1、Chapter 4 主要内容主要内容第一节第一节 量具刃具用钢量具刃具用钢第二节第二节 高速钢高速钢第三节第三节 合金模具钢合金模具钢Chapter 4 合金工具钢合金工具钢基本要求：l了解工具钢分类，化学成分及热处理特点；了解工具钢分类，化学成分及热处理特点；工具的服役条件及其对用钢的性能要求；工具的服役条件及其对用钢的性能要求；l低合金工具钢低合金工具钢和碳素工具钢的热处理工艺分和碳素工具钢的热处理工艺分析和缺陷分析；析和缺陷分析；l高速工具钢高速工具钢的服役条件及其对性能的要求。的服役条件及其对性能的要求。碳及合金元素在高速钢中的作用，碳化物不碳及合金元素在高速钢中的作用，碳化物不均匀性
2、对性能的影响。均匀性对性能的影响。l冷作模具用钢冷作模具用钢的化学成分特点和热处理特点。的化学成分特点和热处理特点。常用冷、常用冷、热作模具钢热作模具钢。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢重点和难点：l高速工具钢与冷、热作模具钢及高速工具钢与冷、热作模具钢及合金合金元素的作用元素的作用，l高速钢的热处理特点。高速钢的热处理特点。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢工具钢工具钢：主要用于制造各种加工工具主要用于制造各种加工工具的钢种。的钢种。工具钢的分类：工具钢的分类：l国家标准（国家标准（GB/T221-2000）把工具钢）把工具钢分为分为碳素工具钢碳素工具钢、合金工具钢合金工具钢
3、和和高速高速工具钢工具钢三类。三类。l根据合金元素的多少又可进一步分为根据合金元素的多少又可进一步分为低合金工具钢低合金工具钢和和高合金工具钢高合金工具钢。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.0 引言引言4.0 引言引言背景背景: :服役条件对用钢的性能要求服役条件对用钢的性能要求l刃具若没有足够的硬度便不能进行切削加刃具若没有足够的硬度便不能进行切削加工；刃具钢除要求工；刃具钢除要求高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性外，外，还要求还要求红硬性红硬性及一定的强度和韧性。及一定的强度和韧性。 l冷作模具钢在要求高硬度、高耐磨性的同冷作模具钢在要求高硬度、高耐磨性的同时，还要求有时，还要求有
4、较高的强度和一定的韧性较高的强度和一定的韧性；热作模具钢则要求高的韧性和耐热疲劳性热作模具钢则要求高的韧性和耐热疲劳性及一定的硬度和耐磨性。及一定的硬度和耐磨性。l刃具、模具、量具钢，既要求高硬度、高刃具、模具、量具钢，既要求高硬度、高耐磨性，还要求耐磨性，还要求高的尺寸稳定性高的尺寸稳定性。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.0 引言引言工具钢对钢材的纯度要求较高，工具钢对钢材的纯度要求较高，S、P含含量一般严格限制量一般严格限制在在0.02%0.03%以下，以下，属于优质钢或高级优质钢。属于优质钢或高级优质钢。l钢材出厂时，其钢材出厂时，其化学成分、脱碳层、碳化学成分、脱碳层、碳
5、化物不均匀程度化物不均匀程度等均应符合国家标准的等均应符合国家标准的有关规定，否则会影响工具的使用寿命。有关规定，否则会影响工具的使用寿命。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.0 引言引言必须指出的是，和结构钢一样，必须指出的是，和结构钢一样，一种工一种工具钢也可以兼有几种用途具钢也可以兼有几种用途，如，如T8钢既可钢既可以用来制造简单模具，也可以制造量具、以用来制造简单模具，也可以制造量具、木工工具、钳工工具等。木工工具、钳工工具等。l9Mn2V既可以用于制作小型冷作模具，既可以用于制作小型冷作模具，也可以制作量规、铰刀等；也可以制作量规、铰刀等；l4Cr5MoSiV既可以用作既可
6、以用作铝合金压铸模铝合金压铸模、塑压模，也可以用于制造塑压模，也可以用于制造飞机、火箭飞机、火箭等等耐耐400500工作温度的结构零件（耐工作温度的结构零件（耐热轴承），等等。热轴承），等等。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.0 引言引言量具：量具：是用来度量工件尺寸的工具，如游标是用来度量工件尺寸的工具，如游标卡尺、块规、塞规及千分尺等。卡尺、块规、塞规及千分尺等。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢服役条件及性能要求服役条件及性能要求l量具在使用过程中受到工件的磨擦与碰撞，量具在使用过程中受到工件的磨擦与碰撞，而
