工具鋼
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(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨性和回火穩(wěn)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(jīng)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(chǎn)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(dāng)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(qiáng)度和韌性
工具鋼具有一定的強(qiáng)度和韌性,使工具在工作中能夠承受負(fù)荷、沖擊、震動(dòng)和彎曲等復(fù)雜的應(yīng)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(yīng)具有一定的高溫力學(xué)性能、熱疲勞性能、導(dǎo)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(yīng)具有良好的工藝性能。
(1)加工性
工具鋼應(yīng)具有良好的熱壓力加工性能和機(jī)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(xué)成分、組織和質(zhì)量。
(2)淬火溫度范圍
工具鋼的淬火溫度范圍應(yīng)足夠?qū),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(dá)到最高硬度的性能。淬硬性主要與鋼的化學(xué)成分特別是碳含量有關(guān),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(nèi)部的硬度分布狀況。淬透性的高低與鋼的化學(xué)成分、純潔度、晶粒度有關(guān)。
根據(jù)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(fā)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(xué)成分。
(5)熱處理變形性
工具在熱處理時(shí),要求其尺寸和外形穩(wěn)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(xué)成分有關(guān),特別是釩含量,如果釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dāng)工作溫度達(dá)250℃時(shí),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(shí)表面淬硬層與中心部位硬度相差很大。使工具在淬火時(shí)易產(chǎn)生變形。或形成裂紋此外,其淬火溫度范圍窄,在淬火時(shí)應(yīng)嚴(yán)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(guān),其硬度和力學(xué)性能除與碳含量有關(guān)外,還與淬火和回火的溫度有關(guān)。過高或過低的淬火溫度同樣對碳素工具鋼的力學(xué)性能和耐磨性都是不利的,碳素工具鋼淬火后必須進(jìn)行低溫回火,以使淬火后的殘余應(yīng)力得到部分消除,避免因產(chǎn)生過大應(yīng)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(qiáng)度和塑性。 碳素工具鋼中的碳含量對經(jīng)淬水及低溫回火的強(qiáng)度和塑性有影響。亞共析鋼強(qiáng)度隨著碳含量增加而增加,到0.60-0.70%時(shí)達(dá)最大值,其后強(qiáng)度隨著碳含量的增加而降低,至接近共析鋼成分時(shí)強(qiáng)度最低,之后,其強(qiáng)度又隨碳含量增加而增加,當(dāng)碳含量大于0.15%時(shí),強(qiáng)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(qiáng)度,適于制造受沖擊負(fù)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(qiáng)度和塑性較低,加熱時(shí)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(xué)性能,如硬度、耐磨性和韌性等,主要用于制造不受突然震動(dòng)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(dòng)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(wěn)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(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損并發(fā)熱,還有震動(dòng)和承受一定的沖擊負(fù)荷。刃具用鋼應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.80%-1.45%,鉻是這類鋼的主要合金元素,質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)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(fù)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(yīng)具有高的硬度、強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.80%以上,鉻是這類鋼的重要合金元素,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)町達(dá)13%,并且為了形成大量碳化物,鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也很高,最高可達(dá)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(jī)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(tài)金屬或液態(tài)金屬獲得所需要的形狀,制成所需要的產(chǎn)品。這種模具在工作中除要承受巨大的機(jī)械應(yīng)力外,還要承受反復(fù)熱和冷卻的作用,而引起很大的熱應(yīng)力。熱作模具鋼除應(yīng)具有高的硬度、強(qiáng)度、紅硬性、耐磨性的韌性外,還應(yīng)具有良好的高溫強(qiáng)度、熱疲勞穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和耐蝕性,此外還要求具有較高的淬透性,以保證整個(gè)截面具有一致的力學(xué)性能。
對于壓鑄模用鋼,還應(yīng)具有表面層經(jīng)反復(fù)受熱和冷卻不產(chǎn)生裂紋,以及經(jīng)受液態(tài)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)度、硬度、耐磨性、熱穩(wěn)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(bǔ)焊性能好、粗糙度高、導(dǎo)熱性好和工作條件下尺寸和形狀穩(wěn)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(qiáng)度的模具可選用冷作模具鋼。
(三)量具用鋼
量具應(yīng)具有良好的尺寸穩(wěn)定性、高耐磨性、高硬度和一定的韌性。因此,量具用鋼應(yīng)具有硬度高、組織穩(wěn)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(shù)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(qiáng)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(jīng)熱處理后的使用硬度可達(dá)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(tài)的高速工具鋼還具有較好的機(jī)械加工性能,可制造各種形狀復(fù)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(tài)高速工具鋼中的碳化物是共晶碳化物,經(jīng)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(shù)量、類型與鋼的化學(xué)成分有關(guān),而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關(guān)。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(diǎn),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(qiáng)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(nèi)回火(化學(xué)成分不同,回火溫度不同)出現(xiàn)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(yōu)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(xì),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(chǔ)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(chǎn)的。首先用霧化法制取低氧高速工具鋼預(yù)合金粉末,然后用冷、熱靜壓機(jī)將粉末壓實(shí)成全致密的鋼坯,再經(jīng)鍛、軋成材。粉末高速工具鋼的碳化物細(xì)小、分布均勻,韌性、可磨削性和尺寸穩(wěn)定性等均很好,可生產(chǎn)用鑄錠法個(gè)可能生產(chǎn)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(diǎn)是具有接近硬質(zhì)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(qiáng)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(fù)荷的工作條件。