1、2022-10-29金属材料学第八章工模具用钢金属材料学金属材料学_第八章第八章_工工模具用钢模具用钢金属材料学第八章工模具用钢主 要 内 容8.1 工具钢的分类和基本性能要求工具钢的分类和基本性能要求 8.2 刃具钢：刃具钢：碳素工具钢碳素工具钢、低合金工、低合金工 具钢、具钢、高速钢高速钢 8.3 冷作模具钢冷作模具钢8.4 热作模具钢热作模具钢金属材料学第八章工模具用钢重点及基本要求重点及基本要求掌握各类钢的典型牌号、成分特点、合掌握各类钢的典型牌号、成分特点、合金元素的作用、热处理及应用。金元素的作用、热处理及应用。重点是刃具钢、高碳高铬模具钢、锤锻重点是刃具钢、高碳高铬模具钢、锤锻模
2、用钢。模用钢。难点是高速钢的合金元素作用、热处理难点是高速钢的合金元素作用、热处理工艺制定的依据和显微组织与性能特点。工艺制定的依据和显微组织与性能特点。金属材料学第八章工模具用钢工模具钢的定义与分类工模具钢的定义与分类定义定义：用来制造刃具、模具和量具刃具、模具和量具的钢种分类分类：刃具钢、模具钢和量具钢刃具钢、模具钢和量具钢刃具钢刃具钢：碳素钢、低合金工具钢和高速工：碳素钢、低合金工具钢和高速工具钢。具钢。模具钢模具钢：热作模具钢、冷作模具钢和塑料：热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢。模具钢。量具钢量具钢用来制作量规、卡尺、样板等用用来制作量规、卡尺、样板等用来测量工件尺寸和形状来测量工件
3、尺寸和形状.金属材料学第八章工模具用钢8.1 工模具钢的性能要求、成分与工模具钢的性能要求、成分与热处理特点热处理特点主要主要矛盾矛盾工模具钢要有优良的耐磨性（硬度工模具钢要有优良的耐磨性（硬度要高）；在工作过程中还要有良好的要高）；在工作过程中还要有良好的韧性。韧性。在韧度和耐磨性之间的合理平衡在韧度和耐磨性之间的合理平衡解决解决矛盾矛盾方法方法取决于基体取决于基体马氏体的成分与硬度马氏体的成分与硬度和和碳碳化物化物的的性质、数量、形态和分布性质、数量、形态和分布。即即成分成分与与组织状态组织状态金属材料学第八章工模具用钢一、一、工具钢成分与性能特点工具钢成分与性能特点C含量含量高硬度、耐磨
4、性、足够的强度和韧性高硬度、耐磨性、足够的强度和韧性高高C（0.61.3%）C，M（马氏体）的硬度、切断抗力（马氏体）的硬度、切断抗力，耐磨性，耐磨性C，碳化物的数量，碳化物的数量，耐磨性，耐磨性金属材料学第八章工模具用钢一、一、工具钢成分、组织与性能特点工具钢成分、组织与性能特点合金元素合金元素高高C，获得大量碳化物，保证耐磨、热稳定性，获得大量碳化物，保证耐磨、热稳定性主加合金元素主加合金元素：强碳化物或中强碳化物形成元素，强碳化物或中强碳化物形成元素，如：如：Cr、W、Mo、V等。等。作用：作用：耐磨性、热稳定性和淬透性耐磨性、热稳定性和淬透性；辅加元素：辅加元素：Mn、Si等能提高淬透
5、性和回火稳定性等能提高淬透性和回火稳定性的元素的元素金属材料学第八章工模具用钢一、一、工具钢成分、组织与性能特点工具钢成分、组织与性能特点组织组织为保证耐磨性为保证耐磨性第二相碳化物第二相碳化物 球状、细小、均匀分布球状、细小、均匀分布规律：碳化物呈球状、细小、均匀分布时规律：碳化物呈球状、细小、均匀分布时材料的耐磨性提高材料的耐磨性提高金属材料学第八章工模具用钢二、热加工与热处理特点预处理二、热加工与热处理特点预处理第二相碳化物第二相碳化物 球状、细小、均匀分布球状、细小、均匀分布碳素工具钢和低合金工具钢碳素工具钢和低合金工具钢：球化退火球化退火获得获得铁素体铁素体+细小球形碳化物细小球形碳
6、化物高合金工具钢高合金工具钢：C C高、合金元素含量高，高、合金元素含量高，K K多且不均匀多且不均匀高合金工具钢：球化退火前要热锻：高合金工具钢：球化退火前要热锻：破碎一次碳化物（细小）同时使碳化物均匀分布破碎一次碳化物（细小）同时使碳化物均匀分布获得获得粒状珠光体组织粒状珠光体组织金属材料学第八章工模具用钢二、热处理特点最终热处理二、热处理特点最终热处理淬火淬火+回火；组织：回火马氏体回火；组织：回火马氏体+K+K淬火温度：在淬火温度：在AcAc1 1AcmAcm，即在碳化物与奥氏体共存区，即在碳化物与奥氏体共存区原因：原因：碳化物的存在，可以阻止奥氏体长大，细化碳化物的存在，可以阻止奥氏
7、体长大，细化组织，提高韧性；组织，提高韧性；这些碳化物的存在可以提高的耐这些碳化物的存在可以提高的耐磨性；磨性；可以用温度高低，改变奥氏体中可以用温度高低，改变奥氏体中C C含量，含量，从而改变淬透性从而改变淬透性选择依据：在消除有害应力的前提下，尽量保持钢选择依据：在消除有害应力的前提下，尽量保持钢的高硬度，以保持高耐磨性的高硬度，以保持高耐磨性回火温度：低温回火回火温度：低温回火金属材料学第八章工模具用钢三、工具钢基本性能及检测方法三、工具钢基本性能及检测方法 强度强度塑性塑性 静弯或扭转试验静弯或扭转试验弯曲强度、弯曲强度、挠度和扭转强度、扭转角；挠度和扭转强度、扭转角；韧度韧度硬度硬度
