《金屬材料工程概論（第2版）》6金屬耐磨材料課件

6金屬耐磨材料磨損的定義：兩種材料（或物質）接觸并相對運動而引起材料逐漸損傷的現(xiàn)象，稱為磨損。影響材料耐磨性的因素有：(1)材料因素，材料的硬度、韌性、加工硬化能力、導熱性、化學穩(wěn)定性、表面狀態(tài)等；(2)摩擦條件，相磨物質的特性、摩擦壓力、溫度、速度、潤滑劑的特性等。大量實驗證明，鋼的耐磨性與其組織結構，硬度有密切的關系。本章主要講述工具鋼、塑料模具鋼等知識。6金屬耐磨材料6.1工具鋼用來制造各種切削刃具、模具、量具和其它工具的鋼，稱之為工具鋼。工具鋼按化學成分可以分為碳素工具鋼，合金工具鋼兩大類。按用途分類：刃具鋼，模具鋼，量具鋼三種。在碳素工具鋼的基礎上加入少量合金元素(如鉻、錳、硅、釩、鎢、鉬等)稱為合金工具鋼。6.1工具鋼6.1.1碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量0.65～1.35%的碳鋼。按其雜質含量不同,可分為優(yōu)質碳素工具鋼和高級優(yōu)質碳素工具鋼。碳素工具鋼生產成本低,原料易取得,加工性能好,廣泛地用于制造各種工具、模具、量具、手作工具和低速小切削用量的機用刃具。碳素工具鋼一般需經750℃～770℃溫度范圍的球化退火處理,獲得球狀珠光體組織;然后在760℃～820℃溫度范圍淬火,獲得馬氏體+少量殘留奧氏體組織;再經160℃～180℃溫度范圍的回火處理,獲得回火馬氏體組織。常用的碳素工具鋼有:T7(T7A)、T8(T8A)、T10(T10A)、T12(T12A)。6.1工具鋼6.1.1碳素工具鋼圖6－1為澳大利亞產T12鋼的銼刀的顯微組織，淬火－回火組織，黑色基體為回火馬氏體，白色顆粒狀為碳化物。圖6－1T12鋼的回火馬氏體組織6.1工具鋼6.1.2合金刃具鋼合金刃具鋼主要用于制造切削刀具，如車刀、銑刀、鉆頭、絲錐、板牙等。合金刃具鋼應具有下列性能：（1）高的硬度與耐磨性（2）高的紅硬性（3）足夠的強度與韌性低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入少量合金元素發(fā)展起來的。它屬于低合金鋼，主要用于切削量不大的、形狀復雜的刃具，也可兼作冷作模具與量具。其化學成分特點為：含碳0．75％一1．45％，以保證鋼淬火后具有高硬度(≥62HRC)并可形成適量的合金碳化物，從而增加其耐磨性。6.1工具鋼6.1.2合金刃具鋼常用的低合金刃具鋼有以下幾種：①鉻鋼

常見的有GCr15、GCr6以及CrMn鋼等。②硅鉻鋼

常見的有9SiCr鋼。③鉻鎢鋼

鋼中加入鎢(1.0～5.5%),鋼淬火、回火后存在較多碳化物，從而提高硬度和耐磨性。④鉻鎢錳鋼

鋼中加入鉻、鎢、錳元素，使鋼具有較高的淬透性、淬硬性和耐磨性。6.1工具鋼6.1.3高速工具鋼高速鋼是當前使用最多最廣泛的合金刃具鋼種，專門用于制造高速切削的刀具，有時也會用來制造模具。根據(jù)標準，常用的高速工具鋼：W18Cr4VC05、W18Cr4V2C08、W12Cr4V5C05、CW6M05Cr4V3、CW6M05Cr4V2、W2M09Cr4V2、W6M05Cr4V2C05、W7M04Cr4V2C05、W9M03Cr4V、W2M09Cr4VC08等。我國目前主要應用的高速工具鋼是W18Cr4V、W6M05Cr4V2和W9M03Cr4V三個鋼號。6.1工具鋼6.1.3高速工具鋼高速工具鋼(W18Cr4V)熱處理工藝是:800℃預熱→1280℃保溫→淬火→560℃回火三次。淬火得到隱晶馬氏體組織如圖6-2所示。560℃回火三次得到回火馬氏體組織基體上分布著未溶碳化物的整合組織。硬度可達HRC64~66。圖6-2高速鋼淬火組織OM6.1工具鋼6.1.4模具鋼專門用于制造沖壓、模鍛、擠壓、壓鑄等模具的合金鋼，稱之為合金模具鋼。根據(jù)模具使用條件的不同將模具分為冷作模具和熱作模具，相應地將制作模具的合金模具鋼也分為兩大類：一是冷作模具鋼；二是熱作模具鋼。（1）冷作模具鋼：高碳高鉻型工具鋼(Crl2型)是最常用的冷作模具鋼。（2）熱作模具鋼：常用熱作模具鋼有5CrNiMo、3Cr2W8V、H13等6.1工具鋼6.1.4模具鋼H13鋼模具的熱處理是1010～1060℃加熱淬火，520℃回火。獲得回火托氏體組織。圖6-3H13鋼的退火組織，SEM6.1工具鋼6.1.4模具鋼圖6-4W350鋼的球化退火組織，OM6.1工具鋼6.1.5量具鋼

