碳素刃具钢的热处理工艺为淬火低温回火.ppt

第四章工具钢
第一节概述
工具钢是用以制造各种加工工具的钢种。
根据用途，分为刃具用钢、模具用钢和量具用钢。
按化学成分，可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。
本章主要介绍刃具钢、模具钢的工作条件、失效形式及其性能要求，阐述各类钢种的衍变、选材原则及其发挥材料性能潜力的途径。第二节刃具用钢
刃具用钢是用来制造各种切削加工工具的钢种。如车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥及板牙。
一、刃具钢的工作条件及性能要求
工作条件：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。故刀刃本身承受弯曲、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。由于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，均使刃具温度升高。切削速度越快，则刃具的温度越高，有时刀刃温度可达600℃左右。
刀刃温度的升高（△T）与切削速度（v)、走刀量(S)和切削进刀深度(t)之间有如下经验关系

刃具钢应具有如下使用性能：
为了保证刀刃能犁入工件并防止卷刃，必须使刃具具有高于被切削材料的硬度，故刃具钢应是以高碳马氏体为基体的组织。
为了保证刃具的使用寿命，应当要求有足够的耐磨性。在马氏体基体上分布着弥散的碳化物，尤其是各种合金碳化物能有效提高刃具钢的耐磨损能力。
由于各种形式的切削加工过程中，刃具承受着冲击、振动等作用，应当要求刃具有足够的塑性和韧性，以防止使用过程中崩刃或折断。
为了使刃具能承受切削热的作用，防止在使用过程中因温度升高而导致硬度下降，应要求刃具有高的红硬性。红硬性是指钢在受热条件下，仍能保持足够高的硬度和切削能力。二、刃具钢的钢种衍变
按照使用情况及相应的性能要求不同，将刃具钢分为：碳素刃具钢、合金刃具钢和高速钢。
1.碳素刃具钢
含碳量Wc=0.65%~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，且由于未溶碳化物的存在，使钢的韧性较低，脆性较大。
碳素刃具钢在性能上有两个缺点，一个不足。即淬透性差，红硬性差，耐磨性不足。
用途：只能用来制造切削量小、切削速度较低的小型刃具。2.合金刃具钢
合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加入某些合金元素而发展起来的。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。
加入的合金元素Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，同时强化马氏体，提高回火稳定性。
Cr、Mn、W和V还可以细化晶粒；
Cr、Mn等可溶入渗碳体，形成合金渗碳体，有利于耐磨性的提高。
合金刃具钢的特点：淬透性较碳素刃具钢好，淬火冷却可在油中进行，故热处理变形和开裂倾向小，耐磨性和红硬性也有所提高。但合金元素的加入，提高了钢的临界点，故一般淬火温度较高，使脱碳倾向增大。针对提高钢的临界性的要求，发展了Cr、Cr2、9SiCr、CrWMn等钢。3.高速钢
高速钢是一种高碳且含有大量W、Mo、Cr、V、Co等合金元素的合金刃具钢。
高速钢经热处理后，在600℃以下仍然保持高的硬度，故可在较高温度条件下保持高速切削能力和耐磨性。向高速钢中加入Cr、W、Mo、V等合金元素，一方面是造成二次硬化效应；另一方面也可起固溶强化作用，即需要a-Fe中有与位错结合较强的溶质原子，从而通过第二相粒子和位错气团这两种方式来阻止变形的进行，以保证a-Fe基体的热强性。
Cr的良好作用在于提高钢的淬透性与耐磨性。Cr还能使高速钢在切削过程中的抗氧化作用增强，形成较多的氧化膜，并减少粘刀现象，从而使刃具的耐磨性与切削性能提高。不同钴含量对高速钢回火硬度的影响(2)高速钢的铸态组织及其压力加工
高速钢的铸态组织由鱼骨状莱氏体、黑色组织d共析体及马氏体加残余奥氏体组成。碳化物的不均匀分布，如带状、网状、大颗粒、大块堆积等均使钢材的力学性能呈各向异性，并降低钢的强度及塑性、韧性（如表所示）。
碳化物尺寸及分布不均匀会使加热过程中碳化物向奥氏体中溶解的程度发生变化，导致淬火马氏体中的含碳量及合金元素含量不