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工具鋼

2009/3/28      

基本概念:工具鋼是指用于制造切削工具、量具、模具及抗高溫軟化彈簧、各類軸承和一些耐磨零件等的鋼。通常分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼。

      工具鋼的特性

      工具鋼具有良好的強度、韌性、硬度、耐磨性和回火穩定性等性能。主要用于制造各種切削刀具、成形工具和測量工具。

     (1)硬度

      工具鋼制成工具經熱處理后具有足夠高的硬度,如用于金屬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產生高溫的受熱條件下,仍能保持高的硬度和良好的紅硬性。碳素工具鋼和合金工具鋼一般在180℃-250℃、高速工具鋼在600℃左右的工作溫度下,仍能保持較高的硬度。紅硬性對熱變形模具和高速切削刀具用鋼是非常重要的性能。

     (2)耐磨性

      工具鋼具有良好的耐磨性,即抵抗磨損的能力。工具在承受相當大的壓力和摩擦力的條件下,仍能保持其形狀和尺寸不變。

     (3)強度和韌性

      工具鋼具有一定的強度和韌性,使工具在工作中能夠承受負荷、沖擊、震動和彎曲等復雜的應力,以保證工具的正常使用。

     (4)其他性能

      由于各種工具的工作條件不同,工具用鋼還具有一些其他性能,如模具用鋼還應具有一定的高溫力學性能、熱疲勞性能、導熱性和耐腐蝕性能等。

      工具鋼除了具有上述使用性能外,還應具有良好的工藝性能。

     (1)加工性

      工具鋼應具有良好的熱壓力加工性能和機械加工性能,才能保證工具的制造和使用。鋼的加工性取決于化學成分、組織和質量。

     (2)淬火溫度范圍

      工具鋼的淬火溫度范圍應足夠寬,以減少過熱的可能性。

     (3)淬硬性和淬透性

      淬硬性是鋼在淬火后所能達到最高硬度的性能。淬硬性主要與鋼的化學成分特別是碳含量有關,碳含量越高,則鋼的淬硬性越高。 淬透性表示鋼在淬火后從表面到內部的硬度分布狀況。淬透性的高低與鋼的化學成分、純潔度、晶粒度有關。

      根據用于制造不同的工具,對這兩種性能各有一定的要求。

     (4)脫碳敏感性

      工具表面發生脫碳,將使表面層硬度降低,因此要求工具鋼的脫碳敏感性低。在相同的加熱條件下,鋼的脫碳敏感性取決于其化學成分。

     (5)熱處理變形性

      工具在熱處理時,要求其尺寸和外形穩定。

     (6)磨削性

      對制造刀具和量具用鋼。要求具有良好的磨削性。鋼的磨削性與其化學成分有關,特別是釩含量,如果釩質量分數不小于0.50%則磨削性變壞。

      工具鋼的分類

      一、碳素工具鋼

      碳素工具鋼的碳質量分數較高,在0.65-1.35%之間,按其組織屬于亞共析、共析或過共析鋼。碳素工具鋼熱處理后表面可得到較高的硬度和耐磨性,心部有較好的韌性;退火硬度低(不大于HB207),加工性能良好。但其紅硬性差,當工作溫度達250℃時,鋼的硬度和耐磨性急劇下降,硬度下降到HRC60以下、這類鋼的淬透性低。較大的工具不能淬透(水中淬透直徑為15mm),水淬時表面淬硬層與中心部位硬度相差很大。使工具在淬火時易產生變形。或形成裂紋此外,其淬火溫度范圍窄,在淬火時應嚴格控制溫度。防止過熱、脫碳和變形。
 
      碳素工具鋼的硬度與鋼中的碳含量和工具的尺寸有關,其硬度和力學性能除與碳含量有關外,還與淬火和回火的溫度有關。過高或過低的淬火溫度同樣對碳素工具鋼的力學性能和耐磨性都是不利的,碳素工具鋼淬火后必須進行低溫回火,以使淬火后的殘余應力得到部分消除,避免因產生過大應力而開裂或變形,并且在不降低或稍許降低硬度的情況下,提高其強度和塑性。 碳素工具鋼中的碳含量對經淬水及低溫回火的強度和塑性有影響。亞共析鋼強度隨著碳含量增加而增加,到0.60-0.70%時達最大值,其后強度隨著碳含量的增加而降低,至接近共析鋼成分時強度最低,之后,其強度又隨碳含量增加而增加,當碳含量大于0.15%時,強度又隨碳含量增加而下降。

