工具钢性能_工具钢的性能及热处理
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第四章
工具钢
对各种材料进行加工，需要采用各种工具，主要是各种刃具与模具。
工具钢按用途分为刃具钢、模具钢及量具钢。按成分可分为碳素工具钢，低合金工具钢，高合金工具钢（高速钢）。
刃具钢要求高硬度，高耐磨性，一定韧性和塑性，有时需热硬性。如车刀，刨刀，铣刀，钻头，丝锥，锉刀，锯条。常用钢种为T7~T12，Cr，Cr2，9Mn2V，CrWMn，W18Cr4V。
模具钢为两类：一类为热作模具钢，要求高温下的硬度的强度，抗热疲劳和良好的韧性。
如锤锻模，挤压模，压铸模。常用钢种为T8~T12，MnSi，5CrW2Si，Cr12V，Cr12MoV。另一类为冷作模具钢，要求具有高硬度，耐磨性和一定的韧性。如冲切模，冷镦模，搓丝模，拉丝，剪刀片。常用钢种有5CrNiMo，3Cr2W8V。
量具钢要求高硬度，高耐磨和尺寸稳定性如量规，样板，卡尺。
工具钢要求的基本性能有：（1）使用性能，如强度，塑性，韧性，耐磨性，热硬性，热疲劳性能；（2）工艺性能，如淬透性，变形与开裂倾向，脱C敏感性，磨削性，切削加工性。
§4．1 碳素及低合金工具钢
一、碳素工具钢
1．成分：高C钢，0.65-1.35% 2．组织：高C回火马氏体+细粒状K，HRC58-64 3．牌号：T7~T13 高牌号者，硬度高，耐磨性好，但韧性较低；低牌号者，硬度较低，但韧性较好。可选择不同场合具体运用。
4．热处理：球化退火（粒状P组织，便于切削加工）+淬火与低温回火
球化退火采用等温球化退火工艺。
5．性能：成本低，冷热性能较好，热处理简单，应用范围较宽。
不足处：（1）淬透性低，盐水中淬火，变形开裂倾向大。
（2）组织稳定性差，热硬性低，工作温度小于200℃。
6．应用：制作工件尺寸较小、受热温度不高、形状简单、不受较大冲击的工具如低速切削的刃具和简单的冷冲模。
二、低合金工具钢
加入M，如Si，Mn，Cr，W，Mo，V。与碳素钢相比，具有淬透性高，耐磨性好，淬火变形少，回火稳定性好，切削速度也较高。
合金元素作用：提高耐磨性，V，W，Mo, Cr；提高淬透性；减少淬火变形；
细化晶粒提高韧性；增大热硬性。
常用钢种：Cr06，Cr，Cr2，9Cr2，9SiCr，8MnSi，CrMn，CrWMn，CrW5，W，V 但由于热硬性仍较差，难以满足高速切削的需要。
§4．2 高速工具钢
高速工具钢适用于高速切削刀具。由于合金度高，可保证刃部在650℃时实际硬度仍高于HRC50，从而具有优良的切削性和耐磨性。
根据钢中主要化学成分，高速钢可分成三类：即钨系高速钢、钼系高速钢和钨钼系高速钢，其中钨系的W18Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2应用最普遍，属于通用型高速钢；而高碳高钒、高钒高钴超硬高速钢属于特殊高性能高速钢见表4-1。
一．高速钢中的组成相和碳化物不均匀性
1、高速钢中的组成相
高速钢的平衡组织： 合金F和合金K 合金元素： W，Mo，Cr，V，Co
合金K：M6C型：
W，Mo的K，溶解一定的Cr, V, Co
M23C6型： Cr的 K,（Cr, Fe, Mo, W, V）23C6
MC型：
V的K，溶解少量W，Mo,Cr
在热处理过程中还存在M2C型K：W，Mo的K，W2C，Mo2C 2．高速钢的铸态组织
高速钢属于高合金莱氏体钢，其相图较复杂。图4-1为Fe-W-Cr-C系的变温截面。当W18Cr4V钢凝固时，发生下列反应：
（1）开始结晶时析出δ(高温α)固溶体；
（2）冷到1400℃发生L+δ→γ的包晶反应；
（3）在1345℃附近很窄的温度范围进行L+δ→γ+M6C的包共晶反应；
