合金工具钢和高速工具钢

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二、合金工具钢和高速工具钢
工具钢是指制造各种加工工具的钢。
按化学成分可分为非合金工具钢、合金工具钢和高速工具钢；
按用途不同，可分为刃具钢、模具钢及量具钢。
按碳的质量分数和合金元素总的质量分数的不同，工具钢有中碳（WC＝0.3～0.65%）、高碳（WC＝0.7～1.35%）和超高碳（WC >1.4%）之分，或有低合金（WMe＜5%）、中合金（WMe＝5～10%）和高合金（WMe＞10%）之分。本节主要介绍合金工具钢和高速工具钢。
1．合金工具钢和高速工具钢的分类和牌号
（1）合金工具钢的分类和牌号
① 分类 现行标准（GB/T1299—1985）将合金工具钢按用途分为量具刃具钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁工具钢和塑料模具钢，但各类钢的实际应用界限并不明显。
② 牌号 合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢相似，只是碳的质量分数的表示方法不同。
（2）高速工具钢的分类和牌号
① 分类　常用高速钢可分为通用型高速钢（钨系高速钢和钼系高速钢）和高性能高速钢（高碳高速钢、钴高速钢、铝高速钢等）。
② 牌号 高速工具钢的牌号表示方法与合金工具钢相似，只是高速工具钢不论碳的质量分数是多少，牌号中均不标出，合金元素的表示方法与合金结构钢相同。
2．合金工具钢
（1）量具钢
量具钢主要用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规、样板等。
① 工作条件及性能要求　工作时，主要受摩擦、磨损，承受外力很小，但有时也会受到碰撞。因而要求量具用钢必须具有：高的硬度（60～65HRC）、耐磨性和足够的韧性，高的尺寸精度与稳定性，一定的淬透性，较小的淬火变形和良好的耐蚀性，良好的磨削加工性等。
② 化学成分 WC＝0.9%～1.5%，以保证高硬度和高耐磨性要求；加入Cr、W、Mn等合金元素，以提高淬透性。
③ 热处理工艺 量具钢的热处理关键在于保证量具的精度和尺寸稳定性，因此，常采用下列措施：球化退火后淬火、低温回火，并附加三个热处理工序：淬火之前的调质处理、常规淬火之后的冷处理、常规热处理后的时效处理。其中，调质处理可减小淬火应力和变形；冷处理可使残余奥氏体转变成马氏体，提高硬度、耐磨性和尺寸稳定性，冷处理应在淬火后立即进行；时效处理可稳定马氏体和残余奥氏体，并消除淬火应力，时效处理通常在淬火回火后进行。量具经磨削后，还要在120～130℃下人工时效8h，以消除磨削应力，稳定尺寸。
（2）低合金刃具钢
① 工作条件及性能要求 刃具钢主要用于制造各种金属切削刃具，如钻头、车刀、铣刀等。工作时，不仅要承受压力、弯曲、振动与冲击，还要受到工件和切屑强烈的摩擦作用。由于切削发热，刃部温度可达500～600℃。因此，刃具钢除要求具有足够的强度和韧性外，还要求高硬度（＞60HRC）、高耐磨性和高的热硬性。
② 化学成分 WC＝0.75%～1.5%，以保证有高的淬硬性和形成合金碳化物，获得高硬度（≥62HRC）和高的耐磨性。加入合金元素W、Mn、Cr、V、Si等（一般WMe＜5%），以提高淬透性和回火稳定性，形成碳化物，细化晶粒，提高热硬性，降低过热敏感性。
③ 热处理工艺 预先热处理一般采用球化退火；最终热处理为淬火后低温回火，以获得细小回火马氏体、粒状合金碳化物及少量残余奥氏体组织。
合金刃具钢的导热性较差，对形状复杂或截面较大的刃具，淬火加热时应进行预热（600～650℃）。淬火温度不宜过低，以防溶入奥氏体的碳化物减少，使钢的淬透性降低。合金刃具钢可采用油淬、分级淬火或等温淬火。
常用量具刃具钢的成分、热处理、硬度及用途见表4-15。典型钢种为9SiCr钢。
（3）合金模具钢
模具钢是用来制造各种成形工件模具的钢种。
① 冷作模具钢
    •工作条件及性能要求 ：
•化学成分 ：
•热处理工艺（以Cr12钢为例）　预备热处理：Cr12钢属于莱氏体钢，需反复锻造来破碎网状共晶碳化物，并使其分布均匀。锻造后应进行等温球化退火；最终热处理有：
