时间：2012-02-29  作者：秩名

　　论文导读：：合金工具钢的种类和性能要求。经适当热处理后可获得较高的硬度和良好的耐磨性。

　　论文关键词：合金工具钢，热处理，工艺分析

　　随着我国装备制造业的快速发展，工程材料的合理应用越发显得重要。选用恰当的材料来制造，从而保证制成的产品具有最佳形貌和性能；如果选材不当，将会使所设计制造出产品，不能发挥出最佳性能，并可能导致其使用寿命大大降低；或因选材不当，导致成本太高，失去其应有的市场竞争力。所以，从事机械设计与制造的各类工程技术人员，需对材料要有技术性、经济性和质量性的价值观念。

　　1 合金工具钢的种类和性能要求

　　在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。

　　1.1 工具钢的种类

　　在工程上工具钢的分类有两种形式，一种是按成分可分为：碳素工具钢和合金工具钢；一种是按用途可分为：刃具钢、模具钢和量具钢。此外，还可按所用淬火冷却介质分为：水淬钢、油淬钢和空硬钢三类。工具钢分类方法很多，其中按用途分类是常用的。

　　1.2 工作条件和性能要求

　　1.2.1低合金刃具钢

　　对于某些低速而且走刀量较小的机用工具机械论文，以及要求不太高的刃具，如丝锥、板牙等刃具可用碳素工具钢T7、T8、T10、T12来制作。碳素工具钢价格低廉，加工性能好，经适当热处理后可获得较高的硬度和良好的耐磨性。但是其淬透性差，回火稳定性和红硬性不高，不能用作对性能有较高要求的刀具。为了克服碳素工具钢的不足之处，在其基础上加（3％～5％）Me的合金元素就形成了低合金刃具钢。

　　1.2.2 高速工具钢

　　高速钢是一种高合金工具钢，含钨、钼、铬、钒等合金元素，总量超过10％Me。高速钢优于其他工具钢的主要之处是其具有良好的红硬性，在切削零件刃部温度高达600℃时，硬度仍不会明显降低。高速钢的碳平均质量分数较高，一般为（0.70％～1.50％）C核心期刊。高碳一方面是保证与钨、钼等诸多合金元素形成大量的合金碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大，提高回火稳定性。另一方面是在加热时使奥氏体含一定量的碳、淬火得到的马氏体有较高的硬度和耐磨性，常用于车刀、铣刀、高速钻头等。

　　1.2.3冷作模具钢

　　处于工作状态的冷作模具承受着强烈的冲击载荷和摩擦、很大的压力和弯曲力的作用，主要的失效破坏形式包括磨损、变形和开裂等，因此冷作模具钢要求具有较高的硬度和耐磨性，良好的韧性和疲劳强度。截面尺寸较大的模具还要求具有较高的淬透性，高精度模具则要求热处理变形小。冷作模具钢是用于在室温下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、落料模等。

　　1.2.4热作模具钢

　　热作模具钢在工作时经常接触炽热的金属，型腔表面温度高达400～600℃。金属在巨大的压应力、张应力、弯曲应力和冲击载荷作用下，与型腔作相对运动时，会产生强烈的磨损。工作过程中还要反复受到冷却介质冷却和热态金属加热的交替作用，模具工作面出现热疲劳“龟裂纹”。因此，为使热作模具正常工作，要求模具用钢在较高的工作温度下具有良好的强韧性，较高的硬度、耐磨性、导热性、抗热疲劳能力，较高的淬透性和尺寸稳定性。 热作模具钢是用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，包括热锻模、热挤压模、热镦模、压铸模、高速锻模等。

　　1.2.5量具钢

　　用于制造卡尺、千分尺、样板、塞规、块规、螺旋测微仪等各种测量工具的钢被称为量具钢。量具在使用过程中始终与被测零件紧密接触并作相对移动，主要承受磨损破坏。因此要求其具有较高的硬度和耐磨性，以保证测量精度，还要有耐轻微冲击、碰撞的能力，热处理变形要小机械论文，在存放和作用过程中要有极高的尺寸稳定性。

　　2 热处理工艺设计分析

　　2.1低合金刃具钢热处理工艺

　　低合金刃具钢的预先热处理是球化退火，目的是改善锻造组织和切削加性能，最终热处理是淬火+低温回火。组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，具有较高的硬度和耐磨性。以9SiCr钢制造的圆板牙是切削加工外螺纹的刀具，要求钢中碳化物均匀分布，热处理后硬度和耐磨性较高，而且齿形变形小。其制造工艺路线：下料—球化退火一机加工+淬火+低温回火+磨平面一抛槽—开口。9SiCr圆板牙的球化退火采用等温处理工艺，组织为粒状珠光体，硬度在（19～24）HBW之间，适宜切削加工。淬火+低温回火工艺，先在600～650℃预热，目的是缩短随后的淬火保温时间，减轻氧化脱碳的可能性。在850～870℃加热保温后，迅速转移到160～200℃的硝盐槽中进行分级淬火，降低淬火时的变形。然后在190～200℃低温回火，降低残余应力，保留较高的硬度值（60～63）HRC。