7、量具本身又必须具备非常高的尺寸精确而量具本身又必须具备非常高的尺寸精确性和恒定性，因此要求量具材料性和恒定性，因此要求量具材料具有高的具有高的硬度和高的耐磨性硬度和高的耐磨性，以保证在长期使用过，以保证在长期使用过程中不致被很快磨损而失去其精度；程中不致被很快磨损而失去其精度；l具有高的尺寸稳定性具有高的尺寸稳定性，以保证量具在使用，以保证量具在使用和存放过程中保持其形状和尺寸的恒定；和存放过程中保持其形状和尺寸的恒定；l具有一定的抗腐蚀性和韧性具有一定的抗腐蚀性和韧性。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢刃具钢：刃具钢：是指用来制造各种切削加工工具是指用来
8、制造各种切削加工工具的钢种。刃具的种类繁多，如各种车刀、的钢种。刃具的种类繁多，如各种车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥及板牙等。铣刀、刨刀、钻头、丝锥及板牙等。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢服役条件及性能要求服役条件及性能要求l刃具要求具有刃具要求具有较高的硬度和耐磨性较高的硬度和耐磨性，硬度，硬度一般应在一般应在60HRC以上，加工软材料时可为以上，加工软材料时可为45HRC55HRC。刃具在切削加工过程中，。刃具在切削加工过程中，刃具与被加工工件的表面金属相互作用，刃具与被加工工件的表面金属相互作用，使切屑产生变形与断裂，并从工件上剥离使切屑产生变形
9、与断裂，并从工件上剥离下来。下来。l刃具在服役过程中还承受弯曲、扭转、剪刃具在服役过程中还承受弯曲、扭转、剪切、冲击等负荷的作用，因此要求刃具有切、冲击等负荷的作用，因此要求刃具有足够的塑性和韧性足够的塑性和韧性，以防止使用过程中崩，以防止使用过程中崩刃或折断。刃或折断。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢所谓所谓红硬性红硬性是指钢在受热的条件下，仍能是指钢在受热的条件下，仍能保持足够高的硬度和切削能力，保持足够高的硬度和切削能力，这种性能这种性能也称为钢的热硬性。也称为钢的热硬性。l刃具在服役过程中受到工件和切屑的强烈刃具在服役过程中受到工件和切屑的强烈
10、摩擦作用，这种摩擦功和被去除材料的塑摩擦作用，这种摩擦功和被去除材料的塑性变形功将以热的形式释放出来，使刃具性变形功将以热的形式释放出来，使刃具的温度升高。显然切削速度愈快，刃具的的温度升高。显然切削速度愈快，刃具的温升愈高，因此要求刃具具有高的红硬性。温升愈高，因此要求刃具具有高的红硬性。此外此外刃具温度升高，使得刃具的性能下降，刃具温度升高，使得刃具的性能下降，如硬度、强度下降，磨损加快等，这都不如硬度、强度下降，磨损加快等，这都不利于保证加工质量、提高效率。利于保证加工质量、提高效率。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢对量刃具用钢性能要求还应考虑使
11、用条件：对量刃具用钢性能要求还应考虑使用条件：l例如尺寸小、精度不高、形状简单的量规、例如尺寸小、精度不高、形状简单的量规、塞规、样板等，用塞规、样板等，用碳素工具钢碳素工具钢就可以满足其就可以满足其耐磨性和尺寸稳定性；耐磨性和尺寸稳定性；l锉刀不需要高的红硬性锉刀不需要高的红硬性，钻头钻头因其刃部散热因其刃部散热非常困难，所以非常困难，所以对红硬性要求很高对红硬性要求很高。l此外，除使用性能外，还应考虑此外，除使用性能外，还应考虑量具刃具用量具刃具用钢的工艺性能钢的工艺性能。例如切削加工性能与磨削性。例如切削加工性能与磨削性能好，具有良好的淬透性，较小的淬火变形、能好，具有良好的淬透性，较小
12、的淬火变形、开裂敏感性等。开裂敏感性等。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢碳素量具刃具用钢的性能不足之处：碳素量具刃具用钢的性能不足之处：l淬透性低、红硬性差、耐磨性不够高：淬透性低、红硬性差、耐磨性不够高：当工具断面尺寸大于当工具断面尺寸大于15mm时，水淬后只有工件时，水淬后只有工件表面层有高硬度，表面层有高硬度，淬透性低，淬透性低，故不能做形状复杂、故不能做形状复杂、尺寸较大的刃具；尺寸较大的刃具；当工作温度超过当工作温度超过250时，硬度和耐磨性迅速下时，硬度和耐磨性迅速下降而使刃具失去正常工作的能力，降而使刃具失去正常工作的能力，红硬性差红硬性