    一次硬化法 ：这种方法处理后模具的淬火变形小，具有较好的耐磨性和韧性，适用于重载模具。
二次硬化法 ：适用于在400～450℃温度下工作的模具。
常用冷作模具钢的牌号、热处理、性能和用途见表4-16
② 热作模具钢
•工作条件及性能要求 ：
•化学成分 ：
●典型热作模具钢的热处理工艺
热锻模是在高温下通过冲击压力迫使金属成形的热作模具。常用的有5CrMnMo和5CrNiMo。预备热处理是锻后退火，以消除锻造应力，降低硬度，改善切削加工性。最终热处理是淬火后回火。回火温度视模具大小确定。　5CrMnMo钢淬火回火工艺曲线如图4-9所示。
常用热作模具钢的成分、热处理、性能和用途见表4-17。
③ 塑料模具钢
塑料模具是用来在不超过200℃的低温加热状态下，将细粉或颗粒状塑料压制成形的。按塑料制品的成形方法可将塑料成型模具分为压铸模具、挤塑模具、注射模具、挤出成形模具、泡沫塑料模具及吹塑模具。工作时，模具持续受热、受压，并受到一定程度的摩擦和有害气体的腐蚀。因此，要求塑料模具钢在200℃时具有足够的强度和韧性，较高的耐磨性和耐蚀性，并具有良好的加工性、抛光性、焊接性及热处理工艺性能。目前常用的塑料模具用钢见表4-18。
图4-9 5CrMnMo淬火回火工艺曲线
表4-18　常用塑料模具及其用钢
模具类型及工作条件        推　　　荐　　用　　钢
中、小模具，精度要求不高，受力不大，生产批量小        45，40Cr，T10（T10A），10，20，20Cr
受磨损及动载荷较大，生产批量较大的模具        20Cr，12CrNi3，20Cr2Ni4，20CrMnTi
大型复杂的注射成形模或挤压成形模，生产批量大        4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1，4Cr3Mo3SiV，
5CrNiMnMoVSCo
热固性成形模，要求高耐磨、高强度的模具        9Mn2V，CrWMn，GCr15，Cr12，Cr12MoV，7CrSiMnMoV
耐腐蚀性、高精度模具        2Cr13，4Cr13，9Cr18，Cr18MoV，3Cr2Mo，Cr14Mo4V，8Cr2MnWMoVS，3Cr17Mo
无磁模具        7Mn15Cr2Al3V2WMo
建议：到网上查询“国内模具新钢种的开发情况”。
3．高速工具钢
（1）工作条件及性能要求 ：
（2）化学成分 WC＝0.7%～1.65%，以保证形成强硬的马氏体基体和合金碳化物，提高钢的硬度、耐磨性以及热硬性。但高速钢中碳的质量分数必须和合金元素的质量分数相适应。钢中W、Mo、Cr、V等多种合金元素总的质量分数＞10%。其中，Cr的主要作用是提高钢的淬透性；W或Mo造成二次硬化，保证高的热硬性；V可形成硬度极高的细小碳化物，均匀分布，显著提高钢的耐磨性和热硬性；Co能显著提高钢的热硬性和二次硬度，还可提高钢的耐磨性、导热性，并改善切削加工性。
（3）热处理工艺 最常见的高速钢W18Cr4V属于莱氏体钢，其铸态组织中有粗大鱼骨状的合金碳化物，使钢的脆性增大，它的分布只能由锻造来打碎。因此，高速钢的锻造，既是为了成形，也是为了将粗大的莱氏体的碳化物破碎为比较细小和均匀分布的粒状碳化物。高速钢的淬透性很高，锻后必须缓慢冷却，以免开裂。
预备热处理是锻造后球化退火，以改善切削加工性，消除应力，为淬火做好组织准备。退火后的组织是索氏体及粒状碳化物，硬度为207～267HBS。最终热处理是淬火后回火。特点是加热温度高（1200℃以上），回火温度高（560℃左右），回火次数多（三次）。
加热温度高，可使大量难溶合金碳化物充分溶入奥氏体中，淬火后得到高硬度的马氏体，而回火时得到高的热硬性；多次回火可消除大量的残余奥氏体，还可将前一次回火过程中形成的马氏体转变成回火马氏体，降低应力，提高强韧性。高速钢淬火回火后的组织是回火马氏体、合金碳化物及少量的残余奥氏体。
由于高速钢的导热性差，在淬火加热时要进行预热，以减小热应力，防止开裂。高速钢W18Cr4V的热处理工艺如图4-10所示。常用高速钢的牌号、成分、热处理和用途见表4-19。
三、特殊性能钢