8、热稳热稳定性定性 一般采用无缺口冲击试样一般采用无缺口冲击试样 一般硬度一般硬度60HRC以上，以上，K可适可适当当硬度硬度23HRC 对高速钢，通常就是红硬性对高速钢，通常就是红硬性金属材料学第八章工模具用钢淬透淬透性性 断口法断口法碳素工具钢和低合金工具钢；碳素工具钢和低合金工具钢；端淬法端淬法合金工具钢，以端淬曲线上合金工具钢，以端淬曲线上 60HRC处距水冷端距离表示。处距水冷端距离表示。淬透性作用强弱顺序：淬透性作用强弱顺序：Si、Mn、Mo、Cr、NiMe淬透性淬透性,只有溶入只有溶入A中，才起作用；中，才起作用；Me作用随钢中含碳量而变化，如作用随钢中含碳量而变化，如Si。工具钢
9、淬透性随热处理条件而变化工具钢淬透性随热处理条件而变化,如如V 注意注意点点金属材料学第八章工模具用钢Si对不同含对不同含C量钢的淬透性影量钢的淬透性影响响 V在不同淬火温度时对淬透性的影响在不同淬火温度时对淬透性的影响 金属材料学第八章工模具用钢8.2 刃具用钢刃具用钢 一、刃具的工作条件和对刃具钢的基本性能要求一、刃具的工作条件和对刃具钢的基本性能要求、高切断抗力，防止折断、崩刃和变形、高切断抗力，防止折断、崩刃和变形、高的耐磨性，防止人口过早和过量磨损破坏、高的耐磨性，防止人口过早和过量磨损破坏、高硬度，使其具有高耐磨性、高硬度，使其具有高耐磨性、高的弯曲强度和足够的韧性、高的弯曲强度和
10、足够的韧性、高的热稳定性：防止高温工作下软化导致、高的热稳定性：防止高温工作下软化导致 耐磨性下降耐磨性下降 工具钢热稳定性的衡量：工具钢热稳定性的衡量：用加热时能保持一定硬度的最高温度来表示。用加热时能保持一定硬度的最高温度来表示。对高速钢用红硬性：正常淬火回火的高速钢加热到对高速钢用红硬性：正常淬火回火的高速钢加热到600600、625625、650650，重复，重复4 4次，每次次，每次1h1h，保持，保持HRC60HRC60的温度定义为的温度定义为金属材料学第八章工模具用钢二、碳素工具钢二、碳素工具钢 含含C C量：量：0.650.651.35%1.35%，足够高的硬度和较好的耐磨性。
11、，足够高的硬度和较好的耐磨性。优点：易于锻造及切屑加工、价格便宜。优点：易于锻造及切屑加工、价格便宜。缺点：淬透性差、回火抗力差缺点：淬透性差、回火抗力差 典型钢号与应用：典型钢号与应用：T7T7T13T13做低速切削的刃具和简单的做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸小于冷冲模。淬透性低，断面尺寸小于15mm15mm的工具。的工具。T7T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等；有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等；T8T8易过热，制造形状简单的木工工具等；易过热，制造形状简单的木工工具等；T10T10、T12T12耐磨性较好，强度高，但韧度低，制造不耐磨性较好，强度高，但
12、韧度低，制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等金属材料学第八章工模具用钢最终热处理：淬火最终热处理：淬火+低温回火低温回火淬火加热温度：淬火加热温度：760760800 800，防止过热，防止过热淬火冷却方式常用水淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火油双液淬火、分级淬火.回火温度：回火温度：180210（常用）；（常用）；200250（螺纹工具，如板牙）（螺纹工具，如板牙）锻造：锻造性好。锻造过程中注意表面脱碳，故锻造：锻造性好。锻造过程中注意表面脱碳，故时间尽量短；锻压比要大于时间尽量短；锻压比要大于4 4球化退火：退火温度球化
13、退火：退火温度730730800800碳素工具钢的热加工与热处理碳素工具钢的热加工与热处理金属材料学第八章工模具用钢三、低合金工具钢三、低合金工具钢 是在是在T10T10或或T12T12的基础的基础上上合金化合金化得到的钢种得到的钢种常用合金元素：在低合金工具钢中，常加入的常用合金元素：在低合金工具钢中，常加入的合金元素为：合金元素为：Cr Cr、Si Si、MnMn、W W、V V。为防止。为防止碳化物分布的不均匀性，碳化物分布的不均匀性，总量一般不大于总量一般不大于4%4%。合金元素的作用合金元素的作用：耐磨性和回火稳性耐磨性和回火稳性（碳化物形成元素）（碳化物形成元素）淬透性淬透性（提高
