《南航金属材料学》课件：Ch4 合金工具钢.ppt

1、l主要内容l第一节 量具刃具用钢l第二节 高速钢l第三节 合金模具钢Chapter 4 l基本要求：l了解工具钢分类，化学成分及热处理特点；工具的了解工具钢分类，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；服役条件及其对用钢的性能要求； 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析和缺和碳素工具钢的热处理工艺分析和缺陷分析；陷分析； 高速工具钢高速工具钢的服役条件及其对性能的要求。碳及合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，碳化物不均匀性对性能金元素在高速钢中的作用，碳化物不均匀性对性能的影响。的影响。 冷作模具用钢冷作模具用钢的化学成分特点和热处理特

2、点。常用的化学成分特点和热处理特点。常用冷、冷、热作模具钢热作模具钢。l重点和难点：高速工具钢与冷、热作模具钢高速工具钢与冷、热作模具钢及及合金元素的作用合金元素的作用，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l工具钢工具钢：主要用于制造各种加工工具的钢种。主要用于制造各种加工工具的钢种。l工具钢的分类工具钢的分类： 国家标准（国家标准（GB/T221-2000）把工具钢分为）把工具钢分为碳素碳素工具钢工具钢、合金工具钢合金工具钢和和高速工具钢高速工具钢三类。三类。 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低合金工具钢具钢和和高

3、合金工具钢高合金工具钢。Chapter 4 合金工具钢4.0 引言引言l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工；刃具若没有足够的硬度便不能进行切削加工；刃具钢除要求刃具钢除要求高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性外，还要求外，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、高耐磨性的同时，冷作模具钢在要求高硬度、高耐磨性的同时，还要求有还要求有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；热作模具钢则要求高的韧性和耐热疲劳性及一定的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。硬度和

4、耐磨性。l刃具、模具、量具钢，既要求高硬度、高耐刃具、模具、量具钢，既要求高硬度、高耐磨性，还要求磨性，还要求高的尺寸稳定性高的尺寸稳定性。 Chapter 4 合金工具钢4.0 引言引言l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

5、合金工具钢4.0 引言引言l必须指出的是，和结构钢一样，必须指出的是，和结构钢一样，一种工具一种工具钢也可以兼有几种用途钢也可以兼有几种用途，如，如T8钢既可以用钢既可以用来制造简单模具，也可以制造量具、木工来制造简单模具，也可以制造量具、木工工具、钳工工具等。工具、钳工工具等。l9Mn2V既可以用于制作小型冷作模具，也既可以用于制作小型冷作模具，也可以制作量规、铰刀等；可以制作量规、铰刀等；l4Cr5MoSiV既可以用作既可以用作铝合金压铸模铝合金压铸模、塑、塑压模，也可以用于制造压模，也可以用于制造飞机、火箭飞机、火箭等耐等耐400500工作温度的结构零件（耐热轴工作温度的结构零件（耐热轴

6、承），等等。承），等等。Chapter 4 合金工具钢4.0 引言引言l量具：量具：是用来度量工件尺寸的工具，如游标卡尺、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。块规、塞规及千分尺等。Chapter 4 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l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

7、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4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l刃具钢：刃具钢：是指用来制造各种切削加工工是指用来制造各种切削加工工具的钢种。刃具的种类繁多，如各种车具的钢种。刃具的种类繁多，如各种车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥及板牙等。刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥及板牙等。 Chapter 4 合金工具钢4.

8、1 量具刃具用钢量具刃具用钢l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

9、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4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l所谓所谓红硬性红硬性是指钢在受热的条件下，仍能保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，持足够高的硬度和切削能力，这种性能也称这种性能也称为钢的热硬性。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摩刃具在服役过程中受到工件和切屑的强烈摩擦作用，这种摩擦功和被去除材料的塑性变擦作用，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，使刃具的温度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，刃具的温升愈高，升高。显然切

10、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。因此要求刃具具有高的红硬性。由于刃具的由于刃具的服役温度的升高，将使得刃具的性能下降，服役温度的升高，将使得刃具的性能下降，如硬度、强度下降，磨损加快等，这都不利如硬度、强度下降，磨损加快等，这都不利于保证加工质量、提高效率。于保证加工质量、提高效率。 Chapter 4 合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l对量具刃具用钢的性能要求还应考虑使用对量具刃具用钢的性能要求还应考虑使用条件条件：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就可

