第四章 工 具 钢 第一节 刃 具 钢 第二节 模具钢 第三节 量具钢

工具钢：制造刃具、模具、量具等各类工具 。 高速铣刀 车削加工 铣削加工 车刀

按用途分类 刃具钢 模具钢 量具钢 工具钢 模具 刃具 量具

碳素工具钢材料 按成分分类 碳素工具钢 低合金工具钢 高速钢 工具钢 高速钢铣刀 低合金工具钢制品

第一节 刃 具 钢 刃具钢的性能要求 1. 高硬度 (≥HRC60), 主要取决于含碳量。 第一节 刃 具 钢 刃具钢的性能要求 1. 高硬度 (≥HRC60), 主要取决于含碳量。 2. 高耐磨性, 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。 3. 足够的韧性, 以防止脆断和崩刃。 4 . 高热硬性, 即钢在高温下（500～600℃）保持高硬 度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。

碳素工具钢（T7-T13） 碳素工具钢的特点 W(C):0.65～1.35％，经不完全淬火和低温回火，硬 度在HRC58～64之间； 2）作低速切削的刃具，工作温度＜200℃ ； 3）淬透性差，易淬火变形或开裂； 4）成本低，加工性能好。

碳素工具钢的热处理 正火 + 球化退火 + 淬火 + 低温回火 1）碳素工具钢须经球化退火（预先热处理）以降低硬 度便于切削加工、并为淬火作组织准备； 若锻造组织不良（如网状碳化物），则应在球化退火 之前先进行正火处理，以消除网状碳化物。 2）最终热处理为淬火＋低温回火（回火温度一般为180 ～200℃），正常组织为回火马氏体＋细粒状渗碳体及少 量残余奥氏体。

由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的 手工工具和低速刃具。 T7～T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿 子、锤子等。 碳素工具钢的用途 由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的 手工工具和低速刃具。 T7～T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿 子、锤子等。 木工凿 手锤 木工钻

T10～T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。 T12～T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。 手锯条 钻头

低合金刃具钢 在碳素工具钢基础上添加Si、Mn、Cr、W、Mo、V 等合金元素（总含量＜5％），以提高工具钢的综合性能。 低合金工具钢扳手 丝锥 板牙 低合金工具钢扳手

成分特点 1）高碳：0.75～1.5%C，保证足够的碳化物存在； 2）合金元素的作用： ① 主要添加Cr、Mn、Si等，提高钢的淬透性（如Cr、 Mn、Si）和回火稳定性（如Si），可用油淬代替盐 浴淬火，减少变形开裂； ② 次要元素W、V的添加，可在淬火加热时，形成合金 渗碳体（较稳定），阻碍奥氏体晶粒长大，改善钢 的韧性(如W、V)。

低合金刃具钢的热处理 同于碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。 最终热处理的正常组织为回火马氏体＋细粒状合金渗碳体及少量残余奥氏体。 由于添加的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250℃。 因此这类钢仍然属于低速切削刃具钢，其热处理工艺如下表所示。

高速刃具钢 性能特点 1）高的热硬性：它可使刀具在高速切削时，刃部温度上 升到600℃，其硬度仍然维持在55～60HRC以上； 高速钢铣刀 高速刃具钢 性能特点 1）高的热硬性：它可使刀具在高速切削时，刃部温度上 升到600℃，其硬度仍然维持在55～60HRC以上； 2）高硬度和高耐磨性：使切削时刀刃保持锋利（故也称 “锋钢”）； 3）淬透性优良：在空气中冷却也可得到马氏体。广泛用 于尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速 切削刀具。

成分特点（教材P64） 1）C0.70%～1.5%：强化基体并形成各种碳化物来保证钢的硬度、耐磨性和热硬性； 2）Cr4.0%左右：提高淬透性和回火稳定性，增加钢的抗氧化、耐蚀性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用； 3）W、Mo：产生二次硬化保证钢的热硬性，也有提高淬透性和热稳定性、并进一步改善钢的硬度和耐磨性的作用 4）V：形成细小稳定的VC来细化晶粒，同时也有加强热硬性、进一步提高硬度和耐磨性的作用；

5）Co、Al：是超硬高速钢中的非碳化物形成元素，能进一步提高钢的热硬性和耐磨性。 6）其他微量元素：N元素可提高抗弯强度和韧性，增大淬火回火硬度和热硬性。稀土元素可降低S在晶界的偏聚，明显改善热塑性。 下料→锻造→退火→机加工→淬火（→冷处理） →回火 →磨削（→表面强化处理） 利用高速钢制作刃具的加工工艺路线

高速钢属于莱氏体钢，故铸态组织中有大量的不均匀分布的粗大的鱼骨状共晶碳化物，难于通过热处理来改善，显著降低钢的 高速钢的锻造 高速钢属于莱氏体钢，故铸态组织中有大量的不均匀分布的粗大的鱼骨状共晶碳化物，难于通过热处理来改善，显著降低钢的 强、韧性，引起工 具的崩刃和脆断， 故要求进行严格的 锻造以改善碳化物 的形态与分布。 W18Cr4V钢的铸态组织

