合金工具钢

合 金 工 具 钢
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1．小型冷作模具钢
冷作模具钢的化学成分、热处理特点也
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基本上与刃具钢相似。对于小型冷作模
具，可用碳素工具钢和低合金刃具钢制
造。如 T10A、9SiCr、 CrWMn、
9Mn2V等。其热处理一般是球化退火、
淬火和低温回火 .
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２．大型冷作模具钢（Cr12型钢） （1）成分 对于大型模具常用Cr12型钢制造。Cr12型钢 是最常用的冷作模具钢，牌号有Cr12和 Cr12MoV等。 其成分特点是高碳高铬（ ωC =1.45％~2.3％、
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（二）热作模具钢 热作模具钢用于制造在受热状态下对金属进 行变形加工的模具，如热锻模、热挤压模、 压铸模等。这类模具在工作中除承受较大的 冲击载荷、很大的压力、弯曲力外，还受到 炽热金属在模腔中流动所产生的强烈摩擦力， 同时还受到反复的加热和冷却。因此，要求 热作模具钢应具有高的热硬性和高温耐磨性， 良好的综合力学性能，高的热疲劳强度和较 好的抗氧化能力，同时还要求具有高的淬透 性、导热性。
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图6-5 W18Cr4V钢的淬火、回火工艺曲线
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图6-6 W18Cr4V钢淬火后 的组织（400×）
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（3）回火。 高速钢淬火后应立即回火，一般性550～
570℃回火三次。
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本次课主要讲解合金工具钢的成分特
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点、性能特点及应用，通过本次课的 学习，同学们将了解各种常用的合金
工具钢。
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一、合金刃具钢
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二、合金模具钢
三、合金量具钢
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一、合金刃具钢
合金刃具钢主要用来制造刀具，如车刀、
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合 金 工 具 钢 量具用钢没有专用钢种。对于形状简单、尺 寸较小、精度要求不高的量具（如简单卡规、 低精度量块等），可用碳素工具钢T10A、 T12A制造；或用渗碳钢（20、15Cr等）制 造，并经渗碳淬火处理；或用中碳钢（50、 60钢等）制造，并经高频表面淬火处理。精 度要求高或形状复杂的量具，一般用合金工 具钢或滚动轴承钢（如9SiCr、Cr2、CrWMn、 GCr15等）制造。
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合 金 工 具 钢 （2）淬火。 高速钢的淬火加热温度很高（1200～1300℃）， 目的是为了使碳化物尽可能多地溶入奥氏体， 从而提高淬透性、回火稳定性和热硬性。由于 高速钢的导热性较差，故淬火加热时必须进行 一至二次预热。如图 6-5所示。 高速钢淬火后的组织是隐晶马氏体、粒状碳化 物及 25％左右的残余奥氏体，如图6-6所示。
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2．热处理和应用
刃具毛坯锻造后的预先热处理采用球化退火，
切削加工后的最终热处理采用淬火和低温回火。
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最终热处理后的组织为细回火马氏体、粒状合 金碳化物及少量的残余奥氏体，一般硬度可达 60～65HRC。
9SiCr是最常用的低合金刃具钢，被广泛用来
制造各种薄刃工具，如板牙、丝锥、铰刀等。
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（3）热处理
Cr12型钢的最终热处理有两种方法。一种是
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低温淬火（980℃）和低温回火法（170℃） （也叫一次硬化法）。这种方法可使模具获 得高硬度和高耐磨性，淬火变形小。一般承 受较大载荷和形状复杂的模具采用此法处理。
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另一种热处理方法是高温淬火（1100℃） 和高温（510～520℃）多次回火法（也 叫二次硬化法）。这种方法能使模具获得 高的热硬性和耐磨性，但韧性较差。一般 承受强烈摩擦，在400～450℃条件下工 作的模具适用此法。Cr12型钢经淬火及回 火后的组织为回火马氏体、粒状碳化物和 少量残余奥氏体。
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图6-7 W18Cr4V钢淬火回火 后的组织（400×）
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4．常用的高速钢
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高速钢的种类很多，应用最多的 有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和 W9Mo3Cr4V三种。
合 金 工 具 钢 二、合金模具钢 （－）冷作模具钢 冷作模具钢用于制造使金属在冷态下产生变形 的模具，如冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝 模等。这些模具在工作中要承受很大的压力、 弯曲力、冲击力和强烈的摩擦。因此，冷作模 具钢的性能要求与刃具钢相似，要求具有高的 硬度（58～62HRC）和耐磨性，足够的强度和 韧性，同时要求热处理变形小。
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ωCr＝11％～13％），具有高硬度、高强度
和极高的耐磨性，并具有极好的淬透性（油 淬直径达200mm），淬火变形小。但淬火后 残余奥氏体量较多。
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（2）锻造 Cr12型钢属于莱氏体钢，网状共晶碳 化物的不均匀分布将使模具变脆。因此， 要通过反复锻造来消除碳化物的不均匀 性。锻造后应缓冷，然后进行预先热处 理——球化退火，以消除锻造内应力、 降低硬度，为后续工序做准备。
合 金 工 具 钢 1．高速钢的成分特点