13、差；渗碳体型的碳化物，硬度可达渗碳体型的碳化物，硬度可达62HRC，用来制，用来制造小型量具刃具，用作刃具时，用于加工切削量造小型量具刃具，用作刃具时，用于加工切削量小、切削速度较低或硬度低的软金属或非金属软小、切削速度较低或硬度低的软金属或非金属软材料，材料，耐磨性不够高耐磨性不够高。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l碳素量具刃具钢工艺性能差：碳素量具刃具钢工艺性能差：热处理时，由于要考虑获得马氏体组织，通热处理时，由于要考虑获得马氏体组织，通常都在强烈的淬火介质（如水、盐水、碱水常都在强烈的淬火介质（如水、盐水、碱水等）中冷却，因而淬火时产生的应力大
14、，容等）中冷却，因而淬火时产生的应力大，容易引起较大的易引起较大的变形变形甚至甚至开裂开裂，故而淬火后应，故而淬火后应及时回火；及时回火；热处理加热过程中，特别是球化退火的加热，热处理加热过程中，特别是球化退火的加热，还容易发生还容易发生石墨化石墨化和和脱碳脱碳，这都将使碳素刃，这都将使碳素刃具钢的性能恶化。具钢的性能恶化。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢所以，对于重负荷、尺寸较大、形所以，对于重负荷、尺寸较大、形状复杂、工作温度超过状复杂、工作温度超过200200的刃的刃具，要求使用合金量具刃具用钢。具，要求使用合金量具刃具用钢。Chapter 4 合
15、金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢一、合金量具刃具用钢的成分特点一、合金量具刃具用钢的成分特点碳碳含量一般为含量一般为0.75%1.5%。以保证合金量。以保证合金量具刃具用钢具有高的硬度和高的耐磨性。具刃具用钢具有高的硬度和高的耐磨性。合金元素合金元素主要为主要为Cr、Mn、Si、W和和V等。等。lCr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，同时主要是提高钢的淬透性，同时强化马氏体，提高回火稳定性；溶入渗碳强化马氏体，提高回火稳定性；溶入渗碳体，形成合金渗碳体时，还有利于提高钢体，形成合金渗碳体时，还有利于提高钢的耐磨性。的耐磨性。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具
16、刃具用钢量具刃具用钢（1）Cr是碳化物形成元素，当其含量小于是碳化物形成元素，当其含量小于3%时，只形成合金渗碳体并部分溶于固溶体时，只形成合金渗碳体并部分溶于固溶体Cr固溶在低合金工具钢中可提高过冷奥氏体固溶在低合金工具钢中可提高过冷奥氏体的稳定性，的稳定性，增加淬透性增加淬透性，从而可采用较缓和，从而可采用较缓和的冷却介质，减小热应力引起的变形；的冷却介质，减小热应力引起的变形；Cr存在于渗碳体、固溶体中，能存在于渗碳体、固溶体中，能阻止渗碳体阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大型碳化物的聚集、长大，提高马氏体的分解，提高马氏体的分解温度，从而有效地温度，从而有效地提高了钢的回火抗力提高了钢的回
17、火抗力。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢Cr的含量不宜过高，因为的含量不宜过高，因为Cr含量大于含量大于1.4%时，而碳含量又大于时，而碳含量又大于1%1.2%时，将会时，将会增增加碳化物的不均匀性加碳化物的不均匀性，同时由于，同时由于Cr升高珠升高珠光体转变温度和碳化物在奥氏体中的溶解温光体转变温度和碳化物在奥氏体中的溶解温度，从而提高淬火加热温度，将使钢的脱碳度，从而提高淬火加热温度，将使钢的脱碳倾向增加。倾向增加。过高的过高的Cr含量，还降低马氏体转变温度含量，还降低马氏体转变温度Ms点，因而点，因而增加残余奥氏体数量增加残余奥氏体数量，使钢淬火前
18、，使钢淬火前后的尺寸变化减小。因此过共析钢中后的尺寸变化减小。因此过共析钢中Cr的的添加量一般控制在添加量一般控制在1%左右。左右。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l所以，低合金刃具钢中的所以，低合金刃具钢中的CrCr含量通含量通常在常在0.5%1.5%0.5%1.5%。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢（2）Si在钢中不能形成碳化物，只溶于固溶在钢中不能形成碳化物，只溶于固溶体体Si增加珠光体和中温转变区过冷奥氏体的稳增加珠光体和中温转变区过冷奥氏体的稳定性定性。Si在回火过程中阻碍马氏体第二阶段的分解在回火过程