（4）在1330℃-1300℃之间发生L→γ+M6C的共晶反应，一直到完全凝固，形成由奥氏体和碳化物组成的共晶莱氏体，存在于奥氏体晶之间，其中碳化物呈鱼骨状，骨络之间为γ；
（5）凝固后继续冷却时，由奥氏体中析出过共析合金碳化物，在870-800℃间发生γ+M6C→α的包析反应；冷到800℃左右发生γ→α+M6C+Fe3C共析反应。实际上W18Cr4V钢中在共晶结晶时还出现VC，并在随后冷却时，由奥氏体中还析出VC和M23C6型碳化物。在低温下未发现Fe3C存在。
图4-1 Fe-W-Cr-C系的变温截面
图4-2 W18Cr4V钢的铸态组织
在实际铸锭凝固时的冷却速度大于平衡冷却，其包晶反应不能进行完毕，仍有部分δ相被保留下来，在继续冷却时发生共析分解δ→γ+M6C，随后γ相再发生共析反应。这种转变产物金相形态呈黑色．称为“黑色组织”。γ相的共析反应也可能破抑制而过冷到低温，转变为马氏体和残留奥氏体，形成“白亮组织”。
因此铸态组织有大量鱼骨状共晶Le和黑色组织（屈氏体）与白色组织（马氏体和残余奥氏体）。
3．高速钢中碳化物的不均匀性与改善途径
铸态高速钢组织中粗大的共晶碳化物必须经过锻轧将其破碎，使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物；在锻轧变形量不足时，仍存在粗的碳化物网和密集的带状碳化物，这种碳化物的不均匀性对高速钢刀具的质量和使用寿命有极大影响。淬火加热时，碳化物稀少区奥氏体晶粒易粗化，淬火开裂倾向大，碳化物密集区脆性大，易引起崩刃。粗大碳化物在淬火加热时溶解少，使附近奥氏体合金度低，热处理后刃具的硬度、热硬性和耐磨性都降低，抗弯强度、韧性指标因碳化物不均匀而降低。因此，碳化物的均匀分布程度是考核高速钢的主要技术质量指标之一。
改善碳化物不均匀性的措施有：
（1）采用200-300 kg小锭型，使钢锭凝固快，减少结晶时宏观偏析，莱氏体共晶也细小；
（2）采用扁锭加快凝固，一般用630 kg型，减少集中偏析和使莱氏体共晶细小；（3）增大钢锭锻压比，反复拉拔和镦粗；
（4）大尺寸钢材可采用电渣重熔．钢液在水冷结晶器中径向结晶，莱氏体共晶细小；（5）粉末冶金方法。
二、高速钢的热处理
1．退火
高速钢经锻轧后，钢材需要退火。消除内应力，降低硬度，便于切削加工，为淬火做组织准备。可采用一般退火或等温退火。
高速钢的Ac1在820-860℃范围，故退火温度为870-880℃，保温2-3h，大部分合金碳化物未溶入奥氏体，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。一般冷却速度≤30℃/h，冷到600℃出炉空冷。退火后W18Cr4V钢中碳化物体积百分数约为30％，其中M6C为16-19％，M23C6为9％，MC为1.5%-2%。组织为S+K。2．淬火与回火
图4-3为W18Cr4V钢的典型热处理淬火与回火工艺。
图4-3 W18Cr4V钢的典型热处理淬火与回火工艺
热处理工艺特点：
（1）往往采用一次或两次预热：高合金的高速钢导热性差，为防止工件加热时变形，开裂和缩短加热的保温时间以减少脱碳。（2）淬火温度高。
为使奥氏体中合金度含量较高，应尽可能提高淬火温度至晶界熔化温度偏下（晶粒仍然很细，9级）。淬火后获得高合金的马氏体，具有高的抗回火稳定性，在高温回火时析出弥散的合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。图4-4是W18Cr4V钢的的正常淬火组织，图4-5是W18Cr4V钢的过烧组织。
图4-4 W18Cr4V钢的正常淬火组织
图4-5 W18Cr4V钢的过烧组织 M23C6
900℃开始溶解，1090℃全部溶解；
M6C
1037℃开始溶解，1250℃以上溶解量逐惭减小； MC
