1.7工具钢

1.7.1  工具钢简介

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。根据用途不同，工具钢也可夯为刃具用钢，模具用钢和量具用钢。按化学成分不同，工具钢又可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。本节只介绍刃具用钢和量具用钢，对模具用钢的详细介绍可参看后续章节。

高硬度、高耐磨性是工具钢最重要的使用性能之一。高耐磨性是保证和提高工具寿命的必要条件。此外，不同用途的工具钢有各自的特殊性能要求，例如，刃具钢还要求红硬性及一定的强度和韧性，量具钢还要求高的尺寸稳定性。

在化学成分上，为了使工具钢尤其是刃具钢具有高的硬度，通常都使其含有较高的（含碳量为o。65%／-1. 55%），：以保证淬火后获得高碳马氏体，从而得到高的硬度和9断抗力，这对减少和防止工具损坏是有利的。此外，高的含碳量还可以形成足够数量每碳化物以保证高的耐磨性，所加入的合金元素主要是使钢具有高硬度和高耐磨性的一些碳化物，形成元素如Cr、W、Mo、V等。有时也加入Mn和Si，其目的主要是增加钢的淬透性以达到减少钢在热处理时的变形，同时增加钢回火稳定性。对于切削速度较高的刃具，常加入较多的W、Mo，V、（：o等合金元素，以提高钢的红硬性。

工具钢对钢材的纯洁度要求很严：对S、P含量一般均限制在o． 02%-0.03%以下，工具钢属于优质钢或高级优质钢。在出厂时其化学成分、脱碳层、碳化物不均匀度等均应符合国家有关标准规定，否则会影响工具钢的使用寿命。

工具钢一般可主要用于制造各种切削）J具、成型工具和测量工具。

工具钢的主要性能包括：硬度、耐磨性、强度、韧性、可加工性，淬火温度范围、淬硬性和淬透性、脱碳敏感性、热处理变形性，磨削性等。

1.7.2  刃具用钢

刃具用钢是用来制造各种切削加工工具的钢种，刃具的种类繁多，如车刀、铣刀、创刀、钻头、丝锥及板牙等。其中车）9最具有代表性，车59的工作条件基本能反映各类刃具工作条件的特点。

(1)刃具钢的工作条件及性能要求  刃具在切削过程中，刀刃与工件表面金属相互作用，使切屑产生变形与断裂，并从工件整体上剥离下来。放）9刃本身承受弯曲，扭转、剪切应力和冲击，振动等负荷作用，同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用。由切屑层金属的变形以及刃具与工件、切屑的摩擦产生大量的摩擦热，使刃具温度升高。切削速度越快，则刃具的温度越高，有时）J刃温度可达600℃左右。刃具钢具有如．下使用性能。

①具有高于被切削材料的硬度，一般应在60HRC以上，加工软材料时可为45-55HRC，故刃具钢应是以高碳马氏体为基体的组织。

②为了保证刃具的使用寿命，应具有足够的耐磨性。高的耐磨性不仅决定于高硬，同时也决定于钢的组织．在马氏体基体上分布着弥散的碳化物，尤其是各种合金碳物能有效地提高刃具钢的耐磨损能力。

⑨刃具在工作时承受着冲击、振动等作用，刃具钢应具有足够的塑性和韧性，以防止使用中崩刃或折断。

④为了使刃具能承受切削热的作用，要求刃具有高的红硬性。钢的红硬性是指钢受热条件下仍能保持足够高的硬度和切削能力的性能。红硬性可以用多次高温囤火后室温条件下测得的硬度值来表示，所以红硬性是钢抵抗多次高温回火软化的能力，实质上这是一个回火抗力的问题。

述四点是对刃具钢的一般使用性能要求，而视使用条件的不同可以有所侧重。如锉）9不一定需要很高的红硬性；两钻头工作时，其内部产生的热量散失困难，所以对红性要求很高。

此外，选择刃具钢时，应当考虑工艺性能的要求。例如，切削加工与磨削性能好、有良好的淬透性，较小的淬火变形、开裂敏感性等要求，都是刃具钢合金化及其选材基本依据。

(2)刃具钢的特性

①碳索刃具钢。常用碳素工具钢包括： T7、T7A、T8、T8A、T8Mn、T8MnA、T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A，T12、T12A、T13、T13A。碳素刃具钢含碳量范围在o． 65%～1。35%，属高碳钢，包括亚共析钢；共析钢和过共析钢。碳素刃具钢的热处理工艺为淬火+低温回火。一般亚共析钢采用完全淬火，淬火后的组织为细针状马氏体，过共析钢采用不完全淬火，淬火后的组织为隐晶马氏体+未溶碳化物，且由于溶碳化物的存在，使钢的韧性较低，在使用中脆断倾向性大，应予以充分注意。