19、中阻碍马氏体第二阶段的分解和渗碳体的聚集，因而和渗碳体的聚集，因而提高了钢的回火稳定提高了钢的回火稳定性性。Si对马氏体点对马氏体点Ms的影响很小，基本上不增的影响很小，基本上不增加残余奥氏体的数量，从而加残余奥氏体的数量，从而增加刃具的稳定增加刃具的稳定性性。但但Si是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时时容易引起脱碳和促进石墨化容易引起脱碳和促进石墨化。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢（3）Mn也提高钢的也提高钢的淬透性，并且淬火淬透性，并且淬火
20、后有较多的残余奥后有较多的残余奥氏体可减少钢的变氏体可减少钢的变形量，但形量，但Mn增加增加钢的过热倾向钢的过热倾向。表。表4-1 常用合金量具常用合金量具刃具用钢的牌号、刃具用钢的牌号、化学成分、热处理化学成分、热处理规范及用途规范及用途 （4）W和和V能提高硬度和耐磨性，并防止钢在能提高硬度和耐磨性，并防止钢在加热时过热，保持晶粒细化加热时过热，保持晶粒细化W能能形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化保证晶粒细化。在含。在含C1%的钢中，当的钢中，当W1%时，开始形成特殊碳化物时，开始形成特殊碳化物M23C6，而当，而当W5%时，在钢中形成时，在钢
21、中形成M6C型碳化物，虽有型碳化物，虽有利于提高钢的耐磨性，但碳化物不均匀性增利于提高钢的耐磨性，但碳化物不均匀性增加使韧性下降。加使韧性下降。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢少量的少量的V（0.1%0.2%）就能形成）就能形成VC，当，当加热到加热到1000至至1100时，这种碳化物将时，这种碳化物将少量溶于奥氏体，因此少量溶于奥氏体，因此V比其它合金元素比其它合金元素更为更为有效地阻止晶粒长大有效地阻止晶粒长大，从而降低钢的，从而降低钢的过热敏感性。过热敏感性。V在过共析钢中能够在过共析钢中能够阻止网状碳化物的形阻止网状碳化物的形成成并增加并增加35
22、0400回火后的韧性。回火后的韧性。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢二、合金量具刃具用钢的热加工及热处理二、合金量具刃具用钢的热加工及热处理合金量具刃具用钢的热加工要求与量具刃合金量具刃具用钢的热加工要求与量具刃具用碳钢基本相同。具用碳钢基本相同。l碳含量较高的和碳化物较多的量具刃具用碳含量较高的和碳化物较多的量具刃具用钢（如钢（如Cr06、Cr2等）由于碳化物分布不等）由于碳化物分布不均匀，尤其是大规格的钢材，需要进行均匀，尤其是大规格的钢材，需要进行反反复镦粗拔长的方法进行锻造复镦粗拔长的方法进行锻造。终锻温度要。终锻温度要在在Arcm以下，但不低于
23、以下，但不低于800，然后，然后快冷快冷至至500600再缓冷再缓冷。l其它低合金刃具钢其它低合金刃具钢锻后应立即缓冷以防止锻后应立即缓冷以防止开裂开裂。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢合金量具刃具用钢的预先热处理通常也采合金量具刃具用钢的预先热处理通常也采用球化退火用球化退火l球化球化退火温度过高退火温度过高会增加钢的氧化和脱碳会增加钢的氧化和脱碳倾向；倾向；退火温度过低退火温度过低，则碳化物过细，退，则碳化物过细，退火后钢的硬度太高且碳化物网不易消除。火后钢的硬度太高且碳化物网不易消除。l等温退火可以缩短退火时间，并且退火组等温退火可以缩短退火时间，
24、并且退火组织比较均匀一致。织比较均匀一致。退火加热和等温时间与退火加热和等温时间与毛坯尺寸、装炉量及炉子的类型有关。毛坯尺寸、装炉量及炉子的类型有关。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢u值得指出的是，如果值得指出的是，如果热加工质量不高热加工质量不高，会，会使钢材中存在使钢材中存在严重的网状碳化物严重的网状碳化物，则等温，则等温球化退火不能使之完全球化。球化退火不能使之完全球化。u为此，可在为此，可在球化退火前先进行加热温度高球化退火前先进行加热温度高于于Acm的正火的正火。9SiCr和和Cr2钢的正火温度钢的正火温度分别为分别为900920和和93095
25、0。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢合金量具刃具用钢的最终热处理采用淬火加合金量具刃具用钢的最终热处理采用淬火加低温回火低温回火。l淬火加热温度一般较高，加热温度范围稍宽，淬火加热温度一般较高，加热温度范围稍宽，脱碳倾向增大：脱碳倾向增大：合金元素的加入改变了钢的合金元素的加入改变了钢的临界点，增加了钢的淬透性，降低了钢的过临界点，增加了钢的淬透性，降低了钢的过热敏感性及提高了钢的回火稳定性等。热敏感性及提高了钢的回火稳定性等。l合金量具刃具用合金量具刃具用钢的导热性变差钢的导热性变差，对于形状，对于形状复杂、截面尺寸大的工件，在复杂、截面尺寸大的工件，