機械制造業(yè)中,大量使用的卡尺、千分尺、塊規(guī)、卡規(guī)、塞規(guī)、樣板等,統(tǒng)稱為量具。在量具制造中,尺寸小、形狀簡單、精度低的樣板、塞規(guī)等用碳鋼(T10A、T12A)制造,在腐蝕介質中工作的量具用不銹鋼制(9Cr18)造外,其它凡形狀較復雜、精度較高的量具,均用合金量具鋼來制造。合金量具鋼都是高碳鋼,以保證有高的硬度和高的耐磨性。常見的合金量具鋼有Cr2、GCr15、CrMn、CrWMn鋼等。它們的熱處理工藝流程:球化退火→淬火→冷處理→低溫回火→低溫人工時效處理。6.1工具鋼6.1.6其他類型工具鋼（1）冷軋輥用鋼冷軋輥一般屬于大截面用鋼。冷軋輥用鋼的化學成分、性能要求與一些冷作模具鋼相近。常用冷軋輥鋼有:9Cr、9Cr2、9CrV、9Cr2Mo、9Cr2W、9Cr2MoV?；瘜W成分:0.85～0.95%C、0.25～0.45%Si、0.20～0.35%Mn、1.40～2.10%Cr、0.10～0.25%V、0.20～0.40%Mo、0.30～0.60%W。（2）耐沖擊工具鋼在工作中受震動較大的工具(如風鏟、風鑿)、加工較厚鋼板的剪切工具以及一些冷模具(例如切邊模、沖孔模等)，要求有較高的韌性,這些鋼的含碳量大都在0.7%以下,一般在04～0.6%之間。6.2其他耐磨鋼6.2.1軸承鋼制造滾動軸承的專用鋼叫軸承鋼。軸承鋼經熱處理后要求高而均勻的硬度和耐磨性，高的彈性極限和高的接觸疲勞強度。常用的軸承鋼為高碳高鉻軸承鋼，如GCr15、GCr15SiMn。還有滲碳軸承鋼，如20Cr2Ni4等以及不銹軸承鋼，如9Cr18等。圖6-5GCr15軸承鋼的退火組織，OM6.2其他耐磨鋼6.2.2高碳高錳奧氏體鋼碳和錳都是擴大γ相區(qū)的元素，而且降低馬氏體點(Ms)。只有含碳量為1.0~1.4％及含錳量為10％～14％時才具備很高的塑性。這個范圍便是高碳高錳奧氏體鋼的成分范圍，最常見的是1.2％C及13％Mn。圖6-6高碳錳鋼的奧氏體組織，OM6.2其他耐磨鋼6.2.3石墨鋼石墨鋼是含有石墨的高碳工具鋼，它一方面具有高碳工具鋼的高度耐磨性，另一方面又具有石墨的潤滑作用(摩擦系數(shù)較一般工具鋼小50％)。石墨鋼含碳約1.5％，另外含有促進石墨化的合金元素(硅、鋁、銅、鎳等)以及提高淬透性的元素(錳、鉻、鎳、鉬等)，有時還加入提高耐磨性的鎢元素。6.2.4鋼軌鋼專門用于制作鋼軌的鋼叫鋼軌鋼。它是鋼鐵企業(yè)大量生產的鋼種，一般是經過多次熱軋才制成鋼軌。6.2其他耐磨鋼6.2.4鋼軌鋼鋼軌鋼是屬于中、高碳(0.4％～0.8％)的鐵素體一珠光體鋼，主要用C及Mn來進行強化，典型鋼軌鋼,如U71Mn，化學成分（質量分數(shù)％）：0.67~0.80C,0.13~0.28Si,0.7~1.0Mn。進一步提高耐磨性需要進行端頭淬火或全長淬火(實際上是正火得到索氏體組織)。圖6-7鋼軌鋼的索氏體組織，OM鋼軌鋼的軋制組織為索氏體，具有良好的耐磨性。6.2其他耐磨鋼6.2.5耐磨用普通低合金鋼

這類鋼除了要求有高的強度、硬度及良好的耐磨性外,還必須有良好的韌性和淬透性，且不含貴重元素,適合于在農業(yè)機械和礦山機械中推廣應用。常用的這類鋼有:41Mn2SiR1、55SiMnCuRe、65SiMnRe鋼等。

6.3塑料模具鋼隨著塑料制品的日益廣泛應用，對塑料模具的需求也越來越大，制作塑料模具所用的鋼－塑料模具鋼，其需求量也大幅度攀升。壓制塑料可以分為兩種基本類型，即熱固性塑料和熱塑性塑料

6.3塑料模具鋼6.3.1熱塑性塑料注射模的主要失效方式1）表面磨損由于塑料中含有無機填料，使模具型腔磨損，表面粗糙度惡化，需要不斷拋光，多次拋光后，型腔尺寸超差而失效。2）表面侵蝕塑料含有的氯、氟元素，受熱分解析出HCI、HF等腐蝕性氣體，侵蝕模具表面而失效。3）塑性變形模具持續(xù)受熱，在壓力作用下，發(fā)生塑性變形而失效。4）斷裂塑料制品成型模的形狀復雜，在凹角、薄邊等處容易造成應力集中而開裂。6.3塑料模具鋼6.3.2熱塑性塑料注射模的工作條件和性能要求（1）工作條件:1）通常不含固體填料，以軟化狀態(tài)注入型腔，當含有玻璃纖維填料時，對型腔有較強的磨損作用。但是受熱、受壓、受磨損，一般不太嚴重。2）有的塑料含有氯及氟，在壓制時放出腐蝕性氣體，侵蝕型腔表面。（2）性能要求如下：1）拋光性型腔表面要求光滑，成型面要求拋光成鏡面，拋光時不出現(xiàn)麻點和桔皮狀缺陷，表面粗糙度Rz低于0.4μm。2）型腔表面具有良好的耐磨性、抗蝕性。3）耐熱性，在250℃左右長期不軟化、不氧化。4）良好的強韌性，長期工作不變形，不斷裂。6