11、以满足其耐磨性和尺寸稳定性；其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因其刃部散热非常困难，所以热非常困难，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，还应考虑量具刃具量具刃具用钢的工艺性能用钢的工艺性能。例如切削加工性能与磨。例如切削加工性能与磨削性能好，具有良好的淬透性，较小的淬削性能好，具有良好的淬透性，较小的淬火变形、开裂敏感性等。火变形、开裂敏感性等。 Chapter 4 合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l碳素量具刃具用钢的性能不足之处：碳素量具刃具用钢的性能不足之处： 淬透性低、红硬性差

12、、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，水淬后只有时，水淬后只有工件表面层有高硬度，工件表面层有高硬度，淬透性低，淬透性低，故不能做故不能做形状复杂、尺寸较大的刃具；形状复杂、尺寸较大的刃具； 当工作温度超过当工作温度超过250时，硬度和耐磨性迅时，硬度和耐磨性迅速下降而使刃具失去正常工作的能力，速下降而使刃具失去正常工作的能力，红硬红硬性差性差； 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，用来制造小型量具刃具，用作刃具时，用于加来制造小型量具刃具，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工切

13、削量小、切削速度较低或硬度低的软金属或非金属软材料，属或非金属软材料，耐磨性不够高耐磨性不够高。Chapter 4 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，通常热处理时，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、碱水等）中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，容易引起较大冷却，因而淬火时产生的应力大，容易引起较大的的变形变形甚至甚至开裂开裂，故而淬火后应及时回火；，故而淬火后应及时回火； 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

14、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，这都将使碳素刃具钢，这都将使碳素刃具钢的性能恶化。的性能恶化。l所以，对于重负荷、尺寸较大、形状复杂、工作所以，对于重负荷、尺寸较大、形状复杂、工作温度超过温度超过200200的刃具，要求使用合金量具刃具的刃具，要求使用合金量具刃具用钢。用钢。Chapter 4 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1.碳碳含量含量 为了保证合金量具刃具用钢具为了保证合金量具刃具用钢具有高的硬度和高的耐磨性，其碳含量一有高的硬度和高的耐磨性，其碳含量一般为般为0.75%1.5%。2

15、.合金元素合金元素 加入的合金元素主要为加入的合金元素主要为Cr、Mn、Si、W和和V等。等。l Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，主要是提高钢的淬透性，同时强化马氏体，提高回火稳定性；溶同时强化马氏体，提高回火稳定性；溶入渗碳体，形成合金渗碳体时，还有利入渗碳体，形成合金渗碳体时，还有利于提高钢的耐磨性。于提高钢的耐磨性。Chapter 4 合金工具钢4.1 量具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时，只形成合金渗碳体并部分溶于固溶体体 Cr固溶在低合金工具钢中可提高过冷奥氏固溶在低合金工具钢中可

16、提高过冷奥氏体的稳定性，体的稳定性，增加淬透性增加淬透性，从而可采用较，从而可采用较缓和的冷却介质，减小热应力引起的变形；缓和的冷却介质，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，能阻止渗碳阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大体型碳化物的聚集、长大，提高马氏体的，提高马氏体的分解温度，从而有效地分解温度，从而有效地提高了钢的回火抗提高了钢的回火抗力力。Chapter 4 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，将会增加增加碳化物的

17、不均匀性碳化物的不均匀性，同时由于，同时由于Cr升高珠光体升高珠光体转变温度和碳化物在奥氏体中的溶解温度，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，将使钢的脱碳倾向从而提高淬火加热温度，将使钢的脱碳倾向增加。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，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的添的添加量一般控制在加量一般控制在1%左右。左右。 所以低合金刃具钢中的所以低合金刃具钢中的Cr含量含量 通常在通常在0.5%1.5%。 Chapt

18、er 4 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提高了钢的回火稳定性定性。 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，从而增加刃具的稳增加刃具的稳定性定性。 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

19、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4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢Chapter 4 合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢（3）Mn也提高钢也提高钢的淬透性，并且的淬透性，并且淬火后有较多的淬火后有较多的残余奥氏体可减残余奥氏体可减少钢的变形量，少钢的变形量，但但Mn增加钢的过增加钢的过热倾向热倾向。表表4-1 常用常用合金量具刃具用钢的牌合金量具刃具用钢的牌号、化学成分、热处理号、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，保持晶粒细化止钢在加热时过