      可以看出,亞共析成分的鋼,如T7、T7A,具有較好的塑性和強度,適于制造受沖擊負荷的工具和切削軟材料的刀具;共析成分的鋼,如T8、T8A、T9、T9A,其強度和塑性較低,加熱時容易過熱,變形較大,不適用于制造受沖擊大的工具,但熱處理后具有較高的硬度和耐磨性;過共析成分的鋼,如T10、T10A、T11、T11A,具有較好的綜合力學性能,如硬度、耐磨性和韌性等,主要用于制造不受突然震動的工具;如T12、T12A,具有高的硬度和耐磨性,但韌性低,用于不受震動和沖擊的工具。 用碳素工具鋼制造的工具,其工作條件不同要求也不同。刃具鋼要求高的硬度、耐磨性和紅硬性;量具鋼除要求高的硬度、耐磨性外,還要求高的尺寸穩定性和足夠的韌性;冷作模具鋼除要求高的硬度、耐磨性外,還要求高的強度、足夠的韌性和良好的工藝性能。

      二、合金工具鋼

      合金工具鋼的淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高,按用途大致可分為刃具、模具和量具用鋼3類。其中碳含量高的鋼(碳質量分數大于0.80%)多用于制造刃具、量具和冷作模具,這類鋼淬火后的硬度在HRC60以上,且具有足夠的耐磨性;碳含量中等的鋼(碳質量分數0.35%-0.70%)多用于制造熱作模具,這類鋼淬火后的硬度稍低,為HRC50-55,但韌性良好。

     (一)刃具用鋼 刃具在工作條件下產生強烈的磨損并發熱,還有震動和承受一定的沖擊負荷。刃具用鋼應具有高的硬度、耐磨性、紅硬性和良好的韌性。為了保證其具有高的硬度,滿足形成合金碳化物的需要,鋼中碳質量分數一般在0.80%-1.45%,鉻是這類鋼的主要合金元素,質量分數一般在0.50%-1.70%,有的鋼還含有鎢,以提高切削金屬的性能。這類工具鋼因含有合金元素,因此淬透性比碳素工具鋼好,熱處理產生的變形小,具有高的硬度和耐磨性。常用的鋼類有鉻鋼、硅鉻鋼和鉻鎢錳鋼等。

     (二)模具用鋼

      模具大致可分為冷作模具、熱作模具和塑料模具3類,用于鍛造、沖壓、切料、壓型、壓鑄等,由于各種模具用途不同,工作條件復雜,因此對模具用鋼的性能要求也不同。 冷作模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲板、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具用鋼,按其所制造模具的工作條件,應具有高的硬度、強度、耐磨隆,足夠的韌性,以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用于這類用途的合金工具鋼一般屬于高碳合金鋼,碳質量分數在0.80%以上,鉻是這類鋼的重要合金元素,其質量分數通常不大于5%。但對于一些耐磨性要求很高,淬火后變形很小的模具用鋼,最高鉻質量分數町達13%,并且為了形成大量碳化物,鋼中碳質量分數也很高,最高可達2.0%-2.3%。冷作模具鋼的碳含量較高,其組織大部分屬于過共析鋼或萊氏體鋼。常用的鋼類有高碳低合金鋼、高碳高鉻鋼、鉻鉬鋼、中碳鉻鎢釧鋼等。 熱作模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型,包括熱鍛模、壓力機鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具用于使熱態金屬或液態金屬獲得所需要的形狀,制成所需要的產品。這種模具在工作中除要承受巨大的機械應力外,還要承受反復熱和冷卻的作用,而引起很大的熱應力。熱作模具鋼除應具有高的硬度、強度、紅硬性、耐磨性的韌性外,還應具有良好的高溫強度、熱疲勞穩定性、導熱性和耐蝕性,此外還要求具有較高的淬透性,以保證整個截面具有一致的力學性能。

      對于壓鑄模用鋼,還應具有表面層經反復受熱和冷卻不產生裂紋,以及經受液態金屬流的沖擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬于中碳合金鋼,碳質量分數在0.30%-0.60%,屬于亞共析鋼,也有一部分鋼由于加入較多的合金元素(如鎢、鉬、釩等)而成為共析或過共析鋼。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。 塑料模具包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐蝕性等性能。此外,還要求具有良好的工藝性能,如熱處理變形小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度高、導熱性好和工作條件下尺寸和形狀穩定等。一般情況下,注射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼;熱固成形和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。