特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求有一定的力学性能外，还要具有一定特殊性能的零件。工程中常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
1．不锈钢
我们通常所说的不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。所谓“不锈钢”是指能抵抗大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢，而“耐酸钢”是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。一般来说，不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢大都有良好的耐蚀性能。
（1）不锈钢的牌号表示方法 不锈钢的牌号由“数字+合金元素符号+数字”组成。前一组数字是以名义千分数表示的碳的质量分数，合金元素的表示方法与其它合金钢相同。
（2）工作条件及性能要求 ：
（3）化学成分特点
1)碳的质量分数较低　因为在不锈钢中，碳会形成铬的碳化物，降低铬的有利作用；同时，随碳的质量分数增加，渗碳体及其量也会随之增加，致使微电池的数量增多。因此，在不锈钢中，从耐蚀的角度考虑，希望碳的质量分数越低越好，只是在需要较高强度时，才适当提高碳的质量分数。
2）加入铬　铬是不锈钢中获得耐蚀性的最基本元素。铬提高基体的电极电位。且在氧化性介质中，铬能使钢表面生成一层致密的氧化膜，阻止金属进一步被氧化，从而提高耐蚀性；此外，铬还是扩大铁素体相区的元素，在没有奥氏体化元素的情况下，高铬钢可获得铁素体单相组织，提高耐蚀性。
3）加入镍　镍是扩大奥氏体区的元素，在不锈钢中加入镍，主要是为了获得奥氏体单相组织，同时可提高韧性、机械强度以及焊接性能。
4）加入钛或铌　在不锈钢中，钛或铌与碳的亲合力大于铬，可以与碳生成稳定的碳化物，减少钢中碳的有害作用，提高铬的耐蚀作用；在奥氏体不锈钢中，可提高抗晶间腐蚀的能力。
5）其它　加入硅和铝，与铬的作用相似，可在钢表面生成氧化膜；在非氧化性介质中加入镍、钼、钴等元素，可使钢表面钝化，提高不锈钢在非氧化性介质中的耐蚀性。
（4）常用的不锈钢 不锈钢按化学成分可分为铬不锈钢、、镍铬不锈钢、锰铬不锈钢等；按金相组织特点可分为马氏体不锈钢，铁素体不锈钢，奥氏体不锈钢及奥氏体-铁素体不锈钢四种类型。
① 铁素体不锈钢 属于铬不锈钢。这类钢碳量低，铬量高（WCr为17%，常用牌号有1Cr17钢等），从室温加热到高温（960～1100℃），其组织都是，所以不能用热处理方法进行强化，通常在退火状态下使用。这类钢抗大气与酸的能力强，耐蚀性（因其含铬量高，是单相铁素体，故耐蚀性优于马氏体不锈钢）、高温抗氧化性、塑性和焊接性好，但强度低，可用形变强化提高强度。
② 奥氏体不锈钢 属于镍铬不锈钢，一般WCr为17%～19%，WNi为8%～11%，简称18-8型不锈钢（其常用牌号有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、2Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti）。这类钢低碳、高镍，因镍扩大了奥氏体区的元素，经适当热处理后，可获得单相奥氏体组织，从而使钢具有很好的耐腐蚀性、耐热性、优良的抗氧化性和较高的力学性能，室温及低温韧性、塑性和焊接性也是铁素体不锈钢不能比拟的，在工业上应用最广。
提示注意：这类钢的退火组织并非是单相奥氏体，还有少量碳化物（其平衡组织为奥氏体+铁素体+碳化物）。因此必须加热到1100℃左右，使所有碳化物都溶入奥氏体，然后水淬快冷至室温，阻止冷却过程中碳化物和铁素体的析出，保证在室温下获得单相奥氏体组织（这种为获得均匀的单相奥氏体组织的热处理称为固溶处理）。镍铬奥氏体不锈钢固溶处理后塑性很好，适于进行各种冷塑性变形，但对加工硬化很敏感，切削加工性能较差。
思考：该钢中加入钛的目的是什么？（在钢中加入钛或铌，是防止产生晶间腐蚀的常用方法。但必须与热处理配合都能达到目的。固溶处理后再加热到850～880℃保温后空冷，使钛和铌的碳化物充分析出，冷却过程中不再析出的碳化物，从而使其在基体中发挥耐蚀的作用，这种热处理方法称为稳定化处理，只用于含钛和铌的奥氏体型不锈钢中。）