20、热，保持晶粒细化 W能形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，能形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化。在含保证晶粒细化。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，在钢中形成M6C型碳化物，虽型碳化物，虽有利于提高钢的耐磨性，但碳化物不均匀有利于提高钢的耐磨性，但碳化物不均匀性增加使韧性下降。性增加使韧性下降。Chapter 4 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，当加，当加热到热到1000至至1100时，这种碳化物将少时，这种碳化物将少量溶于奥

21、氏体，因此量溶于奥氏体，因此V比其它合金元素更为比其它合金元素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阻止网状碳化物的形成的形成并增加并增加350400回火后的韧性。回火后的韧性。Chapter 4 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l合金量具刃具用钢的热加工要求与量具刃具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。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钢碳含量较高的和碳化物较多的量具刃具

22、用钢（如（如Cr06、Cr2等）由于碳化物分布不均匀，等）由于碳化物分布不均匀，尤其是大规格的钢材，需要进行尤其是大规格的钢材，需要进行反复镦粗拔反复镦粗拔长的方法进行锻造长的方法进行锻造。终锻温度要在。终锻温度要在Arcm以以下，但不低于下，但不低于800，然后，然后快冷至快冷至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开锻后应立即缓冷以防止开裂裂。Chapter 4 合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l合金量具刃具用钢的预先热处理通常合金量具刃具用钢的预先热处理通常也采用球化退火也采用球化退火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

23、碳倾会增加钢的氧化和脱碳倾向；向；退火温度过低退火温度过低，则碳化物过细，退火后，则碳化物过细，退火后钢的硬度太高且碳化物网不易消除。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，并且退火组织等温退火可以缩短退火时间，并且退火组织比较均匀一致。比较均匀一致。退火加热和等温时间与毛坯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。尺寸、装炉量及炉子的类型有关。Chapter 4 合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l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，会使钢材中存在会使钢材中存在严重的网状碳化物严重的网状碳化物，则，则等温球化退火不能使之完

24、全球化。等温球化退火不能使之完全球化。l为此，可在为此，可在球化退火前先进行加热温度球化退火前先进行加热温度高于高于Acm的正火的正火。9SiCr和和Cr2钢的正火钢的正火温度分别为温度分别为900920和和930950。Chapter 4 合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l合金量具刃具用钢的最终热处理采用淬合金量具刃具用钢的最终热处理采用淬火加低温回火火加低温回火。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：由于合金元素的加入改变了由于合金元素的加入改变了钢的临界点，增加了钢的淬透性，降低了钢钢的临界点，增加了钢的淬

25、透性，降低了钢的过热敏感性以及提高了钢的回火稳定性等。的过热敏感性以及提高了钢的回火稳定性等。l由于合金量具刃具用由于合金量具刃具用钢的导热性变差钢的导热性变差，对对于形状复杂、截面尺寸大的工件，在于形状复杂、截面尺寸大的工件，在淬火加淬火加热前往往先在热前往往先在600650左右进行预热左右进行预热，然，然后在淬火加热；后在淬火加热；Chapter 4 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碳素量具刃具用钢适当延长

26、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与碳素量具刃具用钢相比，合金量具刃具与碳素量具刃具用钢相比，合金量具刃具用钢要用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4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l需要强调的是，量具在使用过程中还需要强调的是，量具在使用过程中还会随时间延长而发生尺寸变化，这种会随时间延长而发生尺寸变化，这种现象称为量具的现象称为量具的时效

27、效应时效效应。这是因为：这是因为：l第一第一，用于制造量具的过共析钢淬火后含有一定数，用于制造量具的过共析钢淬火后含有一定数量的量的残余奥氏体残余奥氏体，这些残余奥氏体在随后的使，这些残余奥氏体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用过程中，随时间的延长会变为马氏体而引起体积膨胀；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，引起正方度降低而导致体积收缩；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。Chap

28、ter 4 合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l因此，在量具的热处理中，应针因此，在量具的热处理中，应针对上述原因，采取措施尽量对上述原因，采取措施尽量减少钢减少钢中的残余奥氏体量中的残余奥氏体量；在保证硬度的；在保证硬度的前提下，尽量前提下，尽量降低马氏体的降低马氏体的C含量及含量及正方度正方度；尽量消除残余内应力尽量消除残余内应力。具体具体的措施是：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4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l必须指出，对于必须指

