Chapter4工具鋼主要內(nèi)容4.1工具鋼的分類(lèi)和基本性能要求

4.2刃具鋼：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高速鋼4.3冷作模具鋼：碳素及低合金模具鋼、高碳高鉻模具鋼、高碳中鉻模具鋼、基體鋼和低碳高速鋼、新型冷作模具鋼4.4熱作模具鋼：錘鍛模用鋼、熱擠壓、壓鑄模用鋼重點(diǎn)及基本要求掌握各類(lèi)鋼的典型牌號(hào)、成分特點(diǎn)、合金元素的作用、熱處理及應(yīng)用。重點(diǎn)是刃具鋼、高碳高鉻模具鋼、錘鍛模用鋼。難點(diǎn)是高速鋼的合金元素作用、熱處理工藝制定的依據(jù)和顯微組織與性能特點(diǎn)。4.1工具鋼的分類(lèi)和基本性能要求一、工具鋼的分類(lèi)

1、按化學(xué)成分分：

碳素工具鋼；低合金工具鋼；高合金工具鋼。2、按用途分：

刃具鋼；模具鋼：冷作模具鋼；熱作模具鋼；塑料模具鋼。量具鋼。4.1工具鋼的分類(lèi)和基本性能要求

二、工具鋼的基本性能要求

1、力學(xué)性能（1）刃具鋼高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韌性。有的還要求高的紅硬性。

紅硬性：在高溫下保持高硬度的能力。（2）熱作模具鋼高溫下具有一定的強(qiáng)度和硬度、抗熱疲勞性和良好的韌性。（3）冷作模具鋼高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韌性。（4）量具鋼高硬度、高耐磨性和良好的尺寸穩(wěn)定性。4.1工具鋼的分類(lèi)和基本性能要求

二、工具鋼的基本性能要求2、工藝性能（1）一定的淬透性（2）變形與開(kāi)裂傾向小對(duì)于一些精度要求較高的工具，特別需要注意變形的問(wèn)題。為了減小變形，可以采取以下措施：

①采用分級(jí)加熱、分級(jí)或等溫淬火、淬火前預(yù)冷以及使用冷卻速度緩慢的介質(zhì)。②減少鋼中碳化物的偏析。③淬火前預(yù)先進(jìn)行一次600～700℃（1～3小時(shí)）的高溫回火，以消除加工應(yīng)力，亦可減少淬火后的變形。④淬火加熱時(shí)，防止零件過(guò)熱，過(guò)熱會(huì)引起晶粒粗大和強(qiáng)度降低，淬火時(shí)工具容易開(kāi)裂。4.1工具鋼的分類(lèi)和基本性能要求

二、工具鋼的基本性能要求（3）降低脫碳敏感性工具鋼表面稍有脫碳就會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生不良影響，首先是使其表面硬度降低，減少耐磨性。工具鋼的脫碳敏感性和鋼的化學(xué)成分、加熱溫度和加熱介質(zhì)有關(guān)。在合金元素中硅和鉬含量超過(guò)1％時(shí)會(huì)加重脫碳敏感性。4.1工具鋼的分類(lèi)和基本性能要求

二、工具鋼的基本性能要求（4）良好的切削加工性能在工具鋼中，過(guò)共析鋼及萊氏體鋼由于過(guò)剩碳化物的存在，其切削加工性較亞共析鋼為差。為了取得好的加工性，工具鋼一般均需經(jīng)過(guò)球化退火，以得到硬度較低的粒狀珠光體組織。4.1工具鋼的分類(lèi)和基本性能要求

4.2刃具鋼一、碳素工具鋼

1、化學(xué)成分一般含有0.65-1.35%C。含碳量越高，則鋼的耐磨性越好，而韌性越差。典型牌號(hào)：

T7、T8、T9、T10、T11、T12及T13各類(lèi)。隨著數(shù)字的升高，鋼的硬度與耐磨性增高，而韌性逐漸下降。

4.2刃具鋼

一、碳素工具鋼2、鍛造及熱處理

(1)鍛造適當(dāng)?shù)膲嚎s比，使鋼中的碳化物細(xì)化并使之分布均勻。合適的終鍛(終軋)溫度終鍛、終軋溫度過(guò)高，鍛后易形成碳化物網(wǎng)；終鍛溫度過(guò)低，鋼的塑性變壞，易生成小裂紋。熱加工后應(yīng)迅速冷至600～700℃，然后緩冷，以免析出粗大或網(wǎng)狀碳化物。4.2刃具鋼