26、在淬火加热前往淬火加热前往往先在往先在600650左右进行预热左右进行预热，然后在淬，然后在淬火加热；火加热；Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l为了保证合金碳化物较充分地溶入奥氏体，为了保证合金碳化物较充分地溶入奥氏体，合金量具刃具用钢的合金量具刃具用钢的淬火加热保温时间淬火加热保温时间应比应比碳素量具刃具用钢适当延长；碳素量具刃具用钢适当延长；l由于淬透性提高，所以由于淬透性提高，所以淬火时的冷却介质可淬火时的冷却介质可用油或熔盐用油或熔盐等，少数淬透性较低的钢，如等，少数淬透性较低的钢，如Cr06、W等仍需采用水淬。等仍需采用水淬。l与碳素量具刃具用
27、钢相比，合金量具刃具用与碳素量具刃具用钢相比，合金量具刃具用钢要钢要获得同样硬度的回火温度也稍微提高获得同样硬度的回火温度也稍微提高，一般为一般为160200。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢需要强调的是，量具在使用过程中还会随时需要强调的是，量具在使用过程中还会随时间延长而发生尺寸变化，这种现象称为量具间延长而发生尺寸变化，这种现象称为量具的的时效效应时效效应。这是因为：这是因为：l第一第一，过共析量具钢淬火后的，过共析量具钢淬火后的残余奥氏体残余奥氏体，在随后的使用过程中，随时间的延长会变为在随后的使用过程中，随时间的延长会变为马氏体而引起体积膨胀；
28、马氏体而引起体积膨胀；l第二第二，钢中，钢中马氏体马氏体在使用过程中继续在使用过程中继续分解分解，引起正方度降低而导致体积收缩；引起正方度降低而导致体积收缩；l第三第三，残余内应力的存在和重新分布使弹性残余内应力的存在和重新分布使弹性变形部分地转变为塑性变形引起尺寸变化变形部分地转变为塑性变形引起尺寸变化。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢因此，在量具的热处理中，应针对上述原因此，在量具的热处理中，应针对上述原因，采取措施尽量因，采取措施尽量减少钢中的残余奥氏体减少钢中的残余奥氏体量量；在保证硬度的前提下，尽量；在保证硬度的前提下，尽量降低马氏降低马氏体的
29、体的C C含量及正方度含量及正方度；尽量消除残余内应力尽量消除残余内应力。具体的措施是：具体的措施是：l淬火之前进行调质处理淬火之前进行调质处理l正常淬火回火之间的冷处理正常淬火回火之间的冷处理l正常热处理之后的时效处理正常热处理之后的时效处理Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢必须指出，对于必须指出，对于非过共析钢制造量具非过共析钢制造量具时，应时，应采取采取不同的热处理制度不同的热处理制度。如。如l渗碳钢须经渗碳、淬火及低温回火后使用；渗碳钢须经渗碳、淬火及低温回火后使用；l中碳钢中碳钢50、55、60、65制造量具时须经调质制造量具时须经调质处理，再经
30、高频淬火回火后使用；处理，再经高频淬火回火后使用；l38CrMoAl钢经调质处理后精加工成形，然钢经调质处理后精加工成形，然后再氮化处理，最后需进行研磨；后再氮化处理，最后需进行研磨；lCr12MoV钢经调质或淬火、回火后再进行钢经调质或淬火、回火后再进行表面渗氮或碳氮共渗等。表面渗氮或碳氮共渗等。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢合金量具刃具用钢通常可分为两个体系：合金量具刃具用钢通常可分为两个体系：l一个体系一个体系是针对是针对提高钢的淬透性的要求提高钢的淬透性的要求而而发展的，如发展的，如9SiCr 和和Cr2等钢。其中等钢。其中Cr2钢钢与与GCr
31、15相近，但相近，但Cr2钢的冶金质量要求钢的冶金质量要求比后者低。比后者低。l另一个体系另一个体系是针对是针对提高钢的耐磨性提高钢的耐磨性的要求的要求而发展的，如而发展的，如Cr06和和W等钢。等钢。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢上面介绍的合金量具刃具用钢基本上面介绍的合金量具刃具用钢基本上满足了量具刃具用钢的一般要求。上满足了量具刃具用钢的一般要求。但对于一些但对于一些要求耐冲击的刃具和要求耐冲击的刃具和部分模具部分模具，仍不能满足要求。为，仍不能满足要求。为此，为了提高这类工具的韧性，发此，为了提高这类工具的韧性，发展了展了耐冲击工具用钢耐冲击
