù)雜、負(fù)荷重、工作溫度高的各種高速于尺寸大、形狀復(fù)雜、負(fù)荷重、工作溫度高的各種高速 切削刀具。切削刀具。 成分特點(diǎn)成分特點(diǎn)強(qiáng)化基體并形成各種碳化物來(lái)保證鋼的硬強(qiáng)化基體并形成各種碳化物來(lái)保證鋼的硬度、耐磨性和熱硬性，度、耐磨性和熱硬性，w(C)=0.033w(W)+ 0.063w(Mo)+ 0.20w(V)

9、+ 0.060w(Cr)； 提高淬透性和回火穩(wěn)定性，增加鋼的抗氧化、提高淬透性和回火穩(wěn)定性，增加鋼的抗氧化、耐蝕性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用；耐蝕性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用；產(chǎn)生二次硬化保證鋼的熱硬性，也有提高淬透性和產(chǎn)生二次硬化保證鋼的熱硬性，也有提高淬透性和熱穩(wěn)定性、并進(jìn)一步改善鋼的硬度和耐磨性的作用熱穩(wěn)定性、并進(jìn)一步改善鋼的硬度和耐磨性的作用 形成細(xì)小穩(wěn)定的形成細(xì)小穩(wěn)定的VC來(lái)細(xì)化晶粒，同時(shí)也有加強(qiáng)熱硬性、來(lái)細(xì)化晶粒，同時(shí)也有加強(qiáng)熱硬性、進(jìn)一步提高硬度和耐磨性的作用；進(jìn)一步提高硬度和耐磨性的作用； 5）Co、Al：是超硬高速鋼中的非碳化物形成元素，能進(jìn)是超硬高速鋼中的非碳化

10、物形成元素，能進(jìn)一步提高鋼的熱硬性和耐磨性。一步提高鋼的熱硬性和耐磨性。6）其他微量元素：）其他微量元素：可降低可降低S S在晶界的偏聚，明顯在晶界的偏聚，明顯改善熱塑性。改善熱塑性。 下料下料鍛造鍛造退火退火機(jī)加工機(jī)加工淬火（淬火（冷處理）冷處理） 回火回火磨削（磨削（表面強(qiáng)化處理）表面強(qiáng)化處理） 利用高速鋼制作刃具的加工工藝路線利用高速鋼制作刃具的加工工藝路線 高速鋼的鍛造高速鋼的鍛造 高速鋼中大量合金元素的存在使其鑄態(tài)組織含有大量高速鋼中大量合金元素的存在使其鑄態(tài)組織含有大量共晶共晶，有大量的不均勻分布的粗大的，有大量的不均勻分布的粗大的，難于通過(guò)熱處理來(lái)改善，故要求進(jìn)行反復(fù)的鍛造以，難

11、于通過(guò)熱處理來(lái)改善，故要求進(jìn)行反復(fù)的鍛造以改善碳化物的形態(tài)與分布。改善碳化物的形態(tài)與分布。 W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織鋼的鑄態(tài)組織其鍛造要點(diǎn)有：其鍛造要點(diǎn)有： 即開(kāi)始鍛造和終止鍛造時(shí)要輕鍛，中間即開(kāi)始鍛造和終止鍛造時(shí)要輕鍛，中間溫度范圍要重鍛；溫度范圍要重鍛； 即鍛造過(guò)程中溫度和變形量的均勻性；即鍛造過(guò)程中溫度和變形量的均勻性； 等等 。 高速鋼在空氣中冷卻即可進(jìn)高速鋼在空氣中冷卻即可進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，所以鍛造以后，行馬氏體轉(zhuǎn)變，所以鍛造以后，鋼坯應(yīng)緩慢冷卻，以防止產(chǎn)生鋼坯應(yīng)緩慢冷卻，以防止產(chǎn)生過(guò)高的應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂。過(guò)高的應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂。 高速鋼的熱處理高速鋼的熱處理( (預(yù)先熱處理降低硬度預(yù)先熱處

12、理降低硬度207255HB) ) ( (80左右左右) )減少殘余奧氏體減少殘余奧氏體 ( (550570高溫回火高溫回火24 4次次) )高速鋼經(jīng)煅軋后，鋼材需退火處理。高速鋼經(jīng)煅軋后，鋼材需退火處理。 由于在由于在860860870870退火時(shí)，大部分碳化物未溶解進(jìn)入退火時(shí)，大部分碳化物未溶解進(jìn)入奧氏體，此時(shí)奧氏體中合金元素的含量不多，冷卻時(shí)易轉(zhuǎn)奧氏體，此時(shí)奧氏體中合金元素的含量不多，冷卻時(shí)易轉(zhuǎn)化為粒狀化為粒狀P P和剩余碳化物。和剩余碳化物。500500 W18cr4V球化退火后的組織球化退火后的組織 淬火溫度越高，合金元素溶入奧氏體的數(shù)量越多，淬火淬火溫度越高，合金元素溶入奧氏體的數(shù)量

