第四章工具钢

第四章工具钢 第一节刃具钢第二节模具钢第三节量具钢

工具钢：制造刃具、模具、量具等各类工具 。高速铣刀车削加工铣削加工车刀

刃具钢 工具钢模具钢量具钢刃具模具量具 • 按用途分类

碳素工具钢材料 • 按成分分类碳素工具钢工具钢低合金工具钢高速钢高速钢铣刀低合金工具钢制品

第一节刃具钢 • 刃具钢的性能要求 1. 高硬度(≥HRC60), 主要取决于含碳量。 2. 高耐磨性, 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。 3. 足够的韧性, 以防止脆断和崩刃。 4 . 高热硬性, 即钢在高温下（500～600℃）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。

碳素工具钢（T7-T13） • 碳素工具钢的特点 • W(C):0.65～1.35％，经不完全淬火和低温回火，硬 • 度在HRC58～64之间； • 2）作低速切削的刃具，工作温度＜200℃ ； • 3）淬透性差，易淬火变形或开裂； • 4）成本低，加工性能好。

碳素工具钢的热处理 正火 + 球化退火 + 淬火 + 低温回火 1）碳素工具钢须经球化退火（预先热处理）以降低硬度便于切削加工、并为淬火作组织准备；若锻造组织不良（如网状碳化物），则应在球化退火之前先进行正火处理，以消除网状碳化物。 2）最终热处理为淬火＋低温回火（回火温度一般为180 ～200℃），正常组织为回火马氏体＋细粒状渗碳体及少量残余奥氏体。

手锤木工凿木工钻 • 碳素工具钢的用途由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。 T7～T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。

锉刀丝锥钻头手锯条 T10～T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。 T12～T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。

丝锥板牙低合金工具钢扳手 • 低合金刃具钢在碳素工具钢基础上添加Si、Mn、Cr、W、Mo、V 等合金元素（总含量＜5％），以提高工具钢的综合性能。

成分特点 1）高碳：0.75～1.5%C，保证足够的碳化物存在； 2）合金元素的作用： ① 主要添加Cr、Mn、Si等，提高钢的淬透性（如Cr、 Mn、Si）和回火稳定性（如Si），可用油淬代替盐浴淬火，减少变形开裂； ② 次要元素W、V的添加，可在淬火加热时，形成合金渗碳体（较稳定），阻碍奥氏体晶粒长大，改善钢的韧性(如W、V)。

低合金刃具钢的热处理 同于碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。最终热处理的正常组织为回火马氏体＋细粒状合金渗碳体及少量残余奥氏体。由于添加的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250℃。因此这类钢仍然属于低速切削刃具钢，其热处理工艺如下表所示。

高速钢铣刀 • 高速刃具钢 • 性能特点 1）高的热硬性：它可使刀具在高速切削时，刃部温度上升到600℃，其硬度仍然维持在55～60HRC以上； 2）高硬度和高耐磨性：使切削时刀刃保持锋利（故也称 “锋钢”）； 3）淬透性优良：在空气中冷却也可得到马氏体。广泛用于尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速切削刀具。

成分特点（教材P64） 1）C0.70%～1.5%：强化基体并形成各种碳化物来保证钢的硬度、耐磨性和热硬性； 2）Cr4.0%左右：提高淬透性和回火稳定性，增加钢的抗氧化、耐蚀性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用； 3）W、Mo：产生二次硬化保证钢的热硬性，也有提高淬透性和热稳定性、并进一步改善钢的硬度和耐磨性的作用 4）V：形成细小稳定的VC来细化晶粒，同时也有加强热硬性、进一步提高硬度和耐磨性的作用；

利用高速钢制作刃具的加工工艺路线 下料→锻造→退火→机加工→淬火（→冷处理） →回火 →磨削（→表面强化处理） 5）Co、Al：是超硬高速钢中的非碳化物形成元素，能进一步提高钢的热硬性和耐磨性。 6）其他微量元素：N元素可提高抗弯强度和韧性，增大淬火回火硬度和热硬性。稀土元素可降低S在晶界的偏聚，明显改善热塑性。

W18Cr4V钢的铸态组织 • 高速钢的锻造高速钢属于莱氏体钢，故铸态组织中有大量的不均匀分布的粗大的鱼骨状共晶碳化物，难于通过热处理来改善，显著降低钢的强、韧性，引起工具的崩刃和脆断，故要求进行严格的锻造以改善碳化物的形态与分布。