一、碳素工具鋼(2)球化退火球化退火的加熱溫度范圍一般為730～800℃。加熱過(guò)程中一部分滲碳體溶于奧氏體，殘留的滲碳體自發(fā)地趨于球形以減小表面能。隨后的緩慢冷卻過(guò)程中繼續(xù)析出的滲碳體也接近球狀，因而獲得細(xì)而均勻分布的球狀珠光體。4.2刃具鋼

一、碳素工具鋼(3)淬火和回火淬火加熱溫度為Ac1+30-50℃，屬于不完全淬火。通常采用鹽水或堿水淬火。碳素工具鋼的過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性較差，過(guò)冷奧氏體最短孕育期只有1秒左右，所以在淬火冷卻時(shí)必須保證在奧氏體不穩(wěn)定區(qū)快速冷卻，避免發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，在C曲線的鼻部以下，冷卻即可稍緩慢些。回火：回火溫度因工具的種類(lèi)與用途而稍有差異。刃具通常采用180～210℃，螺紋工具（如板牙）采用200～250℃。4.2刃具鋼

3、常用碳素工具鋼的化學(xué)成分、性能及用途

鋼號(hào)化學(xué)成分硬度用途舉例CSiMn供應(yīng)狀態(tài)（HB）淬火后HRCT70.65-0.74≤0.35≤0.40≤187≥62承受沖擊，韌性較好、硬度適當(dāng)?shù)墓ぞ?，如手鉗、大錘、改錐、木工工具T80.75-0.84≤0.35≤0.40≤187≥62承受沖擊，要求硬度較高的工具，如沖頭、壓縮空氣工具、木工工具T8Mn0.80-0.90≤0.350.40-0.60≤187≥62同上，但淬透性較大，可制斷面較大的工具T90.85-0.94≤0.35≤0.40≤192≥62韌性中等、硬度高的工具，如沖頭、木工工具、鑿巖工具T100.95-1.04≤0.35≤0.40≤197≥62不受劇烈沖擊、高硬度耐磨的工具，如車(chē)刀、刨刀、絲錐、手鋸條T111.05-1.14≤0.35≤0.40≤207≥62同上T121.15-1.24≤0.35≤0.40≤207≥62不受沖擊、要求高硬度高耐磨的工具，如銼刀、刮刀、精車(chē)刀、量具T131.25-1.35≤0.35≤0.40≤217≥62同上，要求更耐磨的工具，如刮刀、剃刀4.2刃具鋼

二、低合金工具鋼

1、合金元素的作用（1）鉻Cr是碳化物形成元素，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，增加淬透性。阻止?jié)B碳體型碳化物的聚集、長(zhǎng)大，提高了馬氏體的分解溫度，從而有效地提高了鋼的回火抗力。Cr還能防止Si的石墨化傾向。

4.2刃具鋼

1、合金元素的作用（2）硅增加鋼的淬透性，提高鋼的回火穩(wěn)定性。Si是石墨化元素，在高碳鋼中，高溫加熱時(shí)引起脫碳和促進(jìn)石墨化，必須同時(shí)添加W、Cr、Mn等，減少鋼的脫碳傾向。（3）錳提高鋼的淬透性，但Mn增加鋼的過(guò)熱傾向。4.2刃具鋼

1、合金元素的作用（4）鎢

W在工具鋼中形成較穩(wěn)定的碳化物，阻止鋼的過(guò)熱，保證晶粒細(xì)化，有利于提高鋼的耐磨性。（5）釩

V比其他元素更為有效地阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，降低過(guò)熱敏感性。4.2刃具鋼

2、鍛造及熱處理

鍛造：需多次鍛粗和拔長(zhǎng)，使碳化物分布均勻。低合金工具鋼的熱加工要求和碳素工具鋼基本相同。淬火：加熱溫度比碳工具鋼稍高些，可用油、熔鹽等較緩和的淬火介質(zhì)?；鼗穑?60-200℃。4.2刃具鋼

