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工具钢

2009/3/28      

基本概念:工具钢是指用于制造切削工具、量具、模具及抗高温软化弹簧、各类轴承和一些耐磨零件等的钢。通常分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢。

      工具钢的特性

      工具钢具有良好的强度、韧性、硬度、耐磨性和回火稳定性等性能。主要用于制造各种切削刀具、成形工具和测量工具。

     (1)硬度

      工具钢制成工具经热处理后具有足够高的硬度,如用于金属切削加工的工具一般在HRC60以上,工具在高的切削速度和加工硬材料所产生高温的受热条件下,仍能保持高的硬度和良好的红硬性。碳素工具钢和合金工具钢一般在180℃-250℃、高速工具钢在600℃左右的工作温度下,仍能保持较高的硬度。红硬性对热变形模具和高速切削刀具用钢是非常重要的性能。

     (2)耐磨性

      工具钢具有良好的耐磨性,即抵抗磨损的能力。工具在承受相当大的压力和摩擦力的条件下,仍能保持其形状和尺寸不变。

     (3)强度和韧性

      工具钢具有一定的强度和韧性,使工具在工作中能够承受负荷、冲击、震动和弯曲等复杂的应力,以保证工具的正常使用。

     (4)其他性能

      由于各种工具的工作条件不同,工具用钢还具有一些其他性能,如模具用钢还应具有一定的高温力学性能、热疲劳性能、导热性和耐腐蚀性能等。

      工具钢除了具有上述使用性能外,还应具有良好的工艺性能。

     (1)加工性

      工具钢应具有良好的热压力加工性能和机械加工性能,才能保证工具的制造和使用。钢的加工性取决于化学成分、组织和质量。

     (2)淬火温度范围

      工具钢的淬火温度范围应足够宽,以减少过热的可能性。

     (3)淬硬性和淬透性

      淬硬性是钢在淬火后所能达到最高硬度的性能。淬硬性主要与钢的化学成分特别是碳含量有关,碳含量越高,则钢的淬硬性越高。 淬透性表示钢在淬火后从表面到内部的硬度分布状况。淬透性的高低与钢的化学成分、纯洁度、晶粒度有关。

      根据用于制造不同的工具,对这两种性能各有一定的要求。

     (4)脱碳敏感性

      工具表面发生脱碳,将使表面层硬度降低,因此要求工具钢的脱碳敏感性低。在相同的加热条件下,钢的脱碳敏感性取决于其化学成分。

     (5)热处理变形性

      工具在热处理时,要求其尺寸和外形稳定。

     (6)磨削性

      对制造刀具和量具用钢。要求具有良好的磨削性。钢的磨削性与其化学成分有关,特别是钒含量,如果钒质量分数不小于0.50%则磨削性变坏。

      工具钢的分类

      一、碳素工具钢

      碳素工具钢的碳质量分数较高,在0.65-1.35%之间,按其组织属于亚共析、共析或过共析钢。碳素工具钢热处理后表面可得到较高的硬度和耐磨性,心部有较好的韧性;退火硬度低(不大于HB207),加工性能良好。但其红硬性差,当工作温度达250℃时,钢的硬度和耐磨性急剧下降,硬度下降到HRC60以下、这类钢的淬透性低。较大的工具不能淬透(水中淬透直径为15mm),水淬时表面淬硬层与中心部位硬度相差很大。使工具在淬火时易产生变形。或形成裂纹此外,其淬火温度范围窄,在淬火时应严格控制温度。防止过热、脱碳和变形。
 
      碳素工具钢的硬度与钢中的碳含量和工具的尺寸有关,其硬度和力学性能除与碳含量有关外,还与淬火和回火的温度有关。过高或过低的淬火温度同样对碳素工具钢的力学性能和耐磨性都是不利的,碳素工具钢淬火后必须进行低温回火,以使淬火后的残余应力得到部分消除,避免因产生过大应力而开裂或变形,并且在不降低或稍许降低硬度的情况下,提高其强度和塑性。 碳素工具钢中的碳含量对经淬水及低温回火的强度和塑性有影响。亚共析钢强度随着碳含量增加而增加,到0.60-0.70%时达最大值,其后强度随着碳含量的增加而降低,至接近共析钢成分时强度最低,之后,其强度又随碳含量增加而增加,当碳含量大于0.15%时,强度又随碳含量增加而下降。

