工具钢性能

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。