3、常用低合金工具鋼的化學(xué)成分、

力學(xué)性能和用途

鋼號(hào)化學(xué)成分，wt%熱處理及硬度用途CMnSiCr其它淬火，℃淬火，HRC回火，℃回火后，HRCCr061.30-1.45≤0.40≤0.400.50-0.70-800-810，水63-65160-18062-64銼刀、刮刀、刻刀Cr20.95-1.10≤0.40≤0.401.30-1.65-830-850，油62-65150-17060-62同上9SiCr0.85-0.950.30-0.601.20-1.600.95-1.25-830-860，油62-64150-20061-63絲錐、板牙、鉆頭、鉸刀CrWMn0.90-1.050.80-1.10≤0.400.90-1.20W1.20-1.60800-830，油62-63160-20061-62拉刀、長(zhǎng)絲錐、長(zhǎng)鉸刀9Mn2V0.85-0.951.70-2.00≤0.40-V0.10-0.25760-780，油＞62130-17060-62絲錐、板牙、鉸刀CrW51.25-1.50≤0.40≤0.400.40-0.70W4.50-5.50800-850，油65-66160-18064-65低速切削硬金屬刃具，如車(chē)刀、銑刀三、高速鋼

在高速切削過(guò)程中，刀具的刃部溫度可達(dá)600℃以上，低合金鋼刃具已不能滿足這種要求。因此，就必須選用高速鋼，它在650℃時(shí)，仍能使硬度保持HRC50以上，從而保證其切削性能和耐磨性。高速鋼刀具的切削速度可比碳素工具鋼和低合金工具鋼增加1～3倍，而耐用性增加7～14倍，因此，高速鋼在機(jī)械制造工業(yè)中被廣泛地采用。4.2刃具鋼

1、高速鋼的化學(xué)成分、鑄態(tài)組織

和碳化物類(lèi)型

（1）高速鋼的化學(xué)成分我國(guó)最常見(jiàn)的高速鋼為鎢系和鎢鉬系，主要的合金元素是W、Mo、Cr、V和Co，屬于高合金萊氏體鋼。鋼號(hào)化學(xué)成分（%）CSiMnCrMoWVW18Cr4V0.7-0.9≤0.4≤0.43.8-4.4≤0.317.5-191.0-1.4W6Mo5Cr4V20.8-0.9≤0.4≤0.43.8-4.44.5-5.55.5-6.71.75-2.24.2刃具鋼

1、高速鋼的化學(xué)成分、鑄態(tài)組織

和碳化物類(lèi)型（2）高速鋼的鑄態(tài)組織高速鋼的鑄態(tài)組織常常由魚(yú)骨狀萊氏體(Ld)、中心黑色的共析體、白亮的馬氏體和殘余奧氏體組成。如圖4-2。4.2刃具鋼

4.2刃具鋼

（3）高速鋼的碳化物所有的高速鋼中，在退火狀態(tài)下都含有M6C、M23C6。MC三種碳化物。18-4-1高速鋼退火狀態(tài)的碳化物總量約為30%左右，其中M6C型碳化物約占18%，M23C6型碳化物約占8%。MC型碳化物約占1%。在淬火狀態(tài)下，只有M6C和MC。在回火（650℃）狀態(tài)有M2C、MC析出。4.2刃具鋼

M6C型碳化物：典型的M6C型碳化物是Fe4W2C。其中Fe和W可以相互置換，形成Fe3W3C或Fe2W4C。鋼中含有的Cr、Mo、V可溶解在M6C中，Mo、V可置換W；Cr可置換Fe、W，這就使M6C穩(wěn)定性不同。如Cr溶入M6C中，使M6C穩(wěn)定性下降。M6C的硬度為73.5HRC~77HRC。4.2刃具鋼

M23C6型碳化物：是以Cr、W、Mo為主并溶有鐵等元素的碳化物（Cr、Fe、W、Mo、V）23C6。典型碳化物是Cr23C6，其穩(wěn)定性較差，淬火加熱時(shí)，全部溶于奧氏體中，增加鋼的淬透性。4.2刃具鋼

MC型碳化物：是以V為主的VC，也能溶解少量的W、Mo、Cr等元素。碳化物VC的穩(wěn)定性最高，即使在淬火加熱溫度下，也不能全部溶解。VC的最高硬度可達(dá)83~85HRC。在高溫回火過(guò)程中析出，使高速鋼產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，從而使鋼具有高的耐磨性。4.2刃具鋼

M2C和M7C3型碳化物：高速鋼在回火過(guò)程中，當(dāng)溫度超過(guò)500℃時(shí)，自馬氏體中析出W2C、Mo2C，引起鋼的彌散硬化。當(dāng)回火溫度超過(guò)650℃時(shí)，則析出M6C及M7C3，它們?nèi)菀拙奂L(zhǎng)大，使鋼的硬度下降。4.2刃具鋼