14、淬透性的元素，如（提高淬透性的元素，如CrCr、MnMn、SiSi）防止变形开裂防止变形开裂金属材料学第八章工模具用钢合金元素具体作用合金元素具体作用Cr:1%左右，（大于左右，（大于1%且且C含量大于含量大于1%，引起，引起K分布的不均匀性）分布的不均匀性）作用作用：提高过冷提高过冷A的稳定性，提高淬透性的稳定性，提高淬透性 使碳化物稳定性使碳化物稳定性，分解温度，分解温度，使钢的回，使钢的回火抗力火抗力 中强碳化物形成元素，防止中强碳化物形成元素，防止Si的石墨化的石墨化 细化细化K，均匀分布，使耐磨性，均匀分布，使耐磨性 降低降低Ms点，使残余点，使残余A量量，使硬度，使硬度。故总量必须
15、控制在故总量必须控制在1%左右左右金属材料学第八章工模具用钢 Si 的左右的左右:使淬透性使淬透性 阻碍马氏体的分解和阻碍马氏体的分解和Fe3C的聚集，的聚集，使回火稳定性使回火稳定性 对对Ms点影响很小，对残余点影响很小，对残余A量影响小，量影响小，使刀具的尺寸稳定性使刀具的尺寸稳定性 Si强化强化F 是石墨化元素，易引起脱是石墨化元素，易引起脱C和和C的石的石墨化。墨化。不单独加入。不单独加入。金属材料学第八章工模具用钢 Mn:主要淬透性主要淬透性;使残使残A量量，减少，减少淬火变形；淬火变形；，使，使A晶粒粗大，过热倾晶粒粗大，过热倾向向 W:形成稳定的碳化物，使钢的耐磨性和形成稳定的碳
16、化物，使钢的耐磨性和红硬性红硬性，细化，细化A晶粒和阻止钢的过热。晶粒和阻止钢的过热。量过多，引起量过多，引起K分布不均匀分布不均匀 V:形成形成VC，阻碍，阻碍A长大，过热敏感性长大，过热敏感性,细化晶粒；回火稳定性细化晶粒；回火稳定性金属材料学第八章工模具用钢热锻热锻 特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆性大。性大。(1)(1)加热速度不宜太快。加热速度不宜太快。(2)(2)变形量足够大，终轧温度较低，控变形量足够大，终轧温度较低，控制碳化物形态。制碳化物形态。(3)(3)轧后缓冷，避免开裂。轧后缓冷，避免开裂。热处理与热加工热处理与热加工金属材料学第八章工
17、模具用钢球化球化退火退火退火温度要适当：太高，使氧化和脱碳退火温度要适当：太高，使氧化和脱碳倾向倾向；太低，；太低，K过细，硬度过高，网状过细，硬度过高，网状碳化物不易消除。碳化物不易消除。为缩短退火时间：等温退火为缩短退火时间：等温退火正火正火目的：在球化退火前，为消除网状碳化物目的：在球化退火前，为消除网状碳化物正火温度：正火温度：AcmAcm以上。以上。？金属材料学第八章工模具用钢热处理与热加工热处理与热加工淬火淬火工艺工艺淬火温度：淬火温度：T淬淬一般与碳素工具钢相同，一般与碳素工具钢相同，为为Ac1+3050，但保温时间较长。，但保温时间较长。?冷却：油冷，冷却：油冷，熔盐分级淬火，
18、熔盐分级淬火，等温淬火等温淬火(B等温淬火和等温淬火和M等温淬火等温淬火)一般一般组织组织含碳量含碳量0.50.6的的M+未溶粒状未溶粒状K回火回火低温回火，一般小于低温回火，一般小于200。金属材料学第八章工模具用钢常用低合金工具钢的化学成分、常用低合金工具钢的化学成分、力学性能和用途力学性能和用途 钢号钢号化学成分，化学成分，wt%wt%热处理及硬度热处理及硬度用途用途C CMnMnSiSiCrCr其它其它淬火，淬火，淬火，淬火，HRCHRC回火，回火，回火回火后，后，HRCHRCCr06Cr061.30-1.30-1.451.450.400.400.400.400.50-0.50-0.7
19、00.70-800-800-810810，水水63-6563-65160-160-18018062-6462-64锉刀、刮锉刀、刮刀、刻刀刀、刻刀Cr2Cr20.95-0.95-1.101.100.400.400.400.401.30-1.30-1.651.65-830-830-850850，油油62-6562-65150-150-17017060-6260-62同上同上9SiCr9SiCr0.85-0.85-0.950.950.30-0.30-0.600.601.20-1.20-1.601.600.95-0.95-1.251.25-830-830-860860，油，油62-6462-6415