13、越多，淬火之后馬氏體的合金濃度越高。只有合金含量高的馬氏體才具之后馬氏體的合金濃度越高。只有合金含量高的馬氏體才具有高的回火穩(wěn)定性，在高溫回火時(shí)彌散析出合金碳化物產(chǎn)生有高的回火穩(wěn)定性，在高溫回火時(shí)彌散析出合金碳化物產(chǎn)生二次硬化，使鋼具有高的硬度和紅硬性。二次硬化，使鋼具有高的硬度和紅硬性。 高速鋼中的合金碳化物高速鋼中的合金碳化物M6C、M23C6和和MC比較穩(wěn)定，必比較穩(wěn)定，必須在高溫下將其溶解。須在高溫下將其溶解。M23C6穩(wěn)定性最差，在穩(wěn)定性最差，在900大量溶解，大量溶解，1090溶解完畢；溶解完畢； M6C在在1037以上開(kāi)始溶解，以上開(kāi)始溶解，1250以上溶解量逐漸減??；以上溶解量

14、逐漸減?。?MC在在1100以上逐漸溶解，溶解速度比以上逐漸溶解，溶解速度比M6C緩慢。緩慢。 由圖可知，在由圖可知，在1280淬火溫度下，淬火溫度下，18-4-1鋼奧氏體中合金元鋼奧氏體中合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Cr基本溶解，基本溶解，W溶解溶解7-8%，V溶解溶解0.5-1.0%。 溫度超過(guò)溫度超過(guò)1300時(shí)，各元素時(shí)，各元素的溶解量雖還有增加，但奧氏體晶的溶解量雖還有增加，但奧氏體晶粒則急劇長(zhǎng)大，甚至在晶界處發(fā)生粒則急劇長(zhǎng)大，甚至在晶界處發(fā)生溶化現(xiàn)象。使淬火鋼的韌性大大下溶化現(xiàn)象。使淬火鋼的韌性大大下降。所以，降。所以，1280作為淬火溫度。作為淬火溫度。 高速鋼的淬火溫度在高

15、速鋼的淬火溫度在12001300左右，一般用油淬空左右，一般用油淬空冷，對(duì)細(xì)長(zhǎng)件和薄片刃具采用分級(jí)淬火。冷，對(duì)細(xì)長(zhǎng)件和薄片刃具采用分級(jí)淬火。 高速鋼淬火后的正常顯微組織是：高速鋼淬火后的正常顯微組織是：馬氏體碳化物馬氏體碳化物殘余奧氏體殘余奧氏體(30%左右左右) 。目的是從馬氏體中析出目的是從馬氏體中析出M2C和和MC彌散碳化物，彌散碳化物，產(chǎn)生次生硬化效應(yīng)和消除殘余奧氏體和淬火內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生次生硬化效應(yīng)和消除殘余奧氏體和淬火內(nèi)應(yīng)力。 三次回火工藝，以保證完全消除殘余奧氏體以及新三次回火工藝，以保證完全消除殘余奧氏體以及新產(chǎn)生馬氏體引起的內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生馬氏體引起的內(nèi)應(yīng)力。 W18Cr4V W18

16、Cr4V在在560560回火時(shí)，回火時(shí)，W2CW2C、Mo2CMo2C和和VCVC等碳化物等碳化物的析出產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，硬度達(dá)到最大值。的析出產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，硬度達(dá)到最大值。 高速鋼的表面強(qiáng)化處理高速鋼的表面強(qiáng)化處理 表面強(qiáng)化處理可有效地提高高速鋼刀具的切削效率表面強(qiáng)化處理可有效地提高高速鋼刀具的切削效率和壽命，因而受到了普遍重視和廣泛的應(yīng)用。可進(jìn)行的和壽命，因而受到了普遍重視和廣泛的應(yīng)用?？蛇M(jìn)行的表面強(qiáng)化處理方法很多，常見(jiàn)的主要有：表面強(qiáng)化處理方法很多，常見(jiàn)的主要有：（如滲氮）（如滲氮）( (化學(xué)、物理氣相沉積化學(xué)、物理氣相沉積TiN涂層涂層) )( (刀具壽命可提高百分幾十到幾倍甚至十

17、倍以上刀具壽命可提高百分幾十到幾倍甚至十倍以上) 模具是用于進(jìn)行壓力模具是用于進(jìn)行壓力加工的工具，根據(jù)其工作加工的工具，根據(jù)其工作條件及用途不同，常分為條件及用途不同，常分為、和和（其中主要是塑料（其中主要是塑料模）等三大類。模）等三大類。汽車沖壓模具汽車沖壓模具 1）工作溫度工作溫度200200300300；2 2）模具承受很大的載荷及摩擦、沖擊作用；）模具承受很大的載荷及摩擦、沖擊作用；3 3）模具應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度和足夠韌性；）模具應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度和足夠韌性；4 4）冷作模具對(duì)淬透性、耐磨性尤其對(duì)韌性要求較高。）冷作模具對(duì)淬透性、耐磨性尤其對(duì)韌性要求較高。7.2