     (三)量具用鋼

      量具應具有良好的尺寸穩定性、高耐磨性、高硬度和一定的韌性。因此,量具用鋼應具有硬度高、組織穩定、耐磨性好,以及良好的研磨和加工性能、熱處理變形小、膨脹系數小和耐蝕性好。這類鋼一般屬于過共析鋼。加入的合金元素有鉻、錳、鎢、鉬等。常用的鋼類有鉻鋼、鉻鎢錳鋼、錳釩鋼等。

      三、高速工具鋼

      高速工具鋼主要用于制造高效率的切削刀具,由于其具有紅硬性高、耐磨性好、強度高等特性,也用于制造性能要求高的模具、軋輥、高溫軸和高溫彈簧等。高速工具鋼經熱處理后的使用硬度可達HRC63以上,在600℃左右的工作溫度下仍能保持高的硬度,而且其韌性、耐磨性和耐熱性均較好。退火狀態的高速工具鋼還具有較好的機械加工性能,可制造各種形狀復雜的精密工具。高速工具鋼的主要合金元素有鎢、鉬、鉻、釩,還有一些高速工具鋼中加入了鈷、鋁等元素。這類鋼屬于高碳高合金萊氏體鋼,其主要的組織特征之一是含有大量的碳化物。鑄態高速工具鋼中的碳化物是共晶碳化物,經熱壓力加工后破碎成顆粒狀分布在鋼中,稱為一次碳化物;從奧氏體和馬氏體基體中析出的碳化物稱為二次碳化物。這些碳化物對高速工具鋼的性能影響很大,特別是二次碳化物,其對鋼的奧氏體晶粒度和二次硬化等性能有很大影響。碳化物的數量、類型與鋼的化學成分有關,而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關。鎢、鉬是高速工具鋼的主要合金元素,對鋼的二次硬化和其他性能起重要的作用。鉻對鋼的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用,對二次硬化也有一定的作用。

      釩對鋼的二次硬化和耐磨性起重要作用,但降低可磨削性。鈷是非碳化物形成的元素,可以改善鋼的二次硬化和耐熱性能,鋁可改善鋼的切削性能。 高速工具鋼的淬火溫度很高,接近熔點,其目的是使合金碳化物更多地溶入基體中,使鋼具有更好的二次硬化能力。高速工具鋼淬火后溫度升高,此為第一次硬化,但淬火溫度越高,則回火后和強度和韌性越低。淬火后在350℃以下低溫回火硬度下降,在350℃以上溫度回火硬度逐漸提高,至520-580℃范圍內回火(化學成分不同,回火溫度不同)出現第二次硬度高峰,并超過淬火硬度,此為二次硬化。這是高速工具鋼的重要特性。 高速工具鋼除了具有高的硬度、耐磨性、紅硬性等使用性能外,還具有一定的熱塑性、可磨削性等工藝性能。 鎢系高速工具鋼的主要合金元素是鎢,不含鉬或含少量鉬。其主要特性是過熱敏感性小,脫碳敏感性小、熱處理和熱加工溫度范圍較寬,但碳化物顆粒粗大,分布均勻性差,影響鋼的韌性和塑性。 鎢鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鎢和鉬。其主要特性是碳化物的顆粒度和分布均優于鎢系高速工具鋼,脫碳敏感性和過熱敏感性低于鉬系高速工具鋼,使用性能和工藝性能均較好鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鉬,不含鎢或含少量鎢。其主要特性是碳化物顆粒細,分布均勻、韌性好,但脫碳敏感性和過熱敏感性大、熱加工和熱處理范圍窄。 含鈷高速工具鋼是在通用高速工具鋼的基礎上加入一定量的鈷,可顯著提高鋼的硬度、耐磨性和韌性。 粉末高速工具鋼是用粉末冶金方法生產的。首先用霧化法制取低氧高速工具鋼預合金粉末,然后用冷、熱靜壓機將粉末壓實成全致密的鋼坯,再經鍛、軋成材。粉末高速工具鋼的碳化物細小、分布均勻,韌性、可磨削性和尺寸穩定性等均很好,可生產用鑄錠法個可能生產的更高的合金元素含量的超硬高速工具鋼。

      粉末高速工具鋼可分為3類,第一類是含鈷高速工具鋼,其特點是具有接近硬質合金的硬度,而且還具有良好的可鍛性、可加工性、可磨性和強韌性。第二類是無鈷高鎢、鉬、釩超硬高速工具鋼。第三類是超級耐磨高速工具鋼。其硬度不太高,但耐磨性極好,主要用于要求高耐磨并承受沖擊負荷的工作條件。 
 

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