20、0-150-20020061-6361-63丝锥、板丝锥、板牙、钻头、牙、钻头、铰刀铰刀CrWMnCrWMn0.90-0.90-1.051.050.80-0.80-1.101.100.400.400.90-0.90-1.201.20W1.20-W1.20-1.601.60800-800-830830，油油62-6362-63160-160-20020061-6261-62拉刀、长丝拉刀、长丝锥、长铰刀锥、长铰刀9Mn2V9Mn2V0.85-0.85-0.950.951.70-1.70-2.002.000.400.40-V0.10-V0.10-0.250.25760-760-780780，油，油
21、6262130-130-17017060-6260-62丝锥、板丝锥、板牙、铰刀牙、铰刀CrW5CrW51.25-1.25-1.501.500.400.400.400.400.40-0.40-0.700.70W4.50-W4.50-5.505.50800-800-850850，油油65-6665-66160-160-18018064-6564-65低速切削硬低速切削硬金属刃具，金属刃具，如车刀、铣刀如车刀、铣刀金属材料学第八章工模具用钢9SiCr：Si/Cr淬透性淬透性，D油油60HRC；K细小、均细小、均 匀匀不容易崩刃；不容易崩刃；分级淬火或等温淬火处理，变形较小；分级淬火或等温淬火处理，
22、变形较小；Si使钢的脱碳倾向较大使钢的脱碳倾向较大。适于制作形状较复杂、变形要求小工件，特别适于制作形状较复杂、变形要求小工件，特别是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。金属材料学第八章工模具用钢CrWMn：Cr、W、Mn复合，淬透性复合，淬透性，D油油=5070mm；AR在在1820%，淬火后变形小；，淬火后变形小；含含Cr、W碳化物较多且较稳定，晶粒碳化物较多且较稳定，晶粒细小细小高硬度、高耐磨性；高硬度、高耐磨性；回稳性较好，回稳性较好，250回火，回火，60HRC；W使碳化物易形成网状使碳化物易形成网状。适于制作要求变形小、耐磨性高的工件，如拉刀适于制作要
23、求变形小、耐磨性高的工件，如拉刀等，也可做量具及形状较复杂的高精度冲模等，也可做量具及形状较复杂的高精度冲模。金属材料学第八章工模具用钢27在在CrCr钢基础上加入钢基础上加入5%W5%W，生成，生成M M6 6C C碳化物，碳化物，淬火加热时未溶淬火加热时未溶K K多。多。淬透性差；淬透性差；高硬度，高耐磨性。高硬度，高耐磨性。CrW5CrW5金属材料学第八章工模具用钢四、高速钢四、高速钢 在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600以上，低合金钢刃具已不能满足这种以上，低合金钢刃具已不能满足这种要求。因此，就必须选用高速钢，要求。因此，就必须选用高速钢，它
24、在它在650时，仍能使硬度保持时，仍能使硬度保持HRC50以上，以上，从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢增加具钢增加13倍，而耐用性增加倍，而耐用性增加714倍，倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。采用。金属材料学第八章工模具用钢19101910年开始应用年开始应用W18Cr4VW18Cr4V（18184 41 1）。）。19321932年到年到19371937年，应用钼系，年，应用钼系，W2Mo9Cr4VW2Mo9Cr4V和钨钼系，和
25、钨钼系，W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2（6 65 54 42 2）。）。19391939年出现高碳高钒，超硬高速钢。年出现高碳高钒，超硬高速钢。金属材料学第八章工模具用钢按照其成分和性能特点可分为以下几类：按照其成分和性能特点可分为以下几类：钨系高速钢：典型牌号钨系高速钢：典型牌号18-4-1，美，美M1，俄，俄P18。钨钼系高速钢：如钨钼系高速钢：如6-5-4-2，美，美M2，目前应用普，目前应用普遍。遍。含钴高速钢：如含钴高速钢：如W18Cr4VCo5,红硬性高。红硬性高。超硬高速钢：典型牌号为超硬高速钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al。具。具有有6570HRC高硬度、高红硬
