河北工業(yè)大學金屬材料學課件教材

第5章工模具用鋼按其用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。刃具鋼可分為碳素鋼、低合金工具鋼和高速工具鋼。模具鋼根據(jù)工作狀態(tài)可分為熱作模具鋼、冷作模具鋼和塑料模具鋼。量具鋼用來制作量規(guī)、卡尺、樣板等．用來測量工件尺寸和形狀.

5.1概述

1、工具鋼成分與性能特點主要矛盾

韌度和耐磨性間的合理平衡→基體成分和K的性質、數(shù)量、形態(tài)和分布。成分組織

一般含

0.6~1.3%C→M+足夠數(shù)量K。M硬度高、切斷抗力較高、耐磨性好。什么

M?Cr、W、Mo、V等:↑耐磨性和熱穩(wěn)定性,淬透性；

Mn、Si輔助加入:↑淬透性，回穩(wěn)性第二相K→球狀、細小、均勻分布。工藝特點

鍛造→球化退火→不完全淬火淬火工藝參數(shù)要求嚴格。變形開裂傾向工藝措施熱應力組織應力變形開裂

分級加熱、分級淬火、等溫淬火、雙液淬火;零件設計與其他工藝措施等2、工具鋼基本性能及檢測方法

強度塑性

靜彎或扭轉試驗→彎曲強度、撓度和扭轉強度、扭轉角；韌度硬度熱穩(wěn)定性

一般采用無缺口沖擊試樣

一般硬度60HRC以上，K可適當↑硬度2~3HRC

對高速鋼，通常就是紅硬性淬透性

斷口法→碳素工具鋼和低合金工具鋼；端淬法→合金工具鋼，以端淬曲線上

60HRC處距水冷端距離表示。淬透性作用強弱順序：

Si、Mn、Mo、Cr、NiMe↑淬透性,只有溶入A中，才起作用；Me作用隨鋼中含碳量而變化，如Si。工具鋼淬透性隨熱處理條件而變化,如V

注意點Si對不同含C量鋼的淬透性影響

V在不同淬火溫度時對淬透性的影響

5.2碳素鋼及低合金工具鋼

1、碳素工具鋼

T7~T13做低速切削的刃具和簡單的冷沖模。淬透性低，斷面尺寸小于15mm的工具。

T7有較好塑韌性，宜做受沖擊的刃具，如鑿子等；

T8易過熱，制造形狀簡單的木工工具等；

T10、T12耐磨性較好，強度高，但韌度低，制造不受沖擊或沖擊較小形狀簡單的工具，如車刀、銑刀等

淬火冷卻方式常用水-油雙液淬火、分級淬火.

成本低、工藝性能好、用量大。2、低合金工具鋼

淬火工藝T淬為Ac1+30~50℃油冷，熔鹽分級淬火，等溫淬火(B等溫淬火)

一般組織含碳量0.5％~0.6％的M+未溶粒狀K合金化

Cr、Si、W、Mo、Mn

、V等元素，↑耐磨性和回穩(wěn)性，↑淬透性→采用緩冷方式，↓變形開裂

Cr:1%左右，細化K，均勻分布；↑淬透性;

Mn:主要↑淬透性;Si:↑低溫回穩(wěn)性，Si強化F,↓切削加工性,↑脫碳敏感性，不單獨加入；W:0.5~1.5%，W含量太多→K類型轉變，且使K分布不均勻，惡化性能。

V:↓過熱敏感性,細化晶粒,↑回穩(wěn)性合金元素具體作用9SiCr：①Si/Cr↑淬透性，D油<40mm；②Si/Cr↑回穩(wěn)性，~250℃回火，>60HRC；③K細小、均勻→不容易崩刃；④分級淬火或等溫淬火處理，變形較?。虎軸i使鋼的脫碳傾向較大。

適于制作形狀較復雜、變形要求小工件，特別是薄刃工具，如絲錐、扳牙、鉸刀等。CrWMn：

①Cr、W、Mn復合，↑淬透性，D油=50~70mm；②AR在18~20%，淬火后變形小；③含Cr、W碳化物較多且較穩(wěn)定，晶粒細小→高硬度、高耐磨性；④回穩(wěn)性較好，>250℃回火，<60HRC；⑤W使碳化物易形成網(wǎng)狀。