高速钢的含碳量较高， ωC在0.75％~1.60％的
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范围内，并含有大量的碳化物形成元素钨、钼、
铬、钒等。高的碳含量是为了在淬火后获得高 碳马氏体，并保证形成足够的碳化物，从而保 证其高硬度、高的耐磨性和良好的热硬性。 钼和钨提高热硬性，铬提高淬透性，钒提高硬
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量具的最终热处理主要是淬火和低温回火，目 的是获得高硬度和高耐磨性。 对于精度要求高的量具，为保证尺寸稳定性， 常在淬火后立即进行一次冷处理，以降低组织 中的残余奥氏体量。在低温回火后还应进行一 次稳定化处理 （100~150℃、24~36h），以 进一步稳定组织和尺寸，并消除淬火内应力。 有时在磨削加工后，还要在120～150℃保温 8h进行二次稳定化处理，以消除磨削产生的残 余内应力，从而进一步稳定尺寸。
铣刀、钻头、丝锥等。对刃具钢的性能 要求是：高的硬度和耐磨性，高的热硬 性，足够的强度、塑性和韧性。 合金刃具钢又分为低合金刃具钢和高速 钢两类。
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（一）低合金刃具钢
1．化学成分和性能
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低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上
加入少量合金元素的钢。其ωC ＝0.75
％～1.5％的范围内，以保证钢的淬硬
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（1）成分
热作模具钢一般是中碳合金钢，其ωC ＝0.3
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％～0.6％，以保证钢具有高强度、高韧性、较
高的硬度（35~52HRC）和较高的热疲劳强度。
加入的合金元素有锰、铬、镍、钨、钒等，主 要是提高钢的淬透性、回火稳定性和热硬 性．细化晶粒，同时还提高钢的强度和热疲劳 强度。
度耐磨性未溶的VC阻碍奥氏体晶粒长大.
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2．高速钢的锻造 高速钢铸态组织中含有大量的鱼骨状碳化
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物（见图6-4），分布很不均匀，显著降
低了钢的力学性能，特别是韧性。而且用
热处理方法不能根本改变碳化物的分布状
态，只能用反复锻造的方法将碳化物打碎，
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并使其尽可能均匀分布。锻造比最好大于
性和形成合金碳化物的需要。加入的合
金元素主要有硅、锰、铬、钨、钒等。
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其中硅、锰、铬的主要作用是提高钢 的淬透性，增加钢的强度；钨和钒形 成碳化物，细化晶粒并提高钢的硬度、 耐磨性和热硬性。因此，低合金工具 钢的淬透性比碳素工具钢好，淬火冷 却可在油中进行，使变形和开裂倾向 减小。但由于合金元素的加入量不大， 故钢的热硬性仍不太高，一般工作温 度不得高于300℃。
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（二）高速钢 用高速钢制作的刃具在使用时，能以比低 合金刃具钢刀具更高的切削速度进行切削， 因而被称为高速钢。它的特点是热硬性高 达600℃，切削时能长时间保持刃口锋利， 故又称为“锋钢”，并且还具有高的强度、 硬度和淬透性。淬火时在空气中冷却即可 得马氏体组织，因此，又俗称为“风钢”、 “白钢”
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本次课主要讲解了合金工具钢的成分 特点、性能特点及应用，本次课学习
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的内容，可以帮助同学们在今后的工 作中选择和使用工具钢。
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本次课结束
谢谢大家
在此温度范围内回火时，钨、钼、钒的碳化物
从马氏体和残余奥氏体中析出，呈弥散分布，
使钢的硬度明显上升；同时由于残余奥氏体转 变成马氏体，也使硬度上升，从而形成二次硬
化，保证了钢的高硬度、高耐磨性及热硬性。
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进行多次回火，其目的是为了逐步减
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少残余奥氏体的量和消除内应力。高 速钢回火后的组织为回火马氏体、粒 状碳化物和少量（体积分数为1％～ 2％）残余奥氏体，如图6-7所示，硬 度可达63～66HRC。
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（2）热处理 热锻模具钢的最终热处理与调质钢相似，
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淬火后高温（550℃左右）回火，以获 得回火索氏体—回火托氏体组织。
钢种5CrMnMo 、5CrNiMo
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热压模具钢的热处理是淬火后在略高于
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二次硬化峰值的温度（600℃左右）回 火2～3次，获得的组织为回火马氏体 和粒状碳化物，以保证模具的热硬性。 钢种3Cr2W8V
10，锻后必须缓冷，以免开裂。
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图6-4 高速钢的铸态组织
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3．高速钢的热处理 高速钢的热处理包括退火、淬火和回火，其 特点是退火温度低，淬火温度高，回火温度 高且次数多。 （1）退火。为了消除坯料在锻造时产生的内 应力，降低硬度，细化晶粒，为切削加工和 淬火作准备，高速钢在锻后必须及时进行球 化退火。退火温度为 Ac1＋ 30～50℃，退火 后的组织为索氏体和粒状合金碳化物，硬度 为207~255HBS。
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合 金 工 具 钢 三、合金量具钢
量具是用来测量和检验零件尺寸的工具，如
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千分尺、游标卡尺、量块、样板等。量具在
使用过程中经常受到磨损和碰撞。因此，要
求量具钢必须具备高硬度（62～65HRC）、
高耐磨性、高的尺寸稳定性及足够的强度和
韧性，同时还要求热处理变形小等。