　　2.2 高速钢的热处理工艺

　　高速钢的碳及合金元素质量分数皆较高，属于莱氏体钢，铸态组织有粗大、鱼骨状的共晶碳化物，分布不均匀，会使强度下降，脆性增加，并且不能通过热处理来改变碳化物分布，只有通过锻造将其去碎，使其均匀分布，锻后必须缓冷。高速钢因其化学成分的特点，其热处理具有淬火加热温度高、回火次数多等特点。以W18Cr4V钢制造盘形齿轮铣刀为例，说明其热处理工艺选用和生产工艺路线的制定。

　　（1） 球化退火。高速钢锻造后的硬度很高，只有经过退火降低硬度才能进行切削加工。一般采用球化退火降低硬度，消除锻造应力，为淬火作组织上的准备。球化退火后组织为索氏体和均匀分布的合金碳化物所组成。

　　（2） 淬火十回火。W18Cr4V钢盘形齿轮铣刀的淬火回火工艺。高速钢中含大量合金元素，导热性差核心期刊。为避免加热过程产生变形开裂，一般在800～840℃预热机械论文，截面尺寸较大的零件可在500～650℃多进行一次预热。

　　高速钢淬火温度都比较高，一般在1270℃加热，但也不可过高，否则奥氏体晶粒长大，残余奥氏体增加。高速钢淬透性高，一般采用油冷，截面尺寸小的刀具，在空气中即可淬硬。对于形状复杂、要求小变形的刀具，先将其淬人580～620℃的中性盐浴中分级均温，然后再空冷，可防止变形、开裂。W18Cr4V钢淬火组织是马氏体+残余奥氏体+粒状碳化物，其残余奥氏体量高达30％。在回火冷却时，部分残余奥氏体转变为马氏体，发生了“二次淬火”使硬度升高。高速钢淬火后要在560℃回火三次是因为一次回火不能完全消除残余奥氏体，第一次回火后，残余奥氏体量由30％降为15％左右，第二次回火后还有5％～7％，第三次回火后残余奥氏体减少为1％～2％。而且，后一次回火可消除前一次回火时马氏体转变产生的内应力。W18Cr4V钢淬火加上三次回火后组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。

　　2.3 模具钢的热处理工艺

　　用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢称为模具钢。根据性质和使用条件的不同，可分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。

　　2.3.1 冷作模具钢热处理工艺

　　冷作模具钢热处理的目的是最大限度地满足其性能要求，以便能正常工作，现以Crl2MoV冷作模具专用钢制造冲孔落料模为例来分析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。冲孔落料模的凸、凹模均要求硬度在（58～60）HRC之内，要求具有较高的耐磨性、强度和韧性，较小的淬火变形。为此，设计其生产工艺路线：锻造一退火一机加工+淬火+回火+精磨或电火花加工一成品。

　　Crl2MoV钢的组织与性能与高速钢相类似，合金元素含量较高，锻后空冷易出现马氏体组织，一般锻后都采用缓冷。钢中有莱氏体组织，可以通过锻造使其破碎，并均匀分布。锻后退火工艺与高速钢的等温退火工艺相似，退火后硬度小于255HBW，可进行机械加工。

　　Crl2MoV钢的淬火十回火工艺，淬火温度较低机械论文，低温回火后钢的耐磨性和韧性较高，组织为回火马氏体+残余奥氏体+合金碳化物，硬度为（58～60）HRC。如果要求模具具有较高的红硬性，能够在400～450℃条件下工作，则要进行“二次硬化法”处理，将淬火加热温度提高到1100～1150℃，此时由于钢中出现了大量的残余奥氏体，硬度仅为（42～50）HRC，但是随后在510～520'C高温下三次回火，析出了细小弥散的合金碳化物及残余奥氏体转变为马氏体，产生“二次硬化”现象，硬度回升到（60～62）HRC，红硬性也较好，但是淬火加热温度较高，组织粗化会导致强度和韧性下降。

　　2.3.2 热作模具钢热处理工艺

　　热作模具钢热处理的目的主要是提高红硬性、抗热疲劳性和综合力学性能，最终热处理一般为淬火斗高温（或中温）回火，以获得均匀的回火索氏体（或回火托氏体）。以5CrMnMo钢制造板牙热锻模为例来分析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。板牙热锻模要求硬度为（351～387）HBW，抗拉强度大于1200～1400MPa，冲击值大于32～56J，同时还要满足对热作模具淬透性、抗热疲劳性等的要求。其生产工艺路线：锻造一退火一粗加工一成型加工+淬火+回火+精加工（修型、抛光）。由于钢在轧制时会出现纤维组织，导致各向异性，所以要予以锻造消除。锻后要缓冷，防止应力过大产生裂纹，采用780～800℃保温4～5h退火，消除锻造应力，为最终热处理作组织上的准备。5CrMnMo钢制热锻模淬火+回火工艺，为降低热应力，大型模具需在500℃左右预热，为防止模具淬火开裂，一般先由炉内取出空冷至750～780℃预冷，然后再淬人油中，油冷至150～200C（大致为油只冒青烟而不着火的温度）取出立即回火，避免冷至室温再回火导致开裂。回火消除了应力机械论文，获得回火索氏体（或回火托氏体）组织，以得到所需的性能。