29、出，对于非过共析钢制造量具非过共析钢制造量具时，时，应采取应采取不同的热处理制度不同的热处理制度。如渗碳钢须。如渗碳钢须经渗碳、淬火及低温回火后使用；中碳经渗碳、淬火及低温回火后使用；中碳钢钢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钢经调质处钢经调质处理后精加工成形，然后理后精加工成形，然后再氮化处理，最后需进再氮化处理，最后需进行研磨；行研磨；lCr12MoV钢经调质或钢经调质或淬火、回火后再进行表淬火、回火后再进行表面渗氮或碳氮共渗等。面渗氮或碳氮共渗等。Chapter 4 合金工具钢4.1 量

30、具刃具用钢量具刃具用钢l合金量具刃具用钢通常可合金量具刃具用钢通常可分为两个体系：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提高钢的淬透性的要求透性的要求而发展的，如而发展的，如9SiCr 和和Cr2等钢。其中等钢。其中Cr2钢与钢与GCr15相近，但冶金质相近，但冶金质量要求比后者低。量要求比后者低。l另一个体系另一个体系是针对是针对提高钢的提高钢的耐磨性耐磨性的要求而发展的，如的要求而发展的，如Cr06和和W等钢。等钢。 Chapter 4 合金工具钢4.1 量具刃具用钢量具刃具用钢l上面介绍的合金量具刃具用钢基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本上满足了

31、量具刃具用钢的一般要求。但对于一些要求。但对于一些要求耐冲击的要求耐冲击的刃具和部分模具刃具和部分模具，仍不能满足要，仍不能满足要求。为此，为了提高这类工具的求。为此，为了提高这类工具的韧性，发展了韧性，发展了耐冲击工具用钢耐冲击工具用钢，如表如表4-2所示所示。Chapter 4 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核心问题。合金量具刃具用钢解决了淬透性低、耐磨性不足等缺点。但其淬透性低、耐磨性不足等缺点。但其红硬性仍然不高，不能满足高速切削红硬性仍然不高，不能满足高速切削的要求。

32、如的要求。如使用温度高于使用温度高于300时，时，硬度值已降到硬度值已降到60HRC以下以下，要求发展，要求发展高速钢。高速钢。Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢4.2 高速钢高速钢l高速钢经热处理后，在高速钢经热处理后，在600时仍保时仍保持高的硬度，可达持高的硬度，可达60HRC以上以上，故，故可在较高温度条件下保持高速切削可在较高温度条件下保持高速切削能力和高耐磨性；同时具有足够高能力和高耐磨性；同时具有足够高的强度，并兼有适当的塑性和韧性。的强度，并兼有适当的塑性和韧性。l高速钢还具有很高的淬透性，中小高速钢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，型刃具

33、甚至在空气中冷却也能淬透，故有故有风钢风钢之称。之称。 4.2 高速钢高速钢Chapter 4 合金工具钢l高速钢与碳素刃具钢及低合金刃具钢相比，高速钢与碳素刃具钢及低合金刃具钢相比，高速钢的切削速度可提高高速钢的切削速度可提高24倍，刃具寿命提倍，刃具寿命提高高815倍。倍。高速钢高速钢广泛用于制造尺寸大、切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加削速度快、负荷重及工作温度高的各种机加工工具。如工工具。如车刀、刨刀、拉刀、钻头车刀、刨刀、拉刀、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

34、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料。 Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢l高速钢成分大致范围为：高速钢成分大致范围为：C0.7%1.65%、W0%22%、Mo0%10%、约、约Cr4%、V1%5%及及Co0%12%；l高速钢中也往往含有高速钢中也往往含有其它合金元素其它合金元素（如（如Al、Nb、Ti、Si及稀土元素）及稀土元素），其总量一般小于其总量一般小于2%。 Chapter 4 合金工具

35、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溶入基体相中，提高了基体中碳的浓度，这样既可度，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；l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W、Mo、Cr、V等形成合金碳化物等形成合金碳化物，以提，以提高硬度、耐磨性和红硬性。高硬度、耐磨性和红硬性。Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢l高速钢中碳含量必须与合金元素含量相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