③ 马氏体不锈钢 这种钢高温都得到单相奥氏体，淬火后能得到马氏体（最常用为Cr13型钢，牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13）。钢中WCr约为13%，其作用是溶入固溶体后，提高铁素体基体的电极电位和使钢表面钝化；钢中WC为0.1%～0.4%，其作用是提高钢的强度和耐磨性；但随着碳的质量分数的增加，钢的强度，硬度，耐磨性提高，而耐蚀性下降，只在氧化性介质中耐蚀。这类钢在锻造后需退火，以降低硬度，改善切削加工性。在冲压后也需进行退火，以消除硬化，提高塑性，便于进一步加工。
④ 铁素体-奥氏体不锈钢（双相不锈钢）为解决奥氏体型不锈钢的应力腐蚀问题，而发展的新型不锈钢。此类钢是在18-8型钢的基础上，提高了铁素体形成元素的含量成制成的一类具有奥氏体和铁素体双相组织的不锈钢。由于两相在介质中都能钝化，所以不会构成微电池，出现选择性腐蚀。而且奥氏体的存在降低了高铬铁素体钢的脆性，提高了焊接性、韧性。而铁素体的存在又提高了奥氏体钢的屈服强度和抗晶间腐蚀能力等。主要用于化肥厂设备、石油精炼工业和船舶冷凝器等方面，典型钢种有1Cr21Ni5Ti、1Cr18Mn10Ni5Mo3N等。
常用的不锈钢的牌号，成分，热处理，性能及用途见表4-20。
2．耐热钢
耐热钢是指在高温下具有高的热稳定性和热强性的特殊性能钢，包括抗氧化钢和热强钢。抗氧化钢是指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢；热强钢是指在高温下有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢。
（1）工作条件及性能要求 ：
（2）化学成分 ：
（3）常用的耐热钢
① 抗氧化钢 按其使用时的组织状态，抗氧化钢可分为铁素体型和奥氏体型两类。它们的抗氧化性能很好，最高工作温度可达1000℃。常以铸件的形式使用，主要热处理是固溶处理。
•铁素体型耐热钢　主要含有铬，以提高钢的氧化性。钢经退火后可制作在900℃以下工件的耐　氧化零件，如散热器等。常用牌号有1Cr17钢等，1Cr17钢可长期在580～650℃使用。
•奥氏体型耐热钢　主要含有较多的铬和镍。此类钢工件温度为650～700℃，常用很内行锅炉等零件。常用牌号有1Cr18Ni9Ti等。
② 热强钢 按其空冷后组织可分为珠光体钢、马氏体钢和奥氏体钢。
珠光体热强钢属于低碳合金钢，工作温度在450～550℃，具有较高的热强性；
马氏体热强钢中合金元素的质量分数较高，抗氧化性及热强性均高，淬透性也很好，工作温度＜650℃，多在调质状态下使用；
奥氏体热强钢中合金元素的质量分数很高，切削加工性差，热强性与高温、室温下的塑性、韧性好，并且有较好的可焊性及冷加工成形性等。这类钢一般进行固溶处理或固溶加时效处理，以稳定组织。
常用耐热钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途见表4-21
3．耐磨钢
（1）工作条件及性能要求：
（2）化学成分 ：
（3）热处理工艺 高锰钢的铸态组织基本上由奥氏体和残余碳化物（Fe，Mn）3C组成。为消除碳化物并获得单相的奥氏体组织，高锰钢采用水韧处理。即将铸件加热至1000～1100℃后，在高温下保温一段时间，使碳化物全部溶解，然后在水中快冷，获得在室温下均匀单一的奥氏体组织。此时钢的硬度很低（约为210HBS），而塑性和韧性很好。当在工作中受到强烈冲击或强大压力而变形时，表面层产生强烈的加工硬化，并且还伴随着马氏体转变，使硬度显著提高（450～550HBW），心部则仍保持原来的高韧性状态。但是如果没有外加压力或冲击力，或压力和冲击力很小，高锰钢的加工硬化特征不明显，马氏体转变不能发生，高锰钢高耐磨性就不能充分显示出来，甚至不及一般的马氏体组织钢或合金耐磨铸铁。因此，对于无很大工作压力而只要求耐磨的零件，不应选用高锰钢。如坦克及拖拉机履带、励磁机颚板、铁路道岔、拖拉机铲齿、保险箱钢板、防弹板等。常用牌号有ZGMn13-1铸钢和ZGMn13-4铸钢。铸造高锰钢的牌号、化学成分及适用范围见表4-22。