26、性特点，成本比钴高高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢低。速钢低。钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其它类型称钨系和钨钼系称为通用型高速钢，而把其它类型称为特殊用途高速钢或高性能高速钢。为特殊用途高速钢或高性能高速钢。金属材料学第八章工模具用钢1、高速钢的化学成分、铸态组织和碳化物类型（1）高速钢的化学成分）高速钢的化学成分 我国最常见的高速钢为钨系和钨钼系我国最常见的高速钢为钨系和钨钼系，主要的合，主要的合金元素是金元素是W、Mo、Cr、V和和Co，属于高合金莱氏，属于高合金莱氏体钢。体钢。钢号钢号化学成分（化学成分（%）CSiMnCrMoWVW18Cr4V0.7-0.90.40.43.8-
27、4.40.317.5-191.0-1.4W6Mo5Cr4V20.8-0.90.40.43.8-4.44.5-5.55.5-6.71.75-2.2金属材料学第八章工模具用钢（2）高速钢的平衡凝固与铸态组织）高速钢的平衡凝固与铸态组织金属材料学第八章工模具用钢33黑色组织黑色组织由于包晶和包共晶转变需要固相扩散，使由于包晶和包共晶转变需要固相扩散，使达到所需达到所需C C和和MeMe，才能转变为，才能转变为，所，所以不能充分进行。部分以不能充分进行。部分被保留，随被保留，随后发生共析转变，后发生共析转变，K K，称为，称为共析。因为在金相组织中呈黑色，共析。因为在金相组织中呈黑色，又称黑色组织。又
28、称黑色组织。金属材料学第八章工模具用钢 白亮组织白亮组织的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为M MARAR，在金相组织中呈白色，称白色组织。，在金相组织中呈白色，称白色组织。共晶组织共晶组织共晶反应得到共晶反应得到M M6 6C C（呈鱼骨架状）（呈鱼骨架状）+（基体）（基体）称为莱氏体（称为莱氏体（LdLd）。）。由于包晶和包共晶转变不彻底，由于包晶和包共晶转变不彻底，没有完全消没有完全消失，失，L L相对增加，使相对增加，使LdLd增多。增多。金属材料学第八章工模具用钢铸态组织：大量鱼骨状铸态组织：大量鱼骨状Ld和中心黑色和中心黑色共析共析体及白亮马
29、体及白亮马氏体和残余奥氏体。氏体和残余奥氏体。鱼骨状鱼骨状Ld：M6C为鱼骨架状，基体为为鱼骨架状，基体为(或或M)平衡凝固组织：平衡凝固组织：Ld+K+P金属材料学第八章工模具用钢（3）高速钢的碳化物）高速钢的碳化物所有的高速钢中，在退火状态下都含有所有的高速钢中，在退火状态下都含有M6C、M23C6。MC三种碳化物。三种碳化物。18-4-1高速钢退火状态的碳化物总量约为高速钢退火状态的碳化物总量约为30%左右，其中左右，其中M6C型碳化物约占型碳化物约占18%，M23C6型型碳化物约占碳化物约占8%。MC型碳化物约占型碳化物约占1%。在淬火状态下，只有在淬火状态下，只有M6C和和MC。在回
30、火（在回火（650）状态有）状态有M2C、MC析出。析出。金属材料学第八章工模具用钢M6C型碳化物型碳化物：典型的典型的M6C型碳化物是型碳化物是Fe4W2C。其中其中Fe和和W可以相互置换，形成可以相互置换，形成Fe3W3C或或Fe2W4C。钢中含有的钢中含有的Cr、Mo、V可溶解在可溶解在M6C中，中，Mo、V可置换可置换W；Cr可置换可置换Fe、W，这就使，这就使M6C稳定性稳定性不同。如不同。如Cr溶入溶入M6C中，使中，使M6C稳定性下降。稳定性下降。淬火加热过程中淬火加热过程中M6C可部分可部分溶入溶入A中，使高速钢中，使高速钢获得高红硬性和高耐磨性。获得高红硬性和高耐磨性。未溶的
31、未溶的？M6C的硬度为的硬度为73.5HRC77HRC。金属材料学第八章工模具用钢M23C6型碳化物：型碳化物：u是以是以Cr、W、Mo为主并溶有铁等元素的碳为主并溶有铁等元素的碳化物（化物（Cr、Fe、W、Mo、V）2323C6 6。u典型碳化物是典型碳化物是Cr2323C6 6，其稳定性较差，淬，其稳定性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢的火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢的淬透性。淬透性。金属材料学第八章工模具用钢MC型碳化物：型碳化物：是以是以V为主的为主的VC，也能溶解少量的，也能溶解少量的W、Mo、Cr等元素。等元素。碳化物碳化物VC的稳定性最高，即使在淬火加热的稳定性最高
32、，即使在淬火加热温度下，也不能全部溶解。阻止温度下，也不能全部溶解。阻止A的长大，的长大，细化晶粒细化晶粒VC的最高硬度可达的最高硬度可达8385HRC。在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢具有高的耐磨性。散强化，从而使钢具有高的耐磨性。金属材料学第八章工模具用钢M2C和和M7C3型碳化物型碳化物：高速钢在回火过程中，当温度超过高速钢在回火过程中，当温度超过500时，自马氏体中析出时，自马氏体中析出W2 2C、Mo2 2C，引起钢，引起钢的弥散硬化。的弥散硬化。当回火温度超过当回火温度超过650时，则析出时，则析出M6 6C及及M7 7C3