2、高速鋼的鍛造和熱處理

（1）鍛造

高速鋼的鑄態(tài)組織很不均勻。大量不均勻分布的粗大碳化物，將造成強(qiáng)度及韌性的下降。這種缺陷不能用熱處理工藝來(lái)矯正，必須借助于反復(fù)壓力熱加工(鍛、軋)，將粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均勻分布在基體內(nèi)。高速鋼在空氣中冷卻即可進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，所以鍛造或軋制以后，鋼坯應(yīng)緩慢冷卻，以防止產(chǎn)生過(guò)高的應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂。4.2刃具鋼

（2）退火高速鋼鍛造以后，必須進(jìn)行球化退火，其目的不僅在于降低鋼的硬度，以利切削加工，而且也為以后的淬火作組織上的準(zhǔn)備。18-4-1鋼的AC1溫度是820-860℃，故退火溫度為860℃～880℃。在該溫度保溫2～3h，大部分合金碳化物未溶入奧氏體中，此時(shí)奧氏體中合金元素含量不多，冷卻時(shí)易于轉(zhuǎn)變?yōu)榱钪楣怏w和剩余碳化物（圖4.3）。

4.2刃具鋼

（3）淬火18-4-1鋼的淬火溫度是1280℃。淬火溫度越高，合金元素溶入奧氏體的數(shù)量越多，淬火之后馬氏體的合金濃度越高。只有合金含量高的馬氏體才具有高的回火穩(wěn)定性，在高溫回火時(shí)析出彌散合金碳化物產(chǎn)生二次硬化，使鋼具有高的硬度和紅硬性。高速鋼中的合金碳化物M6C、M23C6和MC比較穩(wěn)定，必須在高溫下將其溶解。三者中M23C6穩(wěn)定性最差，在900℃大量溶解，1090℃溶解完畢；M6C在1037℃以上開(kāi)始溶解，1250℃以上溶解量逐漸減??；MC在1100℃以上逐漸溶解，溶解速度比M6C緩慢。由圖4-4可知，在1280℃淬火溫度下，18-4-1鋼奧氏體中合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Cr基本溶解，W溶解7-8%，V溶解0.5-1.0%。4.2刃具鋼

4.2刃具鋼

（3）淬火溫度超過(guò)1300℃時(shí)，各元素的溶解量雖還有增加，但奧氏體晶粒則急劇長(zhǎng)大，甚至在晶界處發(fā)生溶化現(xiàn)象。使淬火鋼的韌性大大下降。所以，1280℃作為淬火溫度。由于高速鋼的導(dǎo)熱性差，而淬火溫度又極高，為減少工件在加熱時(shí)的變形開(kāi)裂和縮短高溫保持時(shí)間，減少脫碳，可采用預(yù)熱。一次預(yù)熱在800-850℃，二次預(yù)熱在800-850℃前加一次500-600℃預(yù)熱。淬火一般采用油淬空冷，對(duì)細(xì)長(zhǎng)件和薄片刃具采用分級(jí)淬火，一般在580-620℃一次分級(jí)或在350-400℃做第二次分級(jí)。鋼的正常淬火組織是馬氏體＋碳化物＋殘余奧氏體(30%左右)。圖4-5為高速鋼的正常淬火組織，圖4-7為1350℃油淬后的過(guò)燒組織。4.2刃具鋼

4.2刃具鋼

（4）回火高速鋼一般需進(jìn)行三次560℃保溫1h的回火處理。圖4-8，4-9示出了回火溫度和回火次數(shù)對(duì)18-4-1高速鋼強(qiáng)度、硬度和塑性的影響?；鼗饻囟仍?00-600℃之間，鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性均有提高，而在550-570℃時(shí)可達(dá)到硬度、強(qiáng)度的最大值。在此溫度區(qū)間，自馬氏體中析出彌散的鎢(鉬)及釩的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使鋼的硬度大大提高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次硬化。當(dāng)回火溫度500～600℃之間時(shí)，殘余應(yīng)力松弛，基體中析出了部分碳化物，使殘余奧氏體中合金元素及碳含量下降，Ms點(diǎn)升高。這種貧化的殘余奧氏體，在回火后的冷卻過(guò)程中，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使鋼的硬度也有所提高。為了降低殘余奧氏體量，需增加回火冷卻次數(shù)，三次回火后殘余奧氏體量完全轉(zhuǎn)變。正常回火后硬度為HRC63～66，其組織為回火馬氏體加碳化物。常用高速鋼鋼棒的熱處理制度、主要特性及用途舉例如表4-5。4.2刃具鋼