1100℃开始溶解，溶解速度比M6C缓慢。
1280℃时，奥氏体中：C 0.5%，W7-8%，Cr4%，V0.6-0.8%
剩余K总量为9-10%：其中，M6C 7.5%-9.0%，MC 1.0-1.5%（3）可采用分级淬火。
一般油淬空冷（组织为：M+Ar20-25%+9-10%未熔K）。对细长件和薄片件采用等温淬火。
为了减少工件变形，采用1次或多次分级淬火。对于大型复杂刃具，可采用等温淬火，以减少变形并提高韧性。
（4）回火温度高，回火次数多。
回火目的是从M中析出弥散M2C和MC碳化物，产生二次硬化效应和消除残余奥氏体和内应力。
回火温度高是为了提高二次硬化效果；回火次数多一方面增强二次硬化效果，另一方面（主要）是为了利用二次淬火来降低残余奥氏体的含量，也间接地提高了性能。见图4-6~4-8。
图4-6 W18Cr4V钢奥氏体成分与淬火T的关系
图4-7 W18Cr4V钢回火时的硬度变化
图4-8 W18Cr4V钢回火次数与残余奥氏体量与性能的关系
为改善和提高高速钢刃具的切削效率和耐用度，广泛采用表面强化方法，通过表面化学热处理或在刃具表面覆层。高速钢工件表面化学热处理有表面氮化（如辉光离子氮化、气体软N化）、表面硫氮共渗或硫氮硼等多元共渗、蒸气处理等。这些处理温度均不超过560℃，工件的显微组织和性能均未改变。
工件表面覆层是物理气相沉积(PVD法)在工件表面沉积TiC或TiN覆层，具有高硬度、优异的耐磨性、抗粘着性扣抗咬合性，显著提高工件使用寿命。
三、合金元素的作用
碳化物的变化是高速钢性能的晴雨表。它决定高速钢热硬性的好坏。
1． W或Mo 主要是提高热硬性。可阻止奥氏体晶粒粒长大；提高马氏体的回火稳定性。
Mo高速钢的含Mo共晶碳化物为细鸟巢状，减少了K的不均匀性； 抗弯强度和冲击韧性较高。Mo2C比W2C析出温度低，易长大；易脱C。现常选用W-Mo系。2．V 主要作用是提高钢的耐磨性和钢的热硬性。
3．Cr 主要起提高钢的淬透性作用。可提高钢的耐蚀性和抗氧化能力，改善切削能力。4．C
形成K，固溶强化。C%提高，HRC和热硬性提高。
5．Co 提高钢的热硬性，降低韧性，增加脱C倾向。有5%、8%、12%三个级别
主要通过固溶在马氏体中，提高马氏体的抗回火稳定性，减慢合金K的析出与聚集
长大，加强二次硬化效果（提高晶界开始熔化温度）。
6．微合金化元素：N—0.05-0.10%于高C高硬高速钢中，可提高热硬性；
RE： 可明显改善其在900-1150℃之间的热塑性。
§4．3 冷作模具钢
一、概述
冷作摸具钢是用来制作使金属冷变形的模具，如冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁、拉丝等模具。其工作温度不高，主要要求具有高硬度和耐磨性，也要有一定韧性。在热处理时要求淬透性高，淬火变形小。
一般中小型模具常用碳素及低合金工具钢制作，如T12、9Mn2V、Cr2、CrWMn等。另一类是高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高碳中铬钢或高速钢基体钢。常用的冷作模具钢化学成分见表4-2。
表4-2 常用的冷作模具钢的的成分（%）
二、高铬和中铬模具钢
1． Cr12及Cr12MoV 高C亚共晶莱氏体钢，Cr7C3型（HV2100），具有高淬透性。可用两种热处理工艺：
1)低温淬火和低温回火，组织M+Ar(少)，HRC61-63
2)高温淬火与高温回火，组织M+Ar（多），多次回火，提高硬度。2． Cr6WV, Cr4W2MoV, Cr5Mo1V 高碳中铬模具钢。由于碳量相对低，铬量低，属于过共析钢。由于凝固时偏析，故仍有部分莱氏体共晶。这类钢中的碳化物也是以Cr7C3型为主，并有少量M6C，MC型。
