《工程材料及熱處理》課件-6.2 合金工具鋼

工程材料—材料學機電工程學院6.2合金工具鋼

合金工具鋼按用途分為：

刃具鋼模具鋼量具鋼如圖所示的刃具、量具和模具零件，實際應用界限并非絕對。量具刃具模具一、合金刃具鋼

（重點內容）

（一）

用途

主要用于制造各種金屬切削刀具，如車刀、銑刀、鉆頭等。

英制模板刀車刀銑刀鉆頭

（二）性能要求

切削時刃部與切屑之間強烈摩擦發熱，刃部溫度可達500℃～600℃；承受沖擊和震動。

1.高硬度一般在60HRC以上。

2.高耐磨性與鋼的硬度、鋼中硬質點的性質、數量、大小和分布有關。

3.高熱硬性（紅硬性）

鋼在高溫下保持高硬度的能力。

4.足夠的塑性和韌性防止刃具受沖擊震動時折斷和崩刃。

（三）成分特點

1.低合金刃具鋼

最高工作溫度不超過300℃

①高碳

碳質量分數為0.9%～1.1%，以保證高硬度和高耐磨性。②加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素

Cr、Mn、Si提高鋼的淬透性，Si還能提高鋼的回火穩定性；

W、V提高硬度和耐磨性，并防止加熱時過熱，保持細小的晶粒。2.高速鋼

高合金刃具鋼，有很高的熱硬性。①高碳

w(C)在0.70%以上，最高達1.5%左右，與W、Cr、V形成足夠的碳化物；部分碳溶于奧氏體，保證馬氏體的高硬度。②加入Cr、W、Mo、V等合金元素

Cr提高淬透性。

W、Mo保證高的熱硬性。退火狀態W、Mo以M6C型碳化物存在，淬火后溶于馬氏體中，在560℃回火時，形成W2C或Mo2C彌散分布，造成二次硬化。使鋼具有很高的熱硬性。

V提高耐磨性，細化晶粒。(四)鋼種及牌號

1.低合金刃具鋼

典型鋼種為9SiCr。w(C)0.9%、w(Si)1.4%、w(Cr)1%加工過程：球化退火、機加工，然后淬火和低溫回火。

熱處理后的組織：回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體。

應用：制造低速切削刃具，如絲錐、板牙，如圖所示的圓板牙。圓板牙2.高速鋼

W18Cr4V

w(C)0.75%、w(W)18%、w(Cr)4%、w(V)1.2%、

W6Mo5Cr4V2

w(C)0.85%、w(W)6%、w(Cr)4%、w(V)2%、W18Cr4V鋼的熱硬性較好,熱處理時的脫碳和過熱傾向較小。

W6Mo5Cr4V2鋼的耐磨性、熱塑性和韌性較好。

高速鋼鑄態組織中含有大量呈魚骨狀分布的粗大共晶碳化物（M6C），需要多次鐓拔，得到小塊均勻的碳化物。

高速鋼熱處理特點

淬火溫度高：一般為1220℃～1280℃

回火溫度高、多次：550℃～570℃回火三次

W18Cr4V鋼的熱處理工藝過程示意圖如圖所示。W18Cr4V鋼的熱處理工藝過程示意圖高速鋼硬度與回火溫度的關系

W18Cr4V熱硬性好，在600℃仍保持650HV(56HRC)的高硬度。

T12、9SiCr、W18Cr4V的硬度與溫度的關系

W18Cr4V的熱硬性

高速鋼回火后的組織：

回火馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。

高速鋼淬火、回火后的組織應用：制造高速切削刃具（車刀、銑刀、鉆頭），也用來制造冷作模具。

二、合金模具鋼

（一）冷作模具鋼

1.用途

制造冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模和拉絲模等，工作溫度不超過200℃～300℃。

2.性能要求

冷模具工作時承受很大的壓力、彎曲力、沖擊載荷和摩擦。主要失效形式是磨損，常出現崩刃、斷裂和變形等失效現象。

①高硬度，一般為58HRC～62HRC;

②高耐磨性;

③足夠的韌性和疲勞抗力;