　　2.4 量具钢的热处理工艺

　　量具钢应尽量采用在缓冷介质中淬火，并进行深冷处理以减少残余奥氏体量。低温回火消除应力，保证高硬度和高耐磨性。以CrWMn钢制造的测量标定线性尺寸的块规为例，说明其热处理工艺方法的选定和生产工艺路线的安排。块规是机械制造行业常用的标准量块，硬度值要求达到（62～65）HRC，淬火不直度小于0.05mm，长期使用时尺寸应保持高稳定性核心期刊。生产工艺路线：锻造一球化退火一机加工一淬火一冷处理一回火一粗磨一低温人工时效一精磨一低温去应力回火+研磨。CrWMn钢的预先热处理采用球化退火，消除锻造应力，得到粒状珠光体和合金渗碳体组织，提高了切削加工性，为最终热处理作组织上准备。其工艺为780～800℃加热，在Ar1以下690～710℃长时间等温，硬度为（217～255）HBW。

　　机械加工后的热处理工艺与用作低合金刃具CrWMn钢的热处理区别是，用于量具钢的热处理增加了冷处理和时效处理，冷处理能极大程度地减少残余奥氏体的量，避免残余奥氏体转变为马氏体引起尺寸的胀大。时效处理则可以松弛残余应力和防止因马氏体分解而引起的尺寸收缩效应，保证块规高的硬度和尺寸稳定性。冷处理后的低温回火是消除淬火、冷处理的应力和把过高的硬度降到规定值。时效后低温回火目的是在保证高硬度、高耐磨性的基础上，消除磨削应力，进一步稳定尺寸。

　　3 典型工具钢的热处理工艺

　　为了更好地了解合金工具钢的使用性能，发挥其潜在的热处理工艺性能，掌握常见工具钢的性能特点、热处理工艺及应用大有必要，做到触类旁通。典型工具钢应用情况如下表。

　　表 典型工具钢的特点、热处理工艺及应用场合

　　类型

　　常用牌号

　　C量

　　热处理

　　组 织

　　性能特点

　　应用场合

　　关键点

　　碳素

　　工具钢

　　T7～T12

　　0.65～

　　1.35

　　球化退火

　　淬火+低回等

　　M+K（碳化物）

　　高硬度、高耐磨、高热硬性，且加工性好

　　低速，简单形状工具

　　各钢的应用优劣分析

　　低合金

　　刃具钢

　　9SiCr

　　9Mn2V

　　CrWMn

　　0.85～

　　1.50

　　M+K

　　轻载、小尺寸，要求变形小、形状较复杂工具

　　高速钢

　　W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2

　　0.70～

　　1.65

　　锻造球化退火；淬火工艺：预热，分级淬火，回火三次

　　M+K

　　+A

　　高硬度，耐磨，高红硬性

　　高速切削，重载荷，大进刀量

　　锻造目的，热处理特点

　　冷作模具钢

　　Cr12

　　Cr12MoV

　　9Mn2V

　　1.0～

　　2.0

　　锻造球化退火；淬火工艺与高速钢相似机械论文，二次硬化

　　M+K

　　+A

　　高硬度，耐磨，韧性、工艺性好

　　冷作模具

　　强度与韧度的把握

　　热作模具钢

　　5CrMnMo

　　5CrNiMo

　　3Cr2W8V

　　0.3～

　　0.6

　　锻造球化退火；淬火+高温回火

　　S（T）或

　　M+K

　　热强性，耐热疲劳性，热硬性，耐磨，冲击韧度好，淬透性足够

　　锤锻模

　　热挤压模

　　压铸模

　　服役条件，工艺操作，合金元素作用

　　量具钢

　　CrWMn

　　GCr15

　　0.90～

　　1.50

　　锻造球化退火；淬火+低温回火

　　M+K

　　高硬度，耐磨，尺寸稳定，表面质量

　　各种量具

　　尺寸稳定性

　　4 结论

　　机械制造中所使用的各种工具，主要用于切削、锻造、挤压、冲裁、剪切等加工材料。工具材料的性能要比被加工材料有更高的硬度、强度、耐磨性及良好的韧度。耐磨性与韧度的合理配合是工具钢性能发挥的关键，工具钢的合金化和热处理工艺都是围绕这一主线进行优化设计的。

　　工具钢合金化目的是改变碳化物类型、提高淬透性、提高回火稳定性等，热处理工艺设计尽可能地降低淬火应力、减小变形开裂倾向和稳定组织。尺寸大的工件则整个热处理过程着重点就是降低变形开裂而采取一系列措施。在工艺措施上，对于一般工件经常采用预热、预冷，淬火常用等温、分级、双液淬火等方法，并且需要及时回火。对于工具钢的合金化和热处理工艺设计，要着眼于耐磨性与韧性的性能指标来优化。

　　参考文献

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