合金工具钢,是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。
加入Cr和Mn可以提高工具钢的淬透性,可根据要求,有选择地加入或同时加入其他元素(加入总量一般不超过5%),即形成一系列的合金工具钢。
应用广泛
合金工具钢广泛用作刃具、冷、热变形模具和量具,也可用于制作柴油机燃料泵的活塞、阀门、阀座以及燃料阀喷嘴等。
用途分类
合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高,按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。其中碳含量高的钢(碳质量分数大于0.80%)多用于制造刃具、量具和冷作模具,这类钢淬火后的硬度在HRC60以上,且具有足够的耐磨性;碳含量中等的钢(碳质量分数 0.35%~0.70%)多用于制造热作模具,这类钢淬火后的硬度稍低,为HRC50~55,但韧性良好。
刃具用钢
度、耐磨性、红硬性和良好的韧性。为了保证其具有高的硬度,满足形成合金碳化物的需要,钢中碳质量分数一般在0.80%~1.45%。铬是这类钢的主要合金元素,质量分数一般在0.50%~1.70%,有的钢还含有钨,以提高切削金属的性能。这类工具钢因含有合金元素,因此淬透性比碳素工具钢好,热处理产生的变形小,具有高的硬度和耐磨性。常用的钢类有铬钢、硅铬钢和铬钨锰钢等。
[应用场合]:主要用于制造低速切削刃具(如木工工具、钳工工具、钻头、铣刀、拉刀等)及测量工具(如卡尺、千分尺、块规、样板等)。量具刃具钢要求具有高硬度(62~65HRC)、高耐磨性、足够的强韧性、高的热硬性(即刃具在高温时仍能保持高的硬度);为保证测量的准确性,要求量具刃具钢具有良好的尺寸稳定性。
[化学成分]:量具刃具钢具有高碳成分,wC=0.8%~1.50%,以保证高的硬度和耐磨性。加入的合金元素有Cr、Si、Mn、W等,用以提高钢的淬透性、耐回火性、热硬性和耐磨性。
[常用刃具钢]:9SiCr是应用广泛的刃具钢,用于制作要求变形小的各种薄刃低速切削刃具,如板牙、丝锥、铰刀等。
[高精度量具(如块规)可采用Cr2、CrWMn等量具刃具钢制造,也可用轴承钢(如GCr15)制造;简单量具(如卡尺、样板、直尺、量规等)多用碳素工具钢(如T10A);要求精密并须防止腐蚀的量具,采用不锈钢3Cr13、9Cr18。
[热处理]:量具刃具钢的预先热处理为球化退火,最终热处理为淬火加低温回火,热处理后硬度达60~65HRC。高精度量具在淬火后可进行冷处理,以减少残余奥氏体量,从而增加其尺寸稳定性。为了进一步提高尺寸稳定性,淬火回火后,还可进行时效处理。
模具钢
模具大致可分为冷作模具、热作模具和塑料模具3类,用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同,工作条件复杂,因此对模具用钢,按其所制造模具的工作条件,应具有高的硬度、强度、耐磨性,足够的韧性,以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。由于这类用途不同,工作条件复杂,因此对模具用钢的性能要求也不同。
冷作模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具有钢,按其所制造具的工作条件,应具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性,以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳合金钢,碳质量分数在0.80%以上,铬是这类钢的重要合金元素,其质量分数通常不大于5%。但对于一些耐磨性要求很高,淬火后变形很小模具用钢,最高铬质量分数可达13%,并且为了形成大量碳化物,钢中碳质量分数也很高,最高可达2.0%~2.3%。冷作模具钢的碳含量较高,其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常用的钢类有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。
冷作模
[应用场合]:冷作模具用于冷态下(工作温度低于200~300℃)金属的成形加工,如冷冲模、冷挤压模、剪切模等。这类模具承受很大的压力、强烈的摩擦和一定的冲击,因此,要求具有高硬度、耐磨性和足够的韧性。此外,形状复杂、精密、大型的模具还要求具有较高的淬透性和小的热处理变形。
[化学成分]:冷作模具钢一般具有高的含碳量,wC=1.0%~2.0%,以获得高硬度和高耐磨性。加入合金元素Cr、Mo、W、V等,以提高耐磨性、淬透性和耐回火性。
[常用冷作模具钢]:Crl2型钢包括Cr12、Cr12MoV等,这类钢的淬透性及耐磨性好,热处理变形小,常用于大型冷作模具。其中Crl2MoV钢除耐磨性不及Cr12钢外,强度、韧性都较好,应用最广。尺寸较小的冷作模具可选用低合金冷作模具钢CrWMn等,也可采用刃具钢9SiCr或轴承钢GCr15。
[热处理]:Crl2型钢属于莱氏体钢,加工前应进行反复锻打并退火。Cr12型钢的最终热处理一般为淬火和回火,获回火马氏体、碳化物和残余奥氏体组织,硬度为 60~64HRC。
热作模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型,包括热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。热变形模具在工作中除要承受巨大的机械应力外,还要承受反复受热和冷却的做用,而引起很大的热应力。热作模具钢除应具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性外,还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性,此外还要求具有较高的淬透性,以保证整个截面具有一致的力学性能。对于压铸模用钢,还应具有表面层经反复受热和冷却不产生裂纹,以及经受液态金属流的冲击和侵蚀的性能。这类钢一般属于中碳合金钢,碳质量分数在0.30% ~0.60%,属于亚共析钢,也有一部分钢由于加入较多的合金元素(如钨、钼、钒等)而成为共析或过共析钢。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。
[常用塑料模具钢]:由于塑料模对力学性能的要求不高,所以材料选择有较大的机动性。常用塑料模具钢的牌号、性能及用途见下表。表中所列钢号大多为国产塑料模具钢号,现阶段仍有许多塑料模采用国外钢号(如日本、美国、德国、瑞典等)或根据国外钢号生产的改良钢种。