④熱處理變形小。

3.成分特點

①高碳

碳質量分數多在1.0%以上，個別鋼種達到2.0%，以保證高的硬度和高耐磨性。

②加入Cr、Mo、W、V等合金元素

形成難熔碳化物，提高耐磨性。典型鋼種是Cr12型鋼，鉻的含量高達12%。鉻與碳形成M7C3型碳化物，能極大提高鋼的耐磨性，鉻還顯著提高鋼的淬透性。4.鋼種和牌號

●9Mn2V、9SiCr、CrWMn

要求不高的冷作模具用低合金刃具鋼制造。熱處理與刃具鋼相同。

●Cr12大型冷模具用鋼，熱處理變形很小，制造重載和形狀復雜的模具。

冷擠壓模工作時受力很大，條件苛刻，選用基體鋼（成分與高速鋼基體相同）或馬氏體時效鋼制造。Cr12鋼熱處理①一次硬化法

950℃～1000℃淬火，150℃～180℃回火，硬度達61HRC～64HRC，鋼有較好的耐磨性和韌性，用于重載模具。②二次硬化法

1100℃～1150℃淬火，510℃～520℃三次回火，二次硬化，硬度達60HRC～62HRC，紅硬性和耐磨性都較高，但韌性較差。用在400℃～450℃溫度下工作的模具。組織：回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體(二)熱作模具鋼1.用途

制造熱鍛模、熱壓模、熱擠壓模和壓鑄模等，工作時型腔表面溫度可達600℃以上,如圖所示的熱作模具。2.工作條件和性能要求

承受很大的沖擊載荷、強烈的摩擦、熱應變和熱應力，高溫氧化，出現崩裂、磨損、龜裂等失效形式。①高的熱硬性和高溫耐磨性；

②高的抗氧化性能；

③高的熱強性和足夠的韌性，尤其是受沖擊較大的熱鍛模鋼；

④高的熱疲勞抗力，以防止龜裂破壞；

⑤有高的淬透性和導熱性。3.成分特點

①中碳

碳質量分數一般為0.3%～0.6%，保證高強度、高韌性、較高的硬度（35HRC～52HRC）和較高的熱疲勞抗力。②Cr、Ni、Mn、Si等

Cr主要提高淬透性，和Ni一起提高回火穩定性。Ni強化鐵素體，增加鋼的韌性，與Cr、Mo一起提高鋼的淬透性和耐熱疲勞性能。③Mo、W、V等元素

產生二次硬化。Mo還能防止第二類回火脆性，提高高溫強度和回火穩定性。4.鋼種和熱處理

●5CrMnMo

w(C)0.5%、w(Cr)0.7%、w(Mn)1.4%、w(Mo)0.25%、

5CrNiMow(C)0.5%、w(Cr)0.7%、w(Ni)1.6%、w(Mo)0.25%、

制造對韌性要求高而熱硬性要求不太高的熱鍛模。熱鍛模鋼熱處理：和調質鋼相似，830℃～850℃淬火后高溫（490℃～650℃左右）回火。組織：回火屈氏體或回火索氏體。●4Cr5MoSiV、5Cr4W5Mo2V

制造熱強性更好的大型鍛壓模或壓鑄模。

熱壓模鋼熱處理：

1000℃～1100℃淬火

600℃左右回火。為保證熱硬性，要進行多次回火。組織：與高速鋼類似。回火馬氏體、粒狀碳化物和少量殘余奧氏體

三、量具用鋼

（一）

用途

量具用鋼用于制造各種量測工具，如卡尺、千分尺、螺旋測微儀、塊規、塞規等，如圖所示。螺紋規

游標卡尺千分尺量規

（二）性能要求

量具在使用過程中要求測量精度高，不能因磨損或尺寸不穩定影響測量精度。

(1)高硬度（大于56HRC）和高耐磨性；

(2)高尺寸穩定性熱處理變形要小，在存放和使用過程中，尺寸不發生變化。

（三）成分特點

量具用鋼的成分與低合金刃具鋼相同。高碳（0.9%～1.5%）。加入提高淬透性的元素Cr、W、Mn等。

（四）

量具用鋼

●T10A、T12A、9SiCr

制造尺寸小、形狀簡單的量具。

●CrWMn

淬透性較高，淬火變形小，制造高精度且形狀復雜的量規和塊規。

●GCr15

耐磨性、尺寸穩定性較好，制造高精度塊規、螺旋塞頭、千分尺。

●9Cr18、4Cr13

在腐蝕介質中使用的量具。

（五）熱處理特點

減少變形和提高尺寸穩定性。在淬火和低溫回火時要采取措施提高組織的穩定性。(1)降低淬火溫度，減少殘余奧氏體。(2)淬火后立即進行-70℃～-80℃的冷處理，使殘余奧氏體盡可能地轉變為馬氏體，然后進行低溫回火。(3)在淬火、冷處理和低溫回火后，進行120℃～130℃、幾小時至幾十小時的時效處理，使馬氏體正方度降低、殘余奧氏體穩定和消除殘余應力。