33、3，它们容易聚集长大，使钢的硬度下，它们容易聚集长大，使钢的硬度下降。降。金属材料学第八章工模具用钢高速钢中碳化物的小结（高速钢中碳化物的小结（1）退火状态的碳化物：退火状态的碳化物：M6C、M23C6、MC、M7C3。稳定性排序（升序）：稳定性排序（升序）：M7C3、M23C6、M6C、MC加热过程中溶解的先后顺序：加热过程中溶解的先后顺序：M7C3、M23C6、M6C、MC加热过程中溶解的程度：加热过程中溶解的程度：M7C3、M23C6能完全溶解；能完全溶解；M6C、MC部分溶解部分溶解溶解的碳化物能增加钢的淬透性和红硬性；未溶的碳溶解的碳化物能增加钢的淬透性和红硬性；未溶的碳化物能细化晶
34、粒，增加钢的韧性和耐磨性化物能细化晶粒，增加钢的韧性和耐磨性金属材料学第八章工模具用钢对性能的影响：块状、带状使材料呈现各对性能的影响：块状、带状使材料呈现各向异性，降低钢材的强度、塑性和韧性向异性，降低钢材的强度、塑性和韧性对锻造的影响：锻造过程中，分布集中处，对锻造的影响：锻造过程中，分布集中处，材料塑性低，易造成锻造开裂材料塑性低，易造成锻造开裂对热处理影响对热处理影响:分布不均碳化物造成分布不均碳化物造成A中合中合金元素含量不同和淬透性差异金元素含量不同和淬透性差异对切削性能的影响对切削性能的影响:使刀具容易崩刃和磨损使刀具容易崩刃和磨损高速钢中碳化物的小结（高速钢中碳化物的小结（1）
35、分布不均匀带来的影响分布不均匀带来的影响金属材料学第八章工模具用钢2、高速钢的热加工与热处理、高速钢的热加工与热处理（1）锻造）锻造 高速钢的铸态组织很不均匀。大量不均匀分布的粗大碳化物，高速钢的铸态组织很不均匀。大量不均匀分布的粗大碳化物，将造成强度及韧性的下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫正，将造成强度及韧性的下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫正，必须借助于反复压力热加工必须借助于反复压力热加工(锻、轧锻、轧)，将粗大的共晶碳化物和，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均匀分布在基体内二次碳化物破碎，并使其均匀分布在基体内 高速钢在空气中冷却即可进行马氏体转变，所以锻造或轧制以高速钢
36、在空气中冷却即可进行马氏体转变，所以锻造或轧制以后，钢坯应缓慢冷却，以防止产生过高的应力导致开裂。后，钢坯应缓慢冷却，以防止产生过高的应力导致开裂。锻压比大于锻压比大于10；W系的始锻温度为：系的始锻温度为：11401180，终锻温度，终锻温度为为900 左右；钼系的始锻温度：左右；钼系的始锻温度：1000，终端温度，终端温度850870.终锻温度太低引起锻件开裂；太高，造成晶粒不正常长终锻温度太低引起锻件开裂；太高，造成晶粒不正常长大。大。金属材料学第八章工模具用钢（2）退火）退火 高速钢锻造以后，必须进行高速钢锻造以后，必须进行球化退火球化退火，其目，其目的不仅在于降低钢的硬度，以利切削加
37、工，的不仅在于降低钢的硬度，以利切削加工，而且也为以后的淬火作组织上的准备。而且也为以后的淬火作组织上的准备。18-4-1钢的钢的AC1温度是温度是820-860，故，故退火温退火温度为度为860880。在该温度保温。在该温度保温23h。为为缩短退火时间，可采用缩短退火时间，可采用等温退火等温退火，即在退，即在退火保温结束后，迅速冷到火保温结束后，迅速冷到720750（？）保温后炉冷到保温后炉冷到500 500 出炉。出炉。退火组织为：退火组织为：粒粒状珠光体和剩余碳化物状珠光体和剩余碳化物。6542的退火温度取的退火温度取1841的下限温的下限温度度金属材料学第八章工模具用钢（3）淬火）淬火
38、 18-4-1淬火温度：淬火温度：1280；6-4-2-1：1220 淬火温度越高，合金元素溶入淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金浓度越高。只有马氏体的合金浓度越高。只有合金含量高的马氏体才具有高合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时的回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生二次析出弥散合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和红硬化，使钢具有高的硬度和红硬性。硬性。温度超过温度超过1300时，各元素的溶时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒解量虽还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至在晶界处发生则急剧长大，甚至在