36、影匹配，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响。所以高速钢中的碳含量一般都限制在较窄的成分范围。在较窄的成分范围。研究发现合金元素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，钢淬火及回火时的合金碳化物关系时，钢淬火及回火时的合金碳化物的沉淀对钢的硬化（二次硬化）效果最的沉淀对钢的硬化（二次硬化）效果最好，这被称为好，这被称为定比碳规律定比碳规律（也称为（也称为平衡平衡碳理论碳理论）。 Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢l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-

37、Fe中的固溶度很小，在中的固溶度很小，在727时仅时仅为为0.218%。由于合金碳化物较硬，仅从提。由于合金碳化物较硬，仅从提高高速钢的硬度考虑，希望所有的碳都与高高速钢的硬度考虑，希望所有的碳都与合金元素化合成合金碳化物，这便是定比合金元素化合成合金碳化物，这便是定比碳规律的思路。碳规律的思路。l合金元素形成碳化物引起钢硬度增加远大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于合金元素固溶于-Fe中固溶强化引起的中固溶强化引起的硬度增加；硬度增加；退火后残余碳化物引起的钢硬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。度增加远小于回火析出的碳化物的效应。 Chapte

38、r 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢l例如例如4%Cr，全部固溶及全部以，全部固溶及全部以Cr7C3析析出使钢在出使钢在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；2%V全部以残余全部以残余V4C3方式存在及全方式存在及全部在部在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。l高速钢热处理时，要选择尽可能高的淬火高速钢热处理时，要选择尽可能高的淬火温度，即不出现晶粒长大及晶界熔化的最温度，即不出现晶粒长大及晶界熔化的最高温度。因为这样处理，可以使尽可能多高温度。因为这样处理，可以使尽可能多的残余碳化物溶解，在随后回火时，有尽的残余碳化物溶解，在

39、随后回火时，有尽可能多的碳化物析出，从而获得尽可能高可能多的碳化物析出，从而获得尽可能高的室温硬度。的室温硬度。Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢l当合金元素高于化合比时，形成碳化物后的当合金元素高于化合比时，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；l当合金元素低于化学比时，形成合金碳化物当合金元素低于化学比时，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

40、，二次硬化效果应较好。果应较好。l高速钢含有较高的碳含量，既保证淬透性，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。一般含碳量又保证淬火后有足够的碳化物。一般含碳量在在1%左右，最高可达左右，最高可达1.65%。 Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢lW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:l退火状态时，退火状态时，W以以M6C形式存在。形式存在。l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原子结合力原子结合力

41、较强，能提高回火马氏体的分解温度；较强，能提高回火马氏体的分解温度；W的原的原子半径大，增加子半径大，增加Fe原子的自扩散激活能，因而原子的自扩散激活能，因而使高速钢中的马氏体加热到使高速钢中的马氏体加热到600625附近时附近时还比较稳定。在淬火加热时未溶解的还比较稳定。在淬火加热时未溶解的M6C碳化碳化物能阻止高温下奥氏体晶粒长大。物能阻止高温下奥氏体晶粒长大。l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。Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢l由此可见，由此可见，W量的增加可提高钢的红硬性并减小量的增加可提

42、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，钢中以后，钢中碳化物的不均匀性增加，强度、塑性降低；若碳化物的不均匀性增加，强度、塑性降低；若W含量减少，则碳化物的总量将减少，钢的熔点下含量减少，则碳化物的总量将减少，钢的熔点下降，从而影响红硬性。为了弥补降，从而影响红硬性。为了弥补W含量减少引起含量减少引起的不利影响，在成分设计上通常可以用的不利影响，在成分设计上通常可以用Mo代替部代替部分分W或适当增加或适当增加V的含量，在工艺上必须通过反复的含量，在工艺上必须通过反复锻造改善碳化物的均匀性。锻造改善碳化物的均匀性。l此外，此外，W的大量加入，强烈降低了

43、钢的热导率，的大量加入，强烈降低了钢的热导率，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4.2 高速钢高速钢l6-5-4-2 ：lMo在高速钢中的作用与在高速钢中的作用与W相似，如以相似，如以1%的的Mo代替代替2%W，钨系高速钢演变为钨钼系高速钢，如，钨系高速钢演变为钨钼系高速钢，如18-4-1钢即演变为钢即演变为6-5-4-2，二者红硬性相近。，二者红硬性相近。l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降低降低钢的结晶温度，同时凝固区间又窄，因而铸态组织钢的结晶温度，同时凝固区间又窄，因而