在碳素刃具钢正常淬火组织中还不可避免地会有数量不等的残余奥氏体存在。

碳素刃具钢淬透性低，工具断面尺寸大予15mm时，水淬后只有工件表面层有高硬，故不能做形状复杂、尺寸较大的刀具；碳素刃具钢红硬性差，当工作温度超过250℃，硬度和耐磨性迅速下降，而失去正常工作能力；该类钢从成分上看，不含有合金元素，淬火、回火后碳化物属于渗碳体型。硬度虽然可达62HRC，但耐磨性仍不足。

碳素刃具钢在热处理时需注意以下几点。

瓤碳索工具钢淬透性低，为了在淬火后获得马氏体组织，淬火时工件要在强烈的淬火介质（如水、盐水、碱水等）中冷却。因而，淬火时产生的应力大，将引起较大的变形甚至开裂。因此，淬火后应及时回火。碳素刃具钢在淬火前经球化退火处理，在退处理过程中，由于加热时间长，冷却速度慢，会有石墨析出使钢脆化（称为黑脆）。

b碳素刃具钢由于含碳量高，在加热过程中易氧化脱碳，所以加热时需注意保护。一般用盐浴炉或在保护气氛条件下加热。  

综上所述，由于碳素工具钢淬透性低、红硬性差、耐磨性不够高，但碳素刃具钢成本低，所以，只能用来翻造切削量小，切削速度较低的小型刃具，可用来加i硬度低的软金属或非金属材质。而对于重负荷、尺寸较大、形状复杂，且工作温度超过200℃的刃具，碳素刃具钢就满足不了工作的要求，在制造这类刃具时应采用合金刃具钢。

②合金刃具钢。合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加人某些合金元素丽发展起来的，其目的是克服碳素刃具钢的淬透性低、红硬性差、耐磨性不足的缺点。合金刃具锅的含碳量在o．75%一1。5%，合金元素总量则小于5%，所以又称低合金刃具钢。加人的合金元素为Cr。Mn，Si、W和V等，其中Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，同时强化马氏体基体，提高回火稳定性；W和V还可以细化晶粒；Cr、Mn等可溶人渗碳体，形成合金渗碳体，有利于钢耐磨性的提高。另外，Si使钢在加热时易脱碳和石墨化，在使用中应注意。如Si。～同时加入钢中，则能降低钢的脱碳和石墨化倾向。

合金刃具钢淬透性较碳索刃具钢好，淬火冷却可在油中进行，热处理变形和开裂倾向小，耐磨性和红硬性也有所提高。合金元素的加入，提高了钢的临界点，故一-般淬火温度较高，脱碳倾向增大。

合金刃具钢主要用于制作截面尺寸较大且形状复杂的刃具，精密的刃具，切削刃在心部的刃具V此时要求钢的组织均匀性要好），切削速度较大的刃具等。

伐国冶标YB 7-59列入了56种合金刃具钢。合金刃具钢分为两个体系。即针对提高钢的淬透性的要求，发展了Cr，Cr2、9SiCr和CrWyMn等钢。其中9SiCr钢在油中淬火淬透直径可达40- 50mm.，适宜制造薄刃或切舰刃在心部的工具，如板牙、滚丝轮、丝锥等。

CrWMn钢是最常用的合金刃具钢，经热处理后硬度可达64- 66HRC，且具有较高的耐磨性。CrWMn钢淬火后，有较多的残余奥氏体，淬火变形较小，故有低变形钢之称。生产中常用调整淬火温度和冷却介质配合，使形状复杂的薄壁工具达到少变形或不变形。这种钢适于做截面尺寸较大、要求耐磨性高、淬火变形小，但工作温度不高的拉)y，长丝锥等，也可作量具、冷变形模具和高压油泵的精密部件（柱塞）等。

此外，针对提高耐磨性的要求，发展了合金刃具钢Cr06、W、W2及CrW5等：其中CrW5又称钻石钢，在水中冷却时，硬度可达67-y68HRC，主要用于制作截面尺寸大(5一、-15mm)、形状简单又要求高硬度、高耐磨性的工具，如雕刻工具及切削硬材料的刃具。

合金刃具钢的热处理与碳素刃具钢基本相同，也包括加工前的球化退火和成型后的淬火与低温回火，回火温度一般为160一 200℃。合金刃具钢为过共析钢，一般采用不完全淬火。淬火加热温度要根据工件形状、尺寸及性能要求等选定，并进行严格控制，以保证工件质量。另外，合金刃具钢导热性较差，对于形状复杂，截面尺寸大的工件，在淬火加热前往往先在600一 650℃左右进行预热，然后再淬火回火，一般采用油淬、分级淬火或等温淬火。少数淬透性较低的钢，如Cr06，CrW5等钢，可采用水淬。

合金刃具钢解决了淬透性低、耐磨性不足等缺点，但由于合金刃具钢所加合金元索甘盆刃具锅解决了淬透性低、耐磨性不足等缺点，但由于台金刃具钢所加合金元素求，如回火温度达到250℃时硬度值已降到≤60HRC。因此要想大幅度提高钢的红硬性，靠合金刃具钢难以解决，故发展了高速钢。