      可以看出,亚共析成分的钢,如T7、T7A,具有较好的塑性和强度,适于制造受冲击负荷的工具和切削软材料的刀具;共析成分的钢,如T8、T8A、T9、T9A,其强度和塑性较低,加热时容易过热,变形较大,不适用于制造受冲击大的工具,但热处理后具有较高的硬度和耐磨性;过共析成分的钢,如T10、T10A、T11、T11A,具有较好的综合力学性能,如硬度、耐磨性和韧性等,主要用于制造不受突然震动的工具;如T12、T12A,具有高的硬度和耐磨性,但韧性低,用于不受震动和冲击的工具。 用碳素工具钢制造的工具,其工作条件不同要求也不同。刃具钢要求高的硬度、耐磨性和红硬性;量具钢除要求高的硬度、耐磨性外,还要求高的尺寸稳定性和足够的韧性;冷作模具钢除要求高的硬度、耐磨性外,还要求高的强度、足够的韧性和良好的工艺性能。

      二、合金工具钢

      合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高,按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。其中碳含量高的钢(碳质量分数大于0.80%)多用于制造刃具、量具和冷作模具,这类钢淬火后的硬度在HRC60以上,且具有足够的耐磨性;碳含量中等的钢(碳质量分数0.35%-0.70%)多用于制造热作模具,这类钢淬火后的硬度稍低,为HRC50-55,但韧性良好。

     (一)刃具用钢 刃具在工作条件下产生强烈的磨损并发热,还有震动和承受一定的冲击负荷。刃具用钢应具有高的硬度、耐磨性、红硬性和良好的韧性。为了保证其具有高的硬度,满足形成合金碳化物的需要,钢中碳质量分数一般在0.80%-1.45%,铬是这类钢的主要合金元素,质量分数一般在0.50%-1.70%,有的钢还含有钨,以提高切削金属的性能。这类工具钢因含有合金元素,因此淬透性比碳素工具钢好,热处理产生的变形小,具有高的硬度和耐磨性。常用的钢类有铬钢、硅铬钢和铬钨锰钢等。

     (二)模具用钢

      模具大致可分为冷作模具、热作模具和塑料模具3类,用于锻造、冲压、切料、压型、压铸等,由于各种模具用途不同,工作条件复杂,因此对模具用钢的性能要求也不同。 冷作模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝板、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具用钢,按其所制造模具的工作条件,应具有高的硬度、强度、耐磨隆,足够的韧性,以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。用于这类用途的合金工具钢一般属于高碳合金钢,碳质量分数在0.80%以上,铬是这类钢的重要合金元素,其质量分数通常不大于5%。但对于一些耐磨性要求很高,淬火后变形很小的模具用钢,最高铬质量分数町达13%,并且为了形成大量碳化物,钢中碳质量分数也很高,最高可达2.0%-2.3%。冷作模具钢的碳含量较高,其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常用的钢类有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。 热作模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型,包括热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。热变形模具用于使热态金属或液态金属获得所需要的形状,制成所需要的产品。这种模具在工作中除要承受巨大的机械应力外,还要承受反复热和冷却的作用,而引起很大的热应力。热作模具钢除应具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性的韧性外,还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性,此外还要求具有较高的淬透性,以保证整个截面具有一致的力学性能。

      对于压铸模用钢,还应具有表面层经反复受热和冷却不产生裂纹,以及经受液态金属流的冲击和侵蚀的性能。这类钢一般属于中碳合金钢,碳质量分数在0.30%-0.60%,属于亚共析钢,也有一部分钢由于加入较多的合金元素(如钨、钼、钒等)而成为共析或过共析钢。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。 塑料模具包括热塑性塑料模具和热固性塑料模具。塑料模具用钢要求具有一定的强度、硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性等性能。此外,还要求具有良好的工艺性能,如热处理变形小、加工性能好、耐蚀性好、研磨和抛光性能好、补焊性能好、粗糙度高、导热性好和工作条件下尺寸和形状稳定等。一般情况下,注射成形或挤压成形模具可选用热作模具钢;热固成形和要求高耐磨、高强度的模具可选用冷作模具钢。