其锻造要点有： “两轻一重”—即开始锻造和终止锻造时要轻锻，中间温度范围要重锻； “两均匀” —即锻造过程中温度和变形量的均匀性； “反复多向锻造”等 。 高速车削

高速钢的热处理 球化退火(预先热处理降低硬度207～255HB) （机械加工） 淬火 冷处理(－80℃左右)减少残余奥氏体 高温回火(550～570℃高温回火2～4次)

1、退火：高速钢经煅轧后，钢材需退火处理。 由于在860～870℃退火时，大部分碳化物未溶解进入 奥氏体，此时奥氏体中合金元素的含量不多，冷却时易转 化为粒状珠光体和剩余碳化物。

2、淬火：高速钢的淬火温度在1200～1300℃左右，一般用油淬空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火。

高速钢淬火后的正常显微组织是：细小的奥氏体晶粒的晶界上弥散分布着碳化物微小颗粒。

3、回火：目的是从马氏体中析出弥散碳化物，产生次生硬化效应和消除残余奥氏体和淬火内应力。

三次回火工艺，以保证完全消除残余奥氏体以及新 产生马氏体引起的内应力。

W18Cr4V在560℃回火时，W2C、Mo2C和VC等碳化物的析出产生二次硬化效应，硬度达到最大值。

表面强化处理可有效地提高高速钢刀具的切削效率和寿命，因而受到了普遍重视和广泛的应用。可进行的表面强化处理方法很多，常见的主要有： 高速钢的表面强化处理 表面强化处理可有效地提高高速钢刀具的切削效率和寿命，因而受到了普遍重视和广泛的应用。可进行的表面强化处理方法很多，常见的主要有： 1）表面化学热处理（如渗氮） 2）表面气相沉积(化学、物理气相沉积TiN涂层) 2）激光表面处理 (刀具寿命可提高百分几十到几倍甚至十倍以上)

第二节 模 具 钢 模具是用于进行压力加工的工具，根据其工作条件及用途不同，常分为冷作模具、热作模具和成形模具（其中主要是塑料模）等三大类。 第二节 模 具 钢 模具是用于进行压力加工的工具，根据其工作条件及用途不同，常分为冷作模具、热作模具和成形模具（其中主要是塑料模）等三大类。 汽车冲压模具

冷作模具钢 工作条件和性能要求 1）工作温度200～300℃； 2）模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用； 冷冲压件 工作条件和性能要求 1）工作温度200～300℃； 2）模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用； 3）模具应具有高硬度、高耐磨性、高强度和足够韧性； 4）冷作模具对淬透性、耐磨性尤其对韧性要求较高。 因此，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏 体状态下使用。

2）低合金工具钢(9SiCr、9Mn2V) [中小尺寸模具钢] 常用的冷作模具钢 1）碳素工具钢(T10、T10A) [尺寸较小的冷作模具钢] 2）低合金工具钢(9SiCr、9Mn2V) [中小尺寸模具钢] 3）中、高铬模具钢(Cr12、Cr12MoV) [尺寸大、形状复杂、精度高的重载模具] 4）高速钢类模具钢(W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V) [冷、热模具钢均可]

下料  锻造  退火  机械加工  淬火  回火  精磨或 电火花加工  成品 冷作模具钢的制作工艺(Cr12、Cr12MoV) 下料  锻造  退火  机械加工  淬火  回火  精磨或 电火花加工  成品

热作模具钢 工作条件和性能要求 1）工作温度高（热锻模：300～400℃；热挤压模：500～ 800℃，甚至近1000℃）； 2）模具在交替加热冷却的温度循环中产生交变热应力， 常出现变形、磨损、开裂和热疲劳等失效形式； 3）模具应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损 抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。

曲轴模具 热模锻曲轴毛坯 热镦模 凸缘模

常用热作模具钢

压铸工艺 型板压铸模

热作模具钢的制作工艺（4Cr5MoSiV1） 下料 锻造 退火 机械加工 淬火 回火 精加工

第三节 量 具 钢 量具是度量工件尺寸形状的工具，是计量的基准，如卡尺、块规、塞规及千分尺等。 卡尺 塞规 千分尺

由于量具使用中常与工件的摩擦与碰撞，且本身须具备极高的尺寸精度和稳定性。 1）高硬度（58～64HRC）和高耐磨性。 2）高的尺寸稳定性（要求组织稳定性高）。 3）一定的韧性和特殊环境下的耐蚀性。 矩形花键环规、塞规 光面量规

1）淬火加热时进行预热，以减小变形，这对形状复杂的量具更为重要。 量具钢的热处理特点 1）淬火加热时进行预热，以减小变形，这对形状复杂的量具更为重要。 2）在保证力学性能的前提下降低淬火温度，尽量不采用等温淬火或分级淬火工艺，减少残余奥氏体的生成。 3）淬火后立即进行冷处理(-80℃)减小残余奥氏体量，延长回火时间，回火或磨削之后进行长时间的低温时效处理等。