適于制作要求變形小、耐磨性高的工件，如拉刀等，也可做量具及形狀較復雜的高精度沖模。

9CrWMn

1898年就有含W鋼，1910年生產(chǎn)了W18Cr4V。近幾十年來，高速鋼的產(chǎn)量、品種和質量都有了很大的發(fā)展。按照其成分和性能特點可分為以下幾類：⑴鎢系高速鋼：典型牌號18-4-1，美M1，俄P18。⑵鎢鉬系高速鋼：如6-5-4-2，美M2，目前應用普遍。⑶含鈷高速鋼：如W18Cr4VCo5,紅硬性高。⑷超硬高速鋼：典型牌號為W6Mo5Cr4V2Al。具有65~70HRC高硬度、高紅硬性特點，成本比鈷高速鋼低。鎢系和鎢鉬系稱為通用型高速鋼，而把其它類型稱為特殊用途高速鋼或高性能高速鋼。5.3高速鋼

上左:直、錐柄加長麻花鉆上右:整體硬質合金鉆頭銑刀、鉸刀、復合刀具及非標準刀具下右:各種合金車刀對焊高速鋼錐柄鉆頭高速鋼45鋼高速鋼直柄麻花鉆一、高速鋼中合金元素的作用

C定比碳經(jīng)驗規(guī)律設計→最大二次硬化效應

C%＝0.033%W+0.063%Mo+0.20%V+0.060%Cr→合金元素之間的相對控制法.必須解決成分-性能間數(shù)學模型,控制參數(shù)的數(shù)值范圍.一般高速鋼含C量0.7~1.3%(質量分數(shù))作用規(guī)律C↑:↑硬度,但↓熔點,易過熱;↑K量,↑不均勻性;↑AR→↑回火次數(shù);V

V

顯著↑紅硬性、↑硬度和耐磨性，細化晶粒，↓過熱敏感性。以VC存在.WMo

鎢是鋼獲得紅硬性的主要元素。M6C型K，回火時析出W2C；W↓↓熱導率→鋼導熱性差鉬和鎢相似，1％Mo可取代1.5~2.0％WCr

Cr

加熱時全溶，保證鋼淬透性，4％Cr。改善抗氧化能力、切削能力Co

Co可顯著提高鋼的紅硬性，5、8和12％三個級別。但↓鋼韌性、↑鋼脫碳傾向微量元素

微量氮增加硬度和熱硬性，一般~0.10％。稀土可明顯改善熱塑性,↓硫在晶界的偏聚二、高速鋼中的碳化物

鑄態(tài)組織淬火態(tài)魚骨狀萊氏體（Ld）、黑色組織（δ共析體等）和白亮組織（M+AR）

加熱時，K溶解順序為：

M7C3\M23C6型在1000℃左右溶解完→

M6C型在1200℃時部分溶解→MC型比較穩(wěn)定，在1200℃時開始少量溶解?；鼗饝B(tài)

主要為M6C(淬火殘留)、MC(回火時析出和淬火殘留)、M2C(回火析出)等K.高速鋼的鑄態(tài)組織(400X)K不均勻性結果①各向異性；②形變時易應力集中開裂；③熱處理工藝性變壞關鍵是必須經(jīng)過正確的鍛造

控制終鍛溫度；用合適的鍛壓比；鍛造時先輕錘快打，后重錘鍛打；

鍛后要緩慢冷卻；鍛后進行退火。三、高速鋼的熱處理三、高速鋼的熱處理預熱:高速鋼工具一般在高溫鹽浴爐中加熱，速度較快，常采用一次或多次預熱

為什么？

預熱有什么作用？高速鋼導熱性差,加熱溫度又高,預熱—①↓淬火加熱過程中的變形開裂傾向；②縮短高溫保溫時間，減少氧化脫碳；③準確地控制爐溫穩(wěn)定性?？刹捎靡淮晤A熱和二次預熱。思考題:

高速鋼Ac1在820~840℃范圍，但其淬火加熱溫度必須在Ac1+400℃以上,

為什么？兩種高速鋼基體合金含量與奧氏體化溫度的關系過熱過燒欠熱

T淬過高，晶粒長大，K溶解過多，K發(fā)生角狀化；奧氏體中合金度過高，冷卻時易在晶界上析出網(wǎng)狀K。溫度再高→晶界熔化→鑄態(tài)組織特征，主要為魚骨狀共晶萊氏體及黑色組織。淬火溫度較低，大量K未溶,且晶粒特別細小。淬火溫度：精確控制可以從金相組織上初步判斷工藝因素

W18Cr4V高速鋼不同淬火溫度下的組織特征正常淬火組織(400X)

欠熱組織(400X)