高速鋼的熱處理工藝規(guī)范圖4.2刃具鋼

（5）高速鋼的表面強(qiáng)化為改善刃具的切削效率和提高耐用性，生產(chǎn)上經(jīng)常對(duì)刃具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。表面強(qiáng)化主要有化學(xué)熱處理和表面復(fù)層處理兩類(lèi)。前者包括蒸氣處理、氣體軟氮化、離子氮化、氧氮化(氧氮共滲)等。表面復(fù)層處理則使金屬表面形成耐磨的碳化鈦、氮化鈦復(fù)層，許多國(guó)家已用于生產(chǎn)。4.2刃具鋼

3、高速鋼中合金元素的作用（1）碳主要強(qiáng)化元素，隨著碳含量進(jìn)一步增高，淬火回火后的硬度和熱硬性都增高。若碳和碳化物形成元素滿足碳化物分子式中的定比關(guān)系，可以獲得最大的二次硬化效應(yīng)。

C%=0.033%W+0.063%Mo+0.20%V+0.060%Cr

若碳含量很高，碳化物總量增多，碳化物不均勻性增加；淬火后殘余奧氏體量增多，需多次回火；使固相線溫度降低，淬火溫度下降。對(duì)W-Mo系，增加碳含量將使鋼的抗彎強(qiáng)度和韌性明顯下降。4.2刃具鋼

（2）鎢和鉬提高熱硬性、回火穩(wěn)定性和細(xì)化晶粒、改善韌性。共晶碳化物M6C淬火加熱時(shí)大量未溶，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，改善韌性。固溶在奧氏體中的7-8%W淬火后提高回火穩(wěn)定性；回火時(shí)析出W2C，產(chǎn)生彌散硬化，提高熱硬性。鉬的作用與鎢相同，1%Mo可取代1.5%W。鉬使共晶碳化物由魚(yú)骨狀變成細(xì)鳥(niǎo)巢狀，減小碳化物的不均勻性；熱硬性略低；脫碳傾向大；鉬系抗彎強(qiáng)度和韌性遠(yuǎn)高于鎢系。4.2刃具鋼

（3）鉻提高淬透性，也增加耐蝕性和抗氧化能力。Cr在鋼中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化物中。淬火加熱Cr幾乎全部溶于奧氏體中，主要提高淬透性。4.2刃具鋼

（4）釩

細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性和熱硬性。V在鋼中主要以VC存在，也溶于其他類(lèi)型碳化物。淬火加熱時(shí)，VC部分溶于奧氏體中，未溶部分阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，溶解部分使馬氏體回火穩(wěn)定性提高；回火時(shí)析出彌散VC產(chǎn)生二次硬化，提高熱硬性。高速鋼中含V量增多，熱硬性明顯提高。高V高速鋼中，鳥(niǎo)巢狀的共晶碳化物VC增多，可達(dá)10%左右，提高鋼的耐磨性，但也使切削加工性能降低。高V高速鋼屬于高熱硬性高耐磨性鋼。4.2刃具鋼

（5）鈷提高回火穩(wěn)定性和熱硬性。降低韌性、增大脫碳傾向。淬火加熱時(shí)溶于奧氏體中，提高馬氏體的回火穩(wěn)定性。Co與W和Mo原子間結(jié)合力強(qiáng)，可減輕W和Mo原子擴(kuò)散速率，減慢合金碳化物析出和聚集長(zhǎng)大，增加熱硬性。4.2刃具鋼

（6）微合金元素氮：提高熱硬性，同時(shí)也提高抗彎強(qiáng)度和撓度，改善韌性。

N溶于碳化物中，形成合金碳氮化物，使M6C碳化物穩(wěn)定性提高，減小聚集傾向。N細(xì)化奧氏體晶粒，提高晶界開(kāi)始熔化溫度，因而提高了淬火溫度和合金元素溶解量，增加回火硬度和熱硬性。稀土元素：提高鋼在900-1150℃間的熱塑性。加入稀土元素降低硫在晶界的偏聚，提高熱塑性。4.2刃具鋼