其锻造要点有： “两轻一重”—即开始锻造和终止锻造时要轻锻，中间温度范围要重锻； “两均匀”—即锻造过程中温度和变形量的均匀性； “反复多向锻造”等。高速车削

高速钢的热处理 球化退火(预先热处理降低硬度207～255HB) （机械加工） 淬火 冷处理(－80℃左右)减少残余奥氏体 高温回火(550～570℃高温回火2～4次)

1、退火：高速钢经煅轧后，钢材需退火处理。1、退火：高速钢经煅轧后，钢材需退火处理。由于在860～870℃退火时，大部分碳化物未溶解进入奥氏体，此时奥氏体中合金元素的含量不多，冷却时易转化为粒状珠光体和剩余碳化物。

2、淬火：高速钢的淬火温度在1200～1300℃左右，一般用油淬空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火。2、淬火：高速钢的淬火温度在1200～1300℃左右，一般用油淬空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火。

高速钢淬火后的正常显微组织是：细小的奥氏体晶粒的晶界上弥散分布着碳化物微小颗粒。高速钢淬火后的正常显微组织是：细小的奥氏体晶粒的晶界上弥散分布着碳化物微小颗粒。

3、回火：目的是从马氏体中析出弥散碳化物，产生次生硬化效应和消除残余奥氏体和淬火内应力。3、回火：目的是从马氏体中析出弥散碳化物，产生次生硬化效应和消除残余奥氏体和淬火内应力。

三次回火工艺，以保证完全消除残余奥氏体以及新三次回火工艺，以保证完全消除残余奥氏体以及新产生马氏体引起的内应力。

W18Cr4V在560℃回火时，W2C、Mo2C和VC等碳化物的析出产生二次硬化效应，硬度达到最大值。

高速钢的表面强化处理 表面强化处理可有效地提高高速钢刀具的切削效率和寿命，因而受到了普遍重视和广泛的应用。可进行的表面强化处理方法很多，常见的主要有： 1）表面化学热处理（如渗氮） 2）表面气相沉积(化学、物理气相沉积TiN涂层) 2）激光表面处理 (刀具寿命可提高百分几十到几倍甚至十倍以上)

汽车冲压模具 第二节模具钢模具是用于进行压力加工的工具，根据其工作条件及用途不同，常分为冷作模具、热作模具和成形模具（其中主要是塑料模）等三大类。

冷冲压件 • 冷作模具钢 • 工作条件和性能要求 1）工作温度200～300℃； 2）模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用； 3）模具应具有高硬度、高耐磨性、高强度和足够韧性； 4）冷作模具对淬透性、耐磨性尤其对韧性要求较高。因此，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。

Cr12钢 • 常用的冷作模具钢 1）碳素工具钢(T10、T10A) [尺寸较小的冷作模具钢] 2）低合金工具钢(9SiCr、9Mn2V) [中小尺寸模具钢] 3）中、高铬模具钢(Cr12、Cr12MoV) [尺寸大、形状复杂、精度高的重载模具] 4）高速钢类模具钢(W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V) [冷、热模具钢均可]

冷作模具钢的制作工艺(Cr12、Cr12MoV) 下料  锻造  退火  机械加工  淬火  回火  精磨或电火花加工  成品

热作模具钢 • 工作条件和性能要求 1）工作温度高（热锻模：300～400℃；热挤压模：500～ 800℃，甚至近1000℃）； 2）模具在交替加热冷却的温度循环中产生交变热应力，常出现变形、磨损、开裂和热疲劳等失效形式； 3）模具应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。

热镦模 曲轴模具凸缘模热模锻曲轴毛坯

常用热作模具钢

型板压铸模 压铸工艺

热作模具钢的制作工艺（4Cr5MoSiV1） 下料 锻造 退火 机械加工 淬火 回火 精加工

量具是度量工件尺寸形状的工具，是计量的基准，如卡尺、块规、塞规及千分尺等。量具是度量工件尺寸形状的工具，是计量的基准，如卡尺、块规、塞规及千分尺等。卡尺千分尺塞规第三节量具钢

矩形花键环规、塞规 由于量具使用中常与工件的摩擦与碰撞，且本身须具备极高的尺寸精度和稳定性。 1）高硬度（58～64HRC）和高耐磨性。 2）高的尺寸稳定性（要求组织稳定性高）。 3）一定的韧性和特殊环境下的耐蚀性。光面量规

量具钢的热处理特点 1）淬火加热时进行预热，以减小变形，这对形状复杂的量具更为重要。 2）在保证力学性能的前提下降低淬火温度，尽量不采用等温淬火或分级淬火工艺，减少残余奥氏体的生成。 3）淬火后立即进行冷处理(-80℃)减小残余奥氏体量，延长回火时间，回火或磨削之后进行长时间的低温时效处理等。

第四章 工 具 钢