過熱組織(400X)

過燒組織(200X)

確定淬火溫度時，還需要考慮下列因素：（1）不同工作條件，淬火溫度應有所區(qū)別如車刀→高硬度和紅硬性→采用較高T淬；中心鉆→強韌度好→采用較低的T淬

.（2）形狀、尺寸不同，T淬有不同形狀復雜（如鋸片、細長拉刀等）和厚薄懸殊刀具（如三面刃銑刀等）→較低T淬。形狀簡單的工具可采用較高T淬。尺寸較小和尺寸很大的刀具→較低T淬；（3）原材料級別也有影響

K不均勻性大的原材料→低的T淬。一般情況，過熱和過燒的危害比欠熱要大確定保溫時間基本原則：

一定量K溶入奧氏體，而晶粒不長大。對于一定的T淬，有一個合適的保溫時間。淬火冷卻：冷卻很重要，方式也很多，可根據(jù)工具不同情況進行選擇。分級淬火

常用一次分級或多次分級方法。?80%高速鋼工具是采用一次分級淬火，分級溫度常在600℃左右，停留時間嚴格控制，一般＜15min。多次分級適用于形狀特殊、極易變形的工具。等溫淬火

采用貝氏體等溫淬火可↑工具的強度、韌度和切削性能?！行你@及儀表刀具等在使用中發(fā)生斷頭、崩刃等現(xiàn)象.

思考題:

高速鋼在分級淬火時，為什么不宜在950~675℃溫度范圍停留過長的時間?

W18Cr4V鋼在1300℃奧氏體化后過冷奧氏體等溫轉變曲線

回火：高速鋼一般需要在560℃左右三次回火淬火態(tài)

M+大約30%AR+K回火Ⅰ

M回

+M+>10%AR+K1回火Ⅱ回火Ⅲ

M回

+M+少量AR+K2

M回

+AR

（少量）+K3（K1

等以示區(qū)別）W18Cr4V高速鋼回火次數(shù)與殘余奧氏體量（a）和性能（b）的關系

W18Cr4V鋼回火一次金相組織（400X）

W18Cr4V鋼回火三次的金相組織（400X）

5.4冷作模具鋼

金屬在冷態(tài)下變形

拉延、沖壓、冷鐓或冷擠成形等共同特點

工作T不高，模具主要承受高壓力或沖擊力，有強烈的摩擦

主要技術要求為具有高硬度和耐磨性，有一定韌性技術要求一、低合金工具鋼

常用低合金工具鋼有9Mn2V、CrWMn

、GCr15、9SiCr等。和碳素工具鋼相比，這類鋼的淬透性比較高，熱處理變形較小，耐磨性也較好，所以可制造工具尺寸較大、形狀比較復雜、精度要求相對較高的模具。

9Mn2V特點：

①Mn↑淬透性，D油=~30mm；②Mn↓↓MS，AR約20~22%，變形小；③V能克服Mn缺點,↓過熱敏感性，細化晶粒；④硬度稍低，回穩(wěn)性較差→200℃以下回火；⑤VC使鋼的磨削性能變差。各種類型的中小冷作模具都可采用。二、高鉻和中鉻模具鋼

1、高碳高鉻模具鋼

主要有Cr12、Cr12MoV鋼。

Cr12MoV鋼具有高淬透性，截面200~300mm

以下可以完全淬透。Cr12MoV鋼主要制造大尺寸、形狀復雜、承受載荷較大的模具，曾經(jīng)有“冷作模具王牌”之稱。成分特點：

高碳（1.4%-2.3%）；高Cr（11.5%-13%）合金元素特點：Cr：↑淬透性，Mo，V：↑耐磨性，細化晶粒Cr12型鋼的熱處理Cr12型鋼的淬火

組織變化特點一：

選擇T淬和回火溫度來控制工具的變形。

調節(jié)淬火溫度：↑T淬→↑AR→↓體積V→一定程度可抵消M轉變所引起的脹大；調節(jié)回火溫度：

<300~400℃，M分解而尺寸縮?。?gt;450℃，AR轉變?yōu)镸→體積↑

組織變化特點二：

隨T淬升高，K溶解量增加，奧氏體合金度增加，淬火后殘余奧氏體增加，硬度下降。淬火溫度的波動可引起組織和性能的較大變化。一次硬化法

低淬和低回→晶粒細小，強韌性好。980~1030℃淬火×150~170℃回火，硬度為61~63HRC，殘奧量少。12％左右未溶（Cr，F(xiàn)e）7C3碳化物。一次硬化法使用較普遍二次硬化法