32、工具用钢，如表，如表4-2所所示。示。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢背景背景l为了提高切削速度，刃具材料一直是核心为了提高切削速度，刃具材料一直是核心问题。合金量具刃具用钢解决了淬透性低、问题。合金量具刃具用钢解决了淬透性低、耐磨性不足等缺点。但其红硬性仍然不高，耐磨性不足等缺点。但其红硬性仍然不高，不能满足高速切削的要求。如不能满足高速切削的要求。如使用温度高使用温度高于于300300时，硬度值已降到时，硬度值已降到60HRC60HRC以下以下，要求发展高速钢。要求发展高速钢。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢4.2 高速钢
33、高速钢l高速钢高速钢经热处理后，在经热处理后，在600600时仍保持高的时仍保持高的硬度，可达硬度，可达60HRC60HRC以上以上，故可在较高温度，故可在较高温度条件下保持高速切削能力和高耐磨性；同时条件下保持高速切削能力和高耐磨性；同时具有足够高的强度，并兼有适当的塑性和韧具有足够高的强度，并兼有适当的塑性和韧性。性。l高速钢高速钢还具有很高的淬透性，中小型刃具甚还具有很高的淬透性，中小型刃具甚至在空气中冷却也能淬透，故有至在空气中冷却也能淬透，故有风钢风钢之称。之称。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢l高速钢高速钢与碳素刃具钢及低合金刃具钢相比，与碳素刃具钢及
34、低合金刃具钢相比，高速钢的切削速度可提高高速钢的切削速度可提高2424倍，刃具寿命倍，刃具寿命提高提高815815倍。倍。高速钢广泛用于制造尺寸大、高速钢广泛用于制造尺寸大、切削速度快、负荷重及工作温度高的各种机切削速度快、负荷重及工作温度高的各种机加工工具。如加工工具。如车刀、刨刀、钻头车刀、刨刀、钻头等。等。l高速钢高速钢还可用于还可用于制造部分模具制造部分模具及一些及一些特殊的特殊的轴承轴承。在现代工具材料中，高速钢占刃具材。在现代工具材料中，高速钢占刃具材料总量的料总量的65%，而产值则占，而产值则占70%左右。所以左右。所以高速钢是一种极其重要的工具材料。高速钢是一种极其重要的工具材
35、料。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢l碳：碳：高速钢中的碳在淬火加热时可以溶入基体高速钢中的碳在淬火加热时可以溶入基体相中，提高了基体中碳的浓度，这样既可相中，提高了基体中碳的浓度，这样既可提高钢的淬透性提高钢的淬透性，又可，又可获得高碳马氏体获得高碳马氏体，进而提高了硬度；进而提高了硬度；高速钢中的碳还可以高速钢中的碳还可以与合金元素与合金元素WW、MoMo、CrCr、V V等形成合金碳化物等形成合金碳化物，以提高硬度、，以提高硬度、耐磨性和红硬性。耐磨性和红硬性。Chapter 4 合金工具钢合金工具
36、钢4.2 高速钢高速钢高速钢中碳含量必须与合金元素含量相匹高速钢中碳含量必须与合金元素含量相匹配，过高或过低都对其性能有不利影响。配，过高或过低都对其性能有不利影响。所以高速钢中的碳含量一般都限制在较窄所以高速钢中的碳含量一般都限制在较窄的成分范围。的成分范围。l研究发现合金元素及碳含量满足合金碳化研究发现合金元素及碳含量满足合金碳化物分子式中定比关系时，钢淬火及回火时物分子式中定比关系时，钢淬火及回火时的合金碳化物的沉淀对钢的硬化（二次硬的合金碳化物的沉淀对钢的硬化（二次硬化）效果最好，这被称为化）效果最好，这被称为定比碳规律定比碳规律（也（也称为平衡碳理论）称为平衡碳理论）。 Chapte
37、r 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢定比碳规律主要是解决沉淀量的问题定比碳规律主要是解决沉淀量的问题。由。由于碳在于碳在-Fe中的固溶度很小，在中的固溶度很小，在727时仅为时仅为0.218%。由于合金碳化物较硬，仅从提高高。由于合金碳化物较硬，仅从提高高速钢的硬度考虑，希望所有的碳都与合金元速钢的硬度考虑，希望所有的碳都与合金元素化合成合金碳化物，这便是定比碳规律的素化合成合金碳化物，这便是定比碳规律的思路。思路。合金元素形成碳化物引起钢硬度增加远大于合金元素形成碳化物引起钢硬度增加远大于合金元素固溶于合金元素固溶于-Fe中固溶强化引起的硬度中固溶强化引起的硬度增加；增加；退火后