4、高速鋼刃具的熱處理缺陷

（1）過(guò)熱由于淬火溫度過(guò)高等原因，造成晶粒過(guò)大，剩余碳化物數(shù)量減少，碳化物出現(xiàn)粘連、拖尾、角狀或沿晶界呈網(wǎng)狀分布的現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)熱。（2）過(guò)燒淬火溫度接近鋼的熔化溫度，晶界熔化，出現(xiàn)萊氏體及黑色組織，稱(chēng)為過(guò)燒(圖4-7)。過(guò)燒的刃具，常常出現(xiàn)嚴(yán)重的變形或皺皮現(xiàn)象，這種缺陷是不可挽救的。4.2刃具鋼

4、高速鋼刃具的熱處理缺陷（3）脫碳表面脫碳使工具的硬度降低，金相組織中出現(xiàn)明顯的鐵素體，在其基體上還有碳化物存在。鋼的表層脫碳，使Ms點(diǎn)升高，在淬火時(shí)，表層先轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，形成一層薄的硬殼，隨后心部進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，體積膨脹，表層受到張應(yīng)力，易于引起開(kāi)裂，同時(shí)其硬度和耐磨性也降低，從而大大降低刃具壽命。（4）萘狀斷口萘狀斷口呈閃光粗粒狀，有如萘光，故得名。其金相組織為粗大的晶粒。產(chǎn)生萘狀斷口的刀具，強(qiáng)度、韌性極低，使用時(shí)易崩刃或折斷，是一種不可挽救的缺陷。萘斷口的形成主要是由于停鍛溫度過(guò)高(1050～1100℃)，而且變形量又在10～15％左右，或由于需返修而進(jìn)行兩次淬火，其間未經(jīng)退火造成的。如果淬火前不進(jìn)行充分退火，也容易產(chǎn)生萘狀斷口。4.2刃具鋼

作業(yè)題：1常用碳素工具鋼和低合金工具鋼的典型鋼種有哪些，如何進(jìn)行熱處理，其主要用途是什么？2如何制定W18Cr4V高速鋼的熱處理工藝，為什么？3高速鋼中常用合金元素的作用是什么？思考題：了解其他高速鋼的成分、合金元素作用、主要性能及用途？4.3冷作模具鋼一、冷作模具的服役條件、失效方式

和性能要求

冷作模具鋼包括拉延、拉絲和壓彎模、沖裁模（落料、沖孔、修邊模、沖頭、剪刀模等）、冷鐓模和冷擠壓模等，工作溫度一般不超過(guò)300℃。冷作模具鋼在服役時(shí)，由于被加工材料的變形抗力比較大，模具的工作部分承受很大的壓應(yīng)力、彎曲力、沖擊力及摩擦力。因此冷作模具鋼的主要失效形式是磨損，有時(shí)也因斷裂、崩刃和變形超差而提前失效。4.3冷作模具鋼一、冷作模具的服役條件、失效方式

和性能要求要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗彎強(qiáng)度和足夠的韌性。對(duì)性能的要求與刃具鋼相比：模具形狀及加工工藝比較復(fù)雜，而且摩擦面積大，磨損可能性大，所以修磨困難，因此要求模具鋼具有更高的耐磨性承受沖擊力大，又由于形狀復(fù)雜易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以要求具有較高的韌性模具尺寸大、形狀復(fù)雜，所以要求較高的淬透性、較小的變形及較小的開(kāi)裂傾向。4.3冷作模具鋼二、碳素及低合金模具鋼

常用作冷作模具的碳素工具鋼有T8A、T10A、T12A。常用作冷作模具的低合金工具鋼有9Mn2V、9CrSi、CrWMn等。只能用于制作尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、工作負(fù)荷較輕的模具。4.3冷作模具鋼三、高碳高鉻模具鋼

1、高鉻模具鋼的成分和特點(diǎn)含有較高的C（1.4%~2.3%）和大量的Cr（11%~13%），有時(shí)還加入少量的Mo和V。這類(lèi)鋼的典型鋼號(hào)有Cr12和Cr12MoV，其化學(xué)成分如下見(jiàn)表4-6。4.3冷作模具鋼高碳高鉻冷變形模具鋼具有以下特點(diǎn)：

①高的耐磨性：主要由于存在大量M7C3型碳化物。②高的淬透性：經(jīng)900～1000℃淬火加熱后，固溶體中含有4～5％Cr，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性很高，直徑大于200～300mm的工模具，可以完全淬透。③淬火變形?。弘S淬火溫度的升高，體積變化減小，顯然這與殘余奧氏體量增多有關(guān)。④高的紅硬性：經(jīng)回火處理產(chǎn)生二次硬化，有較高的紅硬性。⑤碳化物不均勻比較嚴(yán)重：通常需要通過(guò)改鍛來(lái)降低碳化物的級(jí)別。