18、.1 7.2.1 冷作模具鋼冷作模具鋼 因此，冷作模具鋼應(yīng)是因此，冷作模具鋼應(yīng)是并多在并多在狀態(tài)下使用。狀態(tài)下使用。 1 1）碳素工具鋼）碳素工具鋼(T10(T10、T10A)T10A) 尺寸較小的冷作模具鋼尺寸較小的冷作模具鋼 2 2）低合金工具鋼）低合金工具鋼(9SiCr(9SiCr、9Mn2V)9Mn2V) 中小尺寸模具鋼中小尺寸模具鋼 3 3）中、高鉻模具鋼）中、高鉻模具鋼(Cr12(Cr12、Cr12MoV)Cr12MoV) 尺寸大、形狀復(fù)雜、精度高的重載模具尺寸大、形狀復(fù)雜、精度高的重載模具 4 4）高速鋼類模具鋼）高速鋼類模具鋼(W6Mo5Cr4V2(W6Mo5Cr4V2、6W6

19、Mo5Cr4V)6W6Mo5Cr4V) 冷、熱模具鋼均可冷、熱模具鋼均可 常用的冷作模具鋼常用的冷作模具鋼Cr12鋼鋼 冷作模具鋼的制作工藝?yán)渥髂＞咪摰闹谱鞴に?Cr12、Cr12MoV) 下料下料 鍛造 退火 機(jī)械加工 淬火 回火 精磨 成品熱處理工藝：熱處理工藝：（）預(yù)備熱處理：球化退火（）預(yù)備熱處理：球化退火目的：消除應(yīng)力，降低硬度以便于切削加工。退火硬度為目的：消除應(yīng)力，降低硬度以便于切削加工。退火硬度為(207255) 組織：球狀珠光體組織：球狀珠光體+均勻分布碳化物均勻分布碳化物（）最終熱處理：（）最終熱處理：淬火淬火+低溫回火低溫回火組織：組織：M回回彌散粒狀碳化物少量彌散粒狀碳

20、化物少量A殘殘。除此之外，高速鋼由于其優(yōu)異的工藝和使用性能，也是很好的除此之外，高速鋼由于其優(yōu)異的工藝和使用性能，也是很好的高檔冷作模具用鋼高檔冷作模具用鋼 工作條件和性能要求工作條件和性能要求1 1）工作溫度高（熱鍛模：）工作溫度高（熱鍛模：300300400400；熱擠壓模熱擠壓模：500500800800，甚至近甚至近10001000）；）；2 2）模具在）模具在交替加熱冷卻的溫度循環(huán)交替加熱冷卻的溫度循環(huán)中中產(chǎn)生交變熱應(yīng)力產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，常出現(xiàn)常出現(xiàn)變形、磨損、開(kāi)裂和熱疲勞等失效形式變形、磨損、開(kāi)裂和熱疲勞等失效形式；3 3）模具）模具應(yīng)具有良好的高溫強(qiáng)韌性、高的熱疲勞和熱磨損應(yīng)具有良

21、好的高溫強(qiáng)韌性、高的熱疲勞和熱磨損抗力、一定的抗氧化性和耐蝕性等。抗力、一定的抗氧化性和耐蝕性等。 7.2.2 7.2.2 熱作模具鋼熱作模具鋼熱模鍛曲軸毛坯熱模鍛曲軸毛坯熱鐓模熱鐓模凸緣模凸緣模 常用熱作模具鋼常用熱作模具鋼 含碳量：含碳量：(0.30.6)%，保證了淬火高溫回火后鋼材的硬度和，保證了淬火高溫回火后鋼材的硬度和韌性；常加入韌性；常加入Cr、Ni、Mn、Mo、Si 、W等合金元素。等合金元素。型板壓鑄模型板壓鑄模壓鑄工藝壓鑄工藝 熱作模具鋼的制作工藝熱作模具鋼的制作工藝（4Cr5MoSiV1）下料下料鍛造退火機(jī)械加工淬火回火精加工最終熱處理為：淬火最終熱處理為：淬火+高溫（或中溫）回火高溫（或中溫）回火組織：回火索氏體（或回火屈氏體），具有良好的綜合組織：回火索氏體（或回火屈氏體），具有良好的綜合機(jī)械性能及熱疲勞抗力。機(jī)械性能及熱疲勞抗力。注意：回火溫度應(yīng)稍高于模面工作溫度注意：回火溫度應(yīng)稍高于模面工作溫度 量具是度量工件尺寸形量具是度量工件尺寸形狀的工具，是計(jì)量的基準(zhǔn)，狀的工具，是計(jì)量的基準(zhǔn)，如卡尺、塊規(guī)、塞規(guī)及千分如卡尺、塊規(guī)、塞規(guī)及千分尺等。尺等。卡尺卡尺塞規(guī)塞規(guī)千分尺千分尺 由于量具使用中常與工件由于量具使用中常與工件的摩擦與碰撞，且本身須具備的摩擦與碰撞，且本身須具備極高的尺寸精度和穩(wěn)定性。極高的