这类钢的碳化物分布较均匀。退火态含有15%左右的碳化物。这类钢具有耐磨性好和热处理变形小的特点，适用于制造既要求有耐磨性、又具有一定韧性的模具。
三、基体钢和低碳高速钢
50Cr4Mo3W2V，55Cr4Mo5WVCo8，65Cr4W3Mo2VNb，60Cr4Mo3Ni2WV 基体钢是根据通用高速钢淬火后基体成分而设计的钢种，它既有高速钢基体的强度和热硬性，又不含有由过多的未溶碳化物带来的脆性。低碳高速钢也常用于高冲击负载下的模具。
由于碳化物少，韧性和工艺性能也明显改善。
四、新型冷作模具钢
1．高韧性、高耐磨性模具钢
为适应冷镦模和厚板冲剪模的工作要求，既要有良好的耐磨性，又有较高的韧性，先后发展了一系列高韧性、高耐磨性的冷作模具钢。代表性的钢有8Cr8Mo2VSi、Cr8Mo2V2WSi等这类钢用来制造冷镦模、冷冲模及冲头、冲剪模、冲挤压模等。2．粉末冶金冷作模具钢
粉末冶金冷作模具钢是另一种新型冷作模具钢，采用粉末冶金法，用水雾化法将钢水雾化成细小钢粉末，通过快速凝固，每颗粉末中的高合金莱氏体得到细化，显著改善烧结后钢的韧性。同时这种方法可以生产用传统冶金方法难以生产的高碳高合金冷作模具钠。使钢中含有更多的硬质碳化物VC，具有更高的耐磨性。
§4．4 热作模具钢
金属的热成型有两种途径：一种是对红热的固态金属施加压力，使之在模具型腔内热变形成型，如锤锻、挤压等；另一种是在压力下使熔融金属注入模具型腔内凝固，即压铸。
模具在红热金属作用下升温，锤锻模具型腔表面可达600℃，局部可高于650℃；压铸模具表面温度可达800℃。温度随操作而周期地受到交替升温和降温所产生的热疲劳和模具工作部位的塑性变形和型腔堆塌。
工作条件对模具钢提出的要求有高抗热塑性变形能力、高韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性。
表4-3 常用热作模具钢的成分
一、锤锻模钢
锤锻摸具钢种应具有高强度、高热稳定性、高的淬透性、高的冲击韧性和低的回火脆性倾向，因而模具钢显微组织应是中碳（0.5%C）回火索氏体。回火温度应稍高于模面工作温度。
可根据模具尺寸来选择不同淬透性的钢种。对模高小于400mm的中、小
型锤锻模具，要求有中等淬透性的5CrMnMo等钢种；模高大于400mm的大型锤锻模具，适用高淬透性的5CrNiMo钢及新型钢种3Cr2MoWVNi和45Cr2NiMoSiV，具有高温下的高强度和韧性。例如：5CrMnMo，5CrNiMo：830-850℃淬火，520-580℃回火。HRC38-42 3Cr2MoWVNi和45Cr2NiMoSiV：1000℃淬火，两次回火（640℃，620℃），HRC40-42
二、挤压及压铸模具钢
目前采用中铬中加入Mo，W，V，Si等，如：45Cr5MoSiV，45Cr5MoSiV1，4CrW5SiV，3Cr3Mo3VNb等钢中碳化物类型有M23C6，M6C，MC，钒在钢中起回火时二次硬化作用；铬、钼、钨、钒能提高钢抗回火软化能力，保持高温下的强度、韧性；硅提钢的回火稳定性和抗热疲劳能力；铬和硅还能提高抗氧化和抗蚀性。
中合金铬系热作模具钢从室温到650℃既具有较高强度，又保持较高的韧性，并具有良好的抗热疲劳性能和热稳定性，在中温下有良好的抗氧化和耐液态金属冲蚀性能。
中合金铬系模具钢广泛用在铝合金压铸摸、热挤压模、热剪切模、精密锻造模及各种冲击和急冷条件下工作的模具，成为主要的热作模具钢钢种。
如45Cr5MoSiV1：要求700℃时屈服强度320MPa，1020-1050℃淬火，620-650℃回火，HRC45；580-600℃回火，HRC48-50。组织为回火M+K。
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