39、晶界处发生溶化现象。使淬火钢的韧性大大溶化现象。使淬火钢的韧性大大下降。所以，下降。所以，1280作为淬火温作为淬火温度。度。金属材料学第八章工模具用钢 由于高速钢的导热性差，而由于高速钢的导热性差，而淬火温度又极高，为减少工淬火温度又极高，为减少工件在加热时的变形开裂和缩件在加热时的变形开裂和缩短高温保持时间，减少脱碳，短高温保持时间，减少脱碳，可采用预热。可采用预热。一次预热在一次预热在800-850，二次预热在，二次预热在800-850前加一次前加一次500-600预热。预热。淬火一般采用油淬空冷，对淬火一般采用油淬空冷，对细长件和薄片刃具采用分级细长件和薄片刃具采用分级淬火，一般在淬火
40、，一般在580-620一一次分级或在次分级或在350-400做第做第二次分级。二次分级。钢的正常淬火组织是钢的正常淬火组织是马氏体马氏体碳化物残余奥氏体碳化物残余奥氏体(30%左右左右)金属材料学第八章工模具用钢 W18Cr4V高速钢不同淬火温度下的组织特征高速钢不同淬火温度下的组织特征正常淬火组织正常淬火组织(400X)欠热组织欠热组织(400X)过热组织过热组织(400X)过烧组织过烧组织(200X)金属材料学第八章工模具用钢（4）回火）回火 高速钢一般需进高速钢一般需进行三次行三次560保保温温1h的回火处理。的回火处理。金属材料学第八章工模具用钢 回火温度在回火温度在500-600之间
41、，钢的硬度、强度和塑性均有之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在提高，而在550-570时可达到硬度、强度的最大值。在时可达到硬度、强度的最大值。在此温度区间，自马氏体中析出弥散的钨此温度区间，自马氏体中析出弥散的钨(钼钼)及钒的碳化物及钒的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使钢的硬度大大提高，这种现象称，使钢的硬度大大提高，这种现象称为为二次硬化二次硬化。当回火温度当回火温度500600之间时，残余应力松弛，基体中之间时，残余应力松弛，基体中析出了部分碳化物，使残余奥氏体中合金元素及碳含量下析出了部分碳化物，使残余奥氏体中合金元素及碳含量下降，降，Ms点升高。这种贫化的残余奥氏体，在回火后
42、的冷点升高。这种贫化的残余奥氏体，在回火后的冷却过程中，转变为马氏体，使钢的硬度也有所提高。即实却过程中，转变为马氏体，使钢的硬度也有所提高。即实现现二次淬火二次淬火。为了降低残余奥氏体量，需增加回火冷却次。为了降低残余奥氏体量，需增加回火冷却次数，三次回火后残余奥氏体量降到数，三次回火后残余奥氏体量降到5%以下以下。正常回火后硬度为正常回火后硬度为HRC6366，其组织为，其组织为回火马氏体回火马氏体（含有（含有0.25%的的C）+残余残余A+碳化物碳化物。金属材料学第八章工模具用钢高速钢的热处理工艺规范图高速钢的热处理工艺规范图 金属材料学第八章工模具用钢（5）高速钢的表面强化）高速钢的表
43、面强化 为改善刃具的切削效率和提高耐用性，生为改善刃具的切削效率和提高耐用性，生产上经常对刃具进行表面强化处理。产上经常对刃具进行表面强化处理。表面强化主要有化学热处理和表面复层处表面强化主要有化学热处理和表面复层处理两类。前者包括蒸气处理、气体软氮化、理两类。前者包括蒸气处理、气体软氮化、离子氮化、氧氮化离子氮化、氧氮化(氧氮共渗氧氮共渗)等。等。表面复层处理则使金属表面形成耐磨的碳表面复层处理则使金属表面形成耐磨的碳化钛、氮化钛复层，许多国家已用于生产。化钛、氮化钛复层，许多国家已用于生产。金属材料学第八章工模具用钢(1)(1)碳：主要强化元素，随着碳含量进一步增高，淬火回火后的硬度和热碳
44、：主要强化元素，随着碳含量进一步增高，淬火回火后的硬度和热硬性都增高。硬性都增高。高高C C 作用作用：形成足够数量的碳化物。：形成足够数量的碳化物。保证马氏体中固溶碳量。保证马氏体中固溶碳量。数量：数量：定比碳公式。符合此公式时，红硬性（二次硬化）作用强。定比碳公式。符合此公式时，红硬性（二次硬化）作用强。C C0.033W0.033W0.063Mo0.063Mo0.2V0.2V0.06Cr0.06Cr 基于两个原理基于两个原理：合金元素形成碳化物引起钢硬度的增加大于固溶引起的硬：合金元素形成碳化物引起钢硬度的增加大于固溶引起的硬度增加；度增加；退火的残余碳化物引起硬度的增加小于回火析出碳化