2鍛造和退火高碳高鉻型鋼的組織和性能與高速鋼有許多相似之處，也屬于萊氏體鋼。鑄態(tài)組織也有共晶萊氏體存在，必須通過(guò)軋制或鍛造，破碎共晶碳化物，也減少碳化物的不均勻分布。鍛造后通常采用等溫球化退火進(jìn)行軟化。A1溫度為800℃~820℃，所以等溫球化退火的加熱溫度一般為850℃~870℃，保溫3h~4h；退火等溫溫度為720℃~740℃，保溫6h~8h，爐冷至小于500℃出爐空冷，如圖4-9。等溫球化退火后的組織與高速鋼的退火組織相似，為索氏體型珠光體+粒狀碳化物。退火后硬度為207~267HB。4.3冷作模具鋼4.3冷作模具鋼3淬火和回火

隨著加熱溫度的升高，合金碳化物Cr7C3繼續(xù)向奧氏體中溶解，增加了奧氏體中碳和鉻的濃度，可獲得較高的淬火硬度。淬火溫度升高到1050℃時(shí)，淬火硬度達(dá)最大值。若淬火溫度再升高，由于奧氏體中合金元素增多，使Ms點(diǎn)下降，從而導(dǎo)致殘余奧氏體量的增加，硬度急劇下降。如圖4-12。4.3冷作模具鋼4.3冷作模具鋼高碳高鉻型鋼的淬火、回火處理有下列兩種工藝方法：(1)一次硬化處理

采用較低的淬火溫度并進(jìn)行低溫回火。選用較低的淬火溫度，晶粒較細(xì)，鋼的強(qiáng)度和韌性較好。通常Cr12MoV鋼選用980～1030℃淬火，如希望得到較高的硬度，淬火溫度可取上限?；鼗饻囟纫话阍?50-170℃。硬度HRC61-63?；鼗饻囟壬邥r(shí)硬度降低,但強(qiáng)度和韌性提高。大多數(shù)Cr12型鋼制作冷變形模具均采用此工藝。4.3冷作模具鋼(2)二次硬化處理

在較高的溫度淬火，然后進(jìn)行多次高溫回火，以達(dá)到二次硬化的目的。這樣可以獲得高的回火穩(wěn)定性，但稍降低鋼的強(qiáng)度和韌性。二次硬化處理適于工作溫度較高(400-500℃)且負(fù)荷不大或淬火后表面需要氮化的模具。4.3冷作模具鋼四、高碳中鉻模具鋼

1中鉻模具鋼的成分和特點(diǎn)典型鋼種：Cr6WV、Cr4W2MoV和Cr5Mo1V。含碳量相對(duì)低、鉻量低，屬于過(guò)共析鋼，但仍有部分萊氏體共晶。碳化物以Cr7C3為主，并有少量M6C和MC型。碳化物分布較均勻，退火態(tài)含有15%左右的碳化物。耐磨性好、熱處理變形小，適用于既要求耐磨性又具有一定韌性的模具。4.3冷作模具鋼2淬火、回火

Cr6WV淬火溫度通常采用960-980℃，熱油淬火，150-200℃回火，硬度HRC58-62。淬火溫度提高，可獲得最高的硬度和淬透性。耐磨性低于Cr12鋼，但有較好的強(qiáng)韌性。常用合金冷作模具鋼的熱處理、主要特性和用途如表4-7。

4.3冷作模具鋼五、基體鋼或低碳高速鋼

所謂基體鋼系指含有高速鋼淬火組織中除過(guò)剩碳化物外的基體化學(xué)成分的鋼種。這種鋼，既有高速鋼基體的強(qiáng)度和熱硬性，又不含有大量的未溶碳化物，故不致使韌性和疲勞強(qiáng)度降低。一般18-4-1和6-5-4-2高速鋼正常淬火后基體的成分如表4-8。4.3冷作模具鋼4.3冷作模具鋼由表4-8和表4-6可見(jiàn)，基體鋼也可以認(rèn)為是一種較低碳含量的高速鋼（有時(shí)稱(chēng)為低碳高速鋼，實(shí)際碳含量處于中碳成分）。這種低碳高速鋼常用于高沖擊負(fù)荷下的模具，由于碳化物相對(duì)較少，鋼的韌性和工藝性能也明顯改善。低碳高速鋼應(yīng)用最多的是6W6Mo5Cr4V鋼，碳和釩的含量都比高速鋼6-5-4-2降低，但仍屬于萊氏體鋼。這種鋼適宜的淬火溫度為1180℃~1200℃，在油、空氣或鹽浴中冷卻，淬火后經(jīng)560℃~580℃回火三次，硬度為（60~63）HRC。其他鋼種：50Cr4Mo3W2V，55Cr4Mo5WVCo8，65Cr4W3Mo2VNb，60Cr4Mo3Ni2WV。4.3冷作模具鋼六、新型冷作模具鋼