     (三)量具用钢

      量具应具有良好的尺寸稳定性、高耐磨性、高硬度和一定的韧性。因此,量具用钢应具有硬度高、组织稳定、耐磨性好,以及良好的研磨和加工性能、热处理变形小、膨胀系数小和耐蚀性好。这类钢一般属于过共析钢。加入的合金元素有铬、锰、钨、钼等。常用的钢类有铬钢、铬钨锰钢、锰钒钢等。

      三、高速工具钢

      高速工具钢主要用于制造高效率的切削刀具,由于其具有红硬性高、耐磨性好、强度高等特性,也用于制造性能要求高的模具、轧辊、高温轴和高温弹簧等。高速工具钢经热处理后的使用硬度可达HRC63以上,在600℃左右的工作温度下仍能保持高的硬度,而且其韧性、耐磨性和耐热性均较好。退火状态的高速工具钢还具有较好的机械加工性能,可制造各种形状复杂的精密工具。高速工具钢的主要合金元素有钨、钼、铬、钒,还有一些高速工具钢中加入了钴、铝等元素。这类钢属于高碳高合金莱氏体钢,其主要的组织特征之一是含有大量的碳化物。铸态高速工具钢中的碳化物是共晶碳化物,经热压力加工后破碎成颗粒状分布在钢中,称为一次碳化物;从奥氏体和马氏体基体中析出的碳化物称为二次碳化物。这些碳化物对高速工具钢的性能影响很大,特别是二次碳化物,其对钢的奥氏体晶粒度和二次硬化等性能有很大影响。碳化物的数量、类型与钢的化学成分有关,而碳化物的颗粒度和分布则与钢的变形量有关。钨、钼是高速工具钢的主要合金元素,对钢的二次硬化和其他性能起重要的作用。铬对钢的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用,对二次硬化也有一定的作用。

      钒对钢的二次硬化和耐磨性起重要作用,但降低可磨削性。钴是非碳化物形成的元素,可以改善钢的二次硬化和耐热性能,铝可改善钢的切削性能。 高速工具钢的淬火温度很高,接近熔点,其目的是使合金碳化物更多地溶入基体中,使钢具有更好的二次硬化能力。高速工具钢淬火后温度升高,此为第一次硬化,但淬火温度越高,则回火后和强度和韧性越低。淬火后在350℃以下低温回火硬度下降,在350℃以上温度回火硬度逐渐提高,至520-580℃范围内回火(化学成分不同,回火温度不同)出现第二次硬度高峰,并超过淬火硬度,此为二次硬化。这是高速工具钢的重要特性。 高速工具钢除了具有高的硬度、耐磨性、红硬性等使用性能外,还具有一定的热塑性、可磨削性等工艺性能。 钨系高速工具钢的主要合金元素是钨,不含钼或含少量钼。其主要特性是过热敏感性小,脱碳敏感性小、热处理和热加工温度范围较宽,但碳化物颗粒粗大,分布均匀性差,影响钢的韧性和塑性。 钨钼系高速工具钢的主要合金元素是钨和钼。其主要特性是碳化物的颗粒度和分布均优于钨系高速工具钢,脱碳敏感性和过热敏感性低于钼系高速工具钢,使用性能和工艺性能均较好钼系高速工具钢的主要合金元素是钼,不含钨或含少量钨。其主要特性是碳化物颗粒细,分布均匀、韧性好,但脱碳敏感性和过热敏感性大、热加工和热处理范围窄。 含钴高速工具钢是在通用高速工具钢的基础上加入一定量的钴,可显著提高钢的硬度、耐磨性和韧性。 粉末高速工具钢是用粉末冶金方法生产的。首先用雾化法制取低氧高速工具钢预合金粉末,然后用冷、热静压机将粉末压实成全致密的钢坯,再经锻、轧成材。粉末高速工具钢的碳化物细小、分布均匀,韧性、可磨削性和尺寸稳定性等均很好,可生产用铸锭法个可能生产的更高的合金元素含量的超硬高速工具钢。

      粉末高速工具钢可分为3类,第一类是含钴高速工具钢,其特点是具有接近硬质合金的硬度,而且还具有良好的可锻性、可加工性、可磨性和强韧性。第二类是无钴高钨、钼、钒超硬高速工具钢。第三类是超级耐磨高速工具钢。其硬度不太高,但耐磨性极好,主要用于要求高耐磨并承受冲击负荷的工作条件。 
 

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