44、铸态组织细化），具有较高的强度、韧性和良好的耐磨性，细化），具有较高的强度、韧性和良好的耐磨性，在在9501150温度范围内有良好的热塑性，便于温度范围内有良好的热塑性，便于热加工。热加工。l但碳化钼不如碳化钨稳定，因而含钼高速钢的脱碳但碳化钼不如碳化钨稳定，因而含钼高速钢的脱碳倾向稍大，并且晶粒易于长大，因而淬火炉的气氛倾向稍大，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。在相似性能的高速钢中，及温度的控制要求较严。在相似性能的高速钢中，钨系高速钢价格较钨钼系高速钢高钨系高速钢价格较钨钼系高速钢高10%15%，从而，从而钨系高速钢产量急剧下降。钨系高速钢产量急剧下降。 Chapt

45、er 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢lV在高速钢中的作用是能显著提高钢的红硬性、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，同时硬度和耐磨性，同时V还能细化晶粒，降低钢还能细化晶粒，降低钢的过热敏感性。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，增加了马氏体的回火稳后存在于马氏体中，增加了马氏体的回火稳定性，从而提高了钢的红硬性，在回火时以定性，从而提高了钢的红硬性，在回火时以细小的细

46、小的VC析出，产生弥散硬化。析出，产生弥散硬化。VC的硬度的硬度较高，能提高钢的耐磨性，但给磨削加工造较高，能提高钢的耐磨性，但给磨削加工造成困难。成困难。Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢lCr主要主要也存在于也存在于M6C中，使中，使M6C的稳的稳定性下降，同时一部分定性下降，同时一部分Cr还形成还形成Cr23C6，它的稳定性更低，所以淬火，它的稳定性更低，所以淬火加热时，几乎全部溶于奥氏体中，从而加热时，几乎全部溶于奥氏体中，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还能使高速钢在切削过程中的抗氧化作用增强抗氧化作用增强，利用，利用Cr氧化

47、膜的致氧化膜的致密性防止粘刀，降低磨损。密性防止粘刀，降低磨损。 Chapter 4 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回火组织中基体的化学成分为：分为：0.07%C、0.3%W、0.6%Mo、2.6%Cr、0.25%V。这与低合金热强钢。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的某些合金化原理来理解高速钢中合金元素的作用。元素的作用。Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢l为了提高高速钢的红硬性，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、

48、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等满足了第一个条件；等满足了第一个条件；第第二个条件是需要二个条件是需要-Fe中存在与位错结合较中存在与位错结合较强的溶质原子强的溶质原子，通过第二相粒子和位错气，通过第二相粒子和位错气团这两种方式阻止变形的进行，而基体中团这两种方式阻止变形的进行，而基体中的溶质的溶质W、Mo、V则满足了第二个条件。则满足了第二个条件。Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢lCo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

49、回火时Mo2C的形核速度，减的形核速度，减缓了缓了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，对的活度，对Mo2C的形成有利；但的形成有利；但Co又使又使C的浓度梯度的浓度梯度下降，使下降，使C的扩散流减小，又不利于的扩散流减小，又不利于Mo2C的的加厚。而加厚。而Mo2C的加厚则取决于的加厚则取决于C及及Mo的扩的扩散，散，Co降低降低Mo在在-Fe中的扩散系数，丛而中的扩散系数，丛而控制了控制了Mo2C加厚因素。加厚因素。Chapter 4 合金工具钢4.2 高速钢高速钢l正是由于正是由于Co增加了增加了C的活度，因而含钴高的活度，因而含钴

50、高速钢的脱碳倾向较大，在淬火加热时，宜速钢的脱碳倾向较大，在淬火加热时，宜采用还原气氛，防止氧化和脱碳。采用还原气氛，防止氧化和脱碳。Co对回对回火过程中碳化物形核长大影响的结果，使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第一个条件。而满足了增加高速钢红硬性的第一个条件。 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可提高高速钢的熔点可提高高速钢的熔点，从而使淬火温，从而使淬火温度提高，度提高，使奥氏体中溶解更多的使奥氏体中溶解更多的W、Mo、V等合金元素，强化了基体，