為適應(yīng)冷鐓模和厚板沖剪模的要求，既有良好的耐磨性，又有較高的韌性，發(fā)展的高韌、高耐磨的鋼種。典型的鋼種有8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2V2WSi，我國(guó)常用的是7Cr7Mo2V2Si鋼。7Cr7Mo2V2Si鋼成分：0.75%C,1.0%Si,7.0%Cr,2.5%Mo,2.0%V?？偤辖鹪刭|(zhì)量分?jǐn)?shù)12%左右，有較好的淬透性，熱處理變形小。4.3冷作模具鋼在退火狀態(tài)，鋼中碳化物以VC為主，還有少量的M23C6和M6C。淬火溫度1100-1150℃，此時(shí)剩余碳化物為3%的VC，提高耐磨性。由于剩余碳化物總量不高，鋼的韌性較好。淬火回火時(shí)在500-550℃間出現(xiàn)二次硬化峰。要求強(qiáng)韌性好的模具，采用低淬火溫度1100℃，550℃回火2-3次。要求高耐磨性，采用高淬火溫度1150℃，560℃回火2-3次。4.3冷作模具鋼作業(yè)：

敘述高碳高鉻模具鋼的成分、熱處理、性能特點(diǎn)及用途。思考題：

了解其他類(lèi)型冷作模具鋼的成分、熱處理、性能特點(diǎn)及用途。4.3冷作模具鋼4.4熱作模具鋼熱作模具主要包括錘鍛模、熱擠壓模和壓鑄模三類(lèi)。熱作模具服役條件的主要共同特點(diǎn)是與熱態(tài)金屬直接接觸。因此會(huì)帶來(lái)以下兩個(gè)方面的影響：一是模腔表面金屬受熱（錘鍛模模腔表面可達(dá)300℃~400℃，熱擠壓?？蛇_(dá)500~800℃，壓鑄模模腔溫度與壓鑄材料的熔點(diǎn)及澆注溫度有關(guān)，對(duì)于黑色金屬高達(dá)1000℃以上），使模腔表面硬度和強(qiáng)度顯著降低；二是模腔表面金屬在承受反復(fù)熱、冷的作用下出現(xiàn)熱疲勞（龜裂）。對(duì)熱作模具鋼的性能要求一方面是高的高溫硬度、高的熱塑性變形抗力，實(shí)際上反映了鋼的高回火穩(wěn)定性；另一方面是要求鋼具有高的熱疲勞抗力。一、熱作模具的服役條件和性能要求

二、錘鍛模用鋼

1、化學(xué)成分和典型鋼種

碳含量不宜過(guò)高，一般在0.45-0.6%之間。中碳可以保證鋼具有足夠的韌性，碳含量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致鋼的硬度和強(qiáng)度下降，碳含量過(guò)高，鋼的導(dǎo)熱性能低，對(duì)抗熱疲勞有利。加入Cr、Mn、Ni、Si、W、V等合金元素。一方面可以強(qiáng)化鐵素體基體和增加淬透性，另一方面這些合金元素還可以提高鋼的回火穩(wěn)定性，并在回火過(guò)程中產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，從而提高鋼的高溫強(qiáng)度、高的熱塑性變形抗力；同時(shí)這些合金元素的加入還可以提高鋼的臨界點(diǎn)，并使模面在交替受熱與冷卻過(guò)程中不致發(fā)生容積變化較大的相變，從而提高鋼的熱疲勞抗力。加入Mo、W等合金元素還可以防止回火脆性。4.4熱作模具鋼1、化學(xué)成分和典型鋼種典型鋼種：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2MoWVNi和45Cr2NiMoSiV?；瘜W(xué)成分見(jiàn)表4-10。4.4熱作模具鋼2、淬火和回火鍛模由型腔和燕尾兩部分組成。