1050~l100℃×500℃左右多次回火，硬度回升到60~62HRC。熱硬性較好，強韌性較低。二次硬化法適合于工作溫度比較高（400~500℃）且受載荷不大或淬火后表面需要氧化處理的模具。Cr12MoV鋼二次硬化處理2、高碳中鉻模具鋼

Cr5Mo1V（美A2）是值得推廣的空冷淬硬冷作模具鋼，是國際上通用的鋼種。φ100mm以下可空冷淬硬，適用于形狀復雜、要求熱處理變形小又需要好的耐磨性和良好韌度的冷作模具，如下料模、成形模、沖頭、剪刀片等。

典型鋼號：Cr4W2MoV和Cr5Mo1V。K以M7C3型為主，分布較均勻，具有耐磨性好和熱處理變形小的特點，適于制造既要求有高的耐磨性，又具有一定韌度的模具。5.5熱作模具鋼

使熱或液態(tài)金屬獲得所需形狀

模具是在反復受熱和冷卻條件下工作.模具受熱時間越長，受熱程度就越嚴重.

許多模具還受到較大沖擊力。工作條件苛刻

模具鋼應具有高抗熱塑性變形能力、高韌性、高抗熱疲勞、良好的抗熱燒蝕性服役條件技術要求

鋼碳含量質量分數(shù)一般在0.3~0.6%，還加入Cr、Mo、W、Si、Mn、V等合金元素，以提高鋼的各種性能。根據(jù)工作條件熱作模具鋼可分為三大類：熱錘鍛模具鋼，熱擠壓、熱鐓鍛及精鍛模具鋼和壓鑄模用鋼。5.5一、熱錘鍛模鋼

服役條件性能要求1）反復冷、熱→龜裂、熱疲勞

↑熱疲勞抗力→↑A1，↓硬度是有利的；2）表層溫度~500℃,沖擊力大↑熱強性\韌度→高溫回火；→消除回脆,整體性能好；3）強烈摩擦磨損↑模具高溫耐磨性4）模具尺寸比較大淬透性好，導熱性好2、成分特點

C：一般在0.45~0.60%，以保證一定硬度和沖擊韌度。

Cr：一般1%左右，↑淬透性，↑回穩(wěn)性，改善AK；

Ni：能↑↑AK

，和Cr共同作用↑↑鋼淬透性；

Mn：主要代Ni，但Mn↑過熱敏感性和回火脆性。

Si：能↑強度、回穩(wěn)性和耐熱疲勞性，Si量<1%。

Mo、V：有效地細化晶粒，↓過熱傾向，↑回穩(wěn)性。

Mo（W）最重要的作用是↓↓鋼的回火脆性.所以，不但熱錘鍛模鋼都含有Mo元素，其他熱作模具鋼也都用Mo（W）合金化。使用最廣泛的是5CrNiMo和5CrMnMo鋼。3、工藝特點硬度要求：小型模硬度要求在40~44HRC，相對較高；大型模硬度在35~38HRC為宜，相對較低。鍛模模面：大中型模36~42HRC，較高；鍛模模尾：大中型模30~35HRC，較低。思考：鍛模模面和模尾硬度不同，在工藝上有什么措施?

工藝要求：

注意保護模面和模尾，以避免脫碳。加熱要注意預熱，450左右預熱，升溫速度要慢,<50℃/h；冷卻要注意預冷，預冷到780℃左右，循環(huán)油冷，冷至150~200℃取出；淬火后必須立即回火，絕對不允許冷至室溫。

思考：為什么?熱處理工藝：5CrNiMo5\CrMnMo:T淬

830~860℃;T回450~580℃左圖強度和韌度與T回的關系右圖硬度與T回的關系上圖鍛模加熱時的保護右圖鹽浴中燕尾部分的回火二、熱擠壓模鋼

和熱錘鍛模相比，熱擠壓模在工作時需要較長時間與被變形加工的金屬接觸，其受熱的溫度往往更高。熱擠壓模還承受很大的應力和摩擦力。這類模具的尺寸一般都不大，比錘鍛模要小。熱擠壓模主要要求有高的熱穩(wěn)定性、較高的高溫強度、耐熱疲勞性和高的耐磨性。有鉻系、鎢系和鉬系熱模具鋼三類。鉻系：

4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2SiV等常用。淬透性較高，較高的強度和韌度，抗氧化性較好。常用于