38、残余碳化物引起的钢硬度增加退火后残余碳化物引起的钢硬度增加远小于回火析出的碳化物的效应。远小于回火析出的碳化物的效应。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢例如例如u4%Cr，全部固溶及全部以，全部固溶及全部以Cr7C3析出使钢析出使钢在在538回火后维氏硬度分别为回火后维氏硬度分别为62及及245；u2%V全部以残余全部以残余V4C3方式存在及全部在方式存在及全部在593回火析出后维氏硬度分别增加回火析出后维氏硬度分别增加145及及450。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢高速钢热处理时，要选择高速钢热处理时，要选择尽可能高的淬火温尽可能高的
39、淬火温度度，即不出现晶粒长大及晶界熔化的最高温，即不出现晶粒长大及晶界熔化的最高温度。度。u这样，可以使尽可能多的残余碳化物溶解，这样，可以使尽可能多的残余碳化物溶解，在随后回火时，有尽可能多的碳化物析出，在随后回火时，有尽可能多的碳化物析出，从而获得尽可能高的室温硬度。从而获得尽可能高的室温硬度。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢当合金元素高于化合比时当合金元素高于化合比时，形成碳化物后的，形成碳化物后的合金元素余量只能起固溶强化作用，并且合合金元素余量只能起固溶强化作用，并且合金元素的扩散距离短，合金化合物易于聚集金元素的扩散距离短，合金化合物易于聚集长大；长大；
40、当合金元素低于化学比时当合金元素低于化学比时，形成合金碳化物，形成合金碳化物后多余的碳以后多余的碳以Fe3C方式析出。方式析出。l因此，成分符合定比碳规律时，二次硬化效因此，成分符合定比碳规律时，二次硬化效果应较好。果应较好。高速钢含有较高的碳含量，既保高速钢含有较高的碳含量，既保证淬透性，又保证淬火后有足够的碳化物证淬透性，又保证淬火后有足够的碳化物。一般含碳量在一般含碳量在1%左右，最高可达左右，最高可达1.65%。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢W和和Mo是造成高速钢红硬性的主要合金元素是造成高速钢红硬性的主要合金元素l18-4-1:退火状态时，退火状态时，
41、W以以M6C形式存在。形式存在。在淬火加热时，一部分在淬火加热时，一部分M6C碳化物溶入奥氏体，碳化物溶入奥氏体，淬火后存在于马氏体中，淬火后存在于马氏体中，W原子与原子与C原子结合原子结合力较强，能提高回火马氏体的分解温度；力较强，能提高回火马氏体的分解温度；W的原子半径大，增加的原子半径大，增加Fe原子的自扩散激活能，原子的自扩散激活能，因而使高速钢中的马氏体加热到因而使高速钢中的马氏体加热到600 625附近时还比较稳定。未溶解的附近时还比较稳定。未溶解的M6C碳化物能阻碳化物能阻止高温下奥氏体晶粒长大。止高温下奥氏体晶粒长大。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢
42、在回火过程中，有一部分以在回火过程中，有一部分以W2C的形式弥散析的形式弥散析出，引起二次硬化。出，引起二次硬化。u由此可见，由此可见，W量增加可提高钢的红硬性并减小量增加可提高钢的红硬性并减小过热敏感性，但当过热敏感性，但当W的含量大于的含量大于20%以后，钢以后，钢中碳化物的不均匀性增加，强度、塑性降低；中碳化物的不均匀性增加，强度、塑性降低；在成分设计上通常可以用在成分设计上通常可以用Mo代替部分代替部分W或适或适当增加当增加V的含量，在工艺上必须通过反复锻造的含量，在工艺上必须通过反复锻造改善碳化物的均匀性。改善碳化物的均匀性。u此外，此外，W的大量加入，强烈的大量加入，强烈降低了钢的
43、热导率降低了钢的热导率，因此高速钢的加热和冷却必须缓慢进行。因此高速钢的加热和冷却必须缓慢进行。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢l6-5-4-2 ：Mo在高速钢中的作用与在高速钢中的作用与W相似，如相似，如以以1%的的Mo代替代替2%W，钨系高速钢演变为钨钼系高，钨系高速钢演变为钨钼系高速钢，如速钢，如18-4-1钢即演变为钢即演变为6-5-4-2，二者红，二者红硬性相近。硬性相近。钨钼系高速钢中的碳化物细小，分布均匀钨钼系高速钢中的碳化物细小，分布均匀（Mo降低钢的结晶温度，同时凝固区间又降低钢的结晶温度，同时凝固区间又窄，因而铸态组织细化），具有较高的强度、窄
44、，因而铸态组织细化），具有较高的强度、韧性和良好的耐磨性，在韧性和良好的耐磨性，在9501150温度温度范围内有良好的热塑性，便于热加工。范围内有良好的热塑性，便于热加工。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢但但碳化钼不如碳化钨稳定碳化钼不如碳化钨稳定，因而含钼高速，因而含钼高速钢的脱碳倾向稍大，并且晶粒易于长大，钢的脱碳倾向稍大，并且晶粒易于长大，因而淬火炉的气氛及温度的控制要求较严。因而淬火炉的气氛及温度的控制要求较严。在相似性能的高速钢中，在相似性能的高速钢中，钨系高速钢价格钨系高速钢价格较钨钼系高速钢高较钨钼系高速钢高10%15%，从而钨系高，从而钨系高速钢产量