45、物引起退火的残余碳化物引起硬度的增加小于回火析出碳化物引起硬度增加。硬度增加。若碳含量很高若碳含量很高，碳化物总量增多，碳化物不均匀性增加；淬火后残余奥氏，碳化物总量增多，碳化物不均匀性增加；淬火后残余奥氏体量增多，需多次回火；使固相线温度降低，淬火温度下降。体量增多，需多次回火；使固相线温度降低，淬火温度下降。碳含量低时碳含量低时，则合金元素不能完全形成碳化物，使钢的红硬性和硬度下降。，则合金元素不能完全形成碳化物，使钢的红硬性和硬度下降。3、高速钢的合金化、高速钢的合金化金属材料学第八章工模具用钢(2)W(2)W、MoMo W W：造成红硬性的主要元素造成红硬性的主要元素。但是会使钢的。但
46、是会使钢的导热性变差导热性变差。退火时主要以退火时主要以M M6 6C C型碳化物存在。型碳化物存在。淬火加热时：淬火加热时：一部分一部分M M6 6C C型碳化物溶入奥氏体型碳化物溶入奥氏体 一部分一部分M M6 6C C型碳化物未溶入奥氏体型碳化物未溶入奥氏体 金属材料学第八章工模具用钢 溶入奥氏体的溶入奥氏体的 W、Mo：强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，提高回火稳定性，在提高回火稳定性，在600回火时，仍为过回火时，仍为过饱和固溶体，具有高的红硬性。饱和固溶体，具有高的红硬性。回火时在马氏体中弥散析出回火时在马氏体中弥散析出M2C，造成，造成二次硬化，
47、具有高的红硬性和耐磨性二次硬化，具有高的红硬性和耐磨性金属材料学第八章工模具用钢未溶入奥氏体的未溶入奥氏体的 M M6 6C C型碳化物：型碳化物：强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用加热采用1220122013101310的高温，使足的高温，使足够数量的碳化物溶入奥氏体，保证高够数量的碳化物溶入奥氏体，保证高的红硬性。的红硬性。提高耐磨性。提高耐磨性。金属材料学第八章工模具用钢 MoMo的作用与钨相同，的作用与钨相同，1%Mo1%Mo可取代可取代2%W2%W Mo Mo 取代取代W W带来的好处和不足：带来的好处和不足：钼使共晶碳化物由鱼骨状变成细鸟巢状，
48、钼使共晶碳化物由鱼骨状变成细鸟巢状，减小碳化物的不均匀性减小碳化物的不均匀性；钼系抗弯强度和韧性远高于钨系；钼系抗弯强度和韧性远高于钨系；热硬性略低；热硬性略低；脱碳倾向大。脱碳倾向大。淬火加热温度低。淬火加热温度低。金属材料学第八章工模具用钢（3）铬）铬所有高速钢都含有所有高速钢都含有4%Cr作用作用：提高淬透性，也增加耐蚀性、切削性：提高淬透性，也增加耐蚀性、切削性能和抗氧化能力。能和抗氧化能力。Cr在钢中主要存在于在钢中主要存在于M23C6中，也溶于中，也溶于M6C和和MC型碳化物中。淬火加热型碳化物中。淬火加热Cr几乎全部溶几乎全部溶于奥氏体中，主要提高淬透性。于奥氏体中，主要提高淬透
49、性。金属材料学第八章工模具用钢（4）钒）钒 细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性。细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性。V在钢中主要以在钢中主要以VC存在，也溶于其他类型碳化物。存在，也溶于其他类型碳化物。淬火加热时，淬火加热时，VC部分溶于奥氏体中，未溶部分阻部分溶于奥氏体中，未溶部分阻碍奥氏体晶粒长大，溶解部分使马氏体回火稳定碍奥氏体晶粒长大，溶解部分使马氏体回火稳定性提高；回火时析出弥散性提高；回火时析出弥散VC产生二次硬化，提高产生二次硬化，提高热硬性。热硬性。高速钢中含高速钢中含V量增多，热硬性明显提高。量增多，热硬性明显提高。高高V高速钢中，鸟巢状的共晶碳化物高速钢中，鸟巢状的共晶碳化物V
50、C增多，可增多，可达达10%左右，提高钢的耐磨性，但也使切削加工左右，提高钢的耐磨性，但也使切削加工性能降低。高性能降低。高V高速钢属于高热硬性高耐磨性钢。高速钢属于高热硬性高耐磨性钢。金属材料学第八章工模具用钢（5）钴）钴 提高回火稳定性和热硬性。降低韧性、增大提高回火稳定性和热硬性。降低韧性、增大脱碳倾向。脱碳倾向。淬火加热时溶于奥氏体中，提高马氏体的淬火加热时溶于奥氏体中，提高马氏体的回火稳定性。回火稳定性。Co与与W和和Mo原子间结合力强，原子间结合力强，可减轻可减轻W和和Mo原子扩散速率，减慢合金碳原子扩散速率，减慢合金碳化物析出和聚集长大，增加热硬性。化物析出和聚集长大，增加热硬性