③高速钢。同碳素刃具钢和合金刃具钢相比，高速钢的切削速度可提高2～4倍，刃具寿命捷高8～1-5倍。高速钢广泛用于制造尺寸大、切削速度快，负荷大及工作温度高的各种机加工工具，如车）9、刨）（J、拉）9、钻头等。此外，还可应用在模具及一些轴承方面。

尽管高速钢））具在全世界的销售额不断减少，但是，高性能的钴高速钢和粉末冶金速钢的使用量却在不断增加，可主要用于钛合金等难加工材料的切削。它们比普通的高速钢具有更好的耐磨性，红硬性和使用可靠性，尤其是粉末冶金高速钢的性能更好，至在综合评价中优于硬质合金刀具。

l。7.3  量具用铜

(1)量具的工作条件及量具用钢的性能要求  由于量具在使用过程中经常受到工件的摩擦与碰撞，而量具本身又必须具备非常高的尺寸精确性和恒定性，因此，要求具有（下性能。

①高硬度和高耐磨性：以此保证在长期使用中不致被很快磨损，丽失去其精度。

②高的尺寸稳定性；以保证量具在使用和存放过程中保持其形状和尺寸的恒定。

③足够的韧性，以保证量具在使用时不致因偶然因素——碰撞而损坏。

④在特殊环境下具有耐腐蚀性。

(2)常用量具用钢的选用

形状简单、精度要求不高的量具。可选用碳素工具钢，如T10A、T11A、T12A。由于碳素工具钢的淬透性低，尺寸大的量具采用水淬，会引起较大的变形。因此，这类钢只能制造尺寸小、形状简单，精度要求较低的卡尺、样板、擾规等量具，

②精度要求较高的量具，如块规、塞规，通常选用高碳低合金工具钢，如Cr2、CrMn、CrWMn及轴承钢GCrl5等。由于这类钢是在高碳钢中加入Cr、，Mh、W等合金元素，故可以提高淬透性，减少淬火变形、提高钢的耐磨性和尺寸稳定性。

③对于形状简单、精度不高、在使用中易受冲击的量具，如简单平样板，卡规、宣尺及大型量具，可采用渗碳钢15，20、15Cr、20Cr等。但量具需经渗碳、淬火及{温回火后使用，经上述处理后，表面具有高硬度、高耐磨性，心部保持足够的韧性。也可采用中碳钢50、55、60、65制造量具，但需经调质处理，再经高频淬火、囤火后使1，可保证量具的精度。

④在腐蚀条件下工作的量具可选用不锈钢4Cr13、9Cr18制造。经淬火、回火处理后硬度可达56---58HRC，同时可保证量具具有良好的耐腐蚀性和足够的耐磨性。

若量具要求特别高的耐磨性和尺寸稳定性，可选用渗氮钢38CrMoAI或冷作模具钢Cr12MoV。38CrMoAl钢经调质处理后精加工成型，然后再氮化处理和研磨；Cr12MoV钢经调质或淬火、回火后再进行表面渗氮或碳，氮共渗。

两种钢经上述过热处理后，可使量具具有高耐磨性、高耐蚀性和高尺寸稳定性。具钢的热处理  在保持高硬度与高耐磨性的前提下，量具钢的热处理应尽量采取各种措施，长期保持使用中的尺寸稳定性。量具在使用过程中随时间延长而发生尺寸变化。用于制造量具的过共析钢淬火后含有一定数量的残余奥氏体，残余奥氏体变为马氏体引起体积膨胀。马氏体在使用中继续分解，正方度降低引起体积收缩。残余内应力的存在和重新分布，使弹性变形部分地转变为塑性变形引起尺寸变化。因此在量具的热处理中，应针对上述原因采用如下热处理措施。

①调质处理：其目的是获得回火索氏体组织，以减少淬火变形和提高机械加工的光洁度。

②淬火和低温回火：量具钢为过共析钢，通常采用不完全淬火加低温回火处理，在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度并进行预热，以减少加热和冷却过程中的温差及淬火应力。量具的淬火方式为油冷（20一 30℃），不宜采用分级淬火和等温淬火，只有在特殊情况下才予以考虑，一般采用低温回火，回火温度为150～160℃，回火时间≥4一 5h。

③冷处理：高精度量具在淬火后必须进行冷处理，以减少残余奥氏体量，从而增加尺寸稳定性。冷处理温度一般为-70一 -80℃，并在淬火冷却到室温后立即进行，以免残余奥氏体发生陈化稳定。

④时效处理：为了进一步提高尺寸稳定性，经淬火、回火后，在120 ---150℃进行24-  36h的时效处理，这样可消除残余内应力，大大增加尺寸稳定性丽不降低其硬度。

量具钢的热处理除了要进行过共析钢的正常热处理，即不完全淬火+低温回火之外，还需要有三个附加的热处理工序，即淬火之前进行调质处理，正常淬火处理之间的冷处理、正常热处理之后的时效处理。