45、急剧下降。速钢产量急剧下降。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢V在高速钢中的作用是能显著提高钢的红硬在高速钢中的作用是能显著提高钢的红硬性、硬度和耐磨性，同时性、硬度和耐磨性，同时V还能细化晶粒，还能细化晶粒，降低钢的过热敏感性。降低钢的过热敏感性。l例如在例如在18-4-1钢中，钢中，V大都存在于大都存在于M6C化合化合物中，当物中，当V含量大于含量大于2%时，可形成时，可形成VC。M6C中的中的V在加热时部分溶于奥氏体，淬火在加热时部分溶于奥氏体，淬火后存在于马氏体中，后存在于马氏体中，增加了马氏体的回火稳增加了马氏体的回火稳定性，从而提高了钢的红硬性定性，从而
46、提高了钢的红硬性，在回火时以，在回火时以细小的细小的VC析出，产生弥散硬化。析出，产生弥散硬化。VCVC的硬度的硬度较高，能提高钢的耐磨性较高，能提高钢的耐磨性，但给磨削加工造，但给磨削加工造成困难。成困难。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢Cr主要也存在于主要也存在于M6C中，使中，使M6C的稳定性的稳定性下降，同时一部分下降，同时一部分Cr还形成还形成Cr23C6，它的，它的稳定性更低，所以淬火加热时，几乎全部稳定性更低，所以淬火加热时，几乎全部溶于奥氏体中，从而溶于奥氏体中，从而增加钢的淬透性增加钢的淬透性。l此外此外Cr还能使高速钢在切削过程中的抗氧还能使高速
47、钢在切削过程中的抗氧化作用增强化作用增强，利用，利用Cr氧化膜的致密性防止氧化膜的致密性防止粘刀，降低磨损。粘刀，降低磨损。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢l高速钢高速钢6-5-4-2回火组织中基体的化学成分回火组织中基体的化学成分为：为：0.07%C、0.3%W、0.6%Mo、2.6%Cr、0.25%V。这与低合金热强钢的。这与低合金热强钢的成分大致相同。因而可以借鉴热强钢的某成分大致相同。因而可以借鉴热强钢的某些合金化原理来理解高速钢中合金元素的些合金化原理来理解高速钢中合金元素的作用。作用。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢u为了提
48、高高速钢的红硬性，为了提高高速钢的红硬性，第一个条件是第一个条件是需要细小弥散、坚硬而不易长大的合金碳需要细小弥散、坚硬而不易长大的合金碳化物化物，高速钢中，高速钢中，V4C3、Mo2C、W2C、Cr23C6、Cr7C3等满足了等满足了第一个条件第一个条件；第二第二个条件是需要个条件是需要-Fe中存在与位错结合较强中存在与位错结合较强的溶质原子的溶质原子，通过第二相粒子和位错气团，通过第二相粒子和位错气团这两种方式阻止变形的进行，而基体中的这两种方式阻止变形的进行，而基体中的溶质溶质W、Mo、V则满足了则满足了第二个条件第二个条件。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢C
49、o在碳化物在碳化物Mo2C中有一定的溶解度。中有一定的溶解度。Co能增加回火时能增加回火时Mo2C的形核速度，减缓了的形核速度，减缓了Mo2C的长大速度的长大速度。l因为因为Co在界面上富集，增加了在界面上富集，增加了C的活度，的活度，对对Mo2C的形成有利；但的形成有利；但Co又使又使C的浓度的浓度梯度下降，使梯度下降，使C的扩散流减小，又不利于的扩散流减小，又不利于Mo2C的加厚。而的加厚。而Mo2C的加厚则取决于的加厚则取决于C及及Mo的扩散，的扩散，Co降低降低Mo在在-Fe中的扩散中的扩散系数，从而控制了系数，从而控制了Mo2C加厚因素。加厚因素。Chapter 4 合金工具钢合金工
50、具钢4.2 高速钢高速钢l由于由于Co增加了增加了C的活度，因而含钴高速钢的的活度，因而含钴高速钢的脱碳倾向较大，在淬火加热时，宜采用还原脱碳倾向较大，在淬火加热时，宜采用还原气氛，防止氧化和脱碳。气氛，防止氧化和脱碳。lCo对回火过程中碳化物形核长大影响的结果，对回火过程中碳化物形核长大影响的结果，使合金碳化物以更细小弥散的状态析出，从使合金碳化物以更细小弥散的状态析出，从而满足了增加高速钢红硬性的而满足了增加高速钢红硬性的第一个条件第一个条件。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.2 高速钢高速钢l由于由于Co在退火状态下大部分溶于在退火状态下大部分溶于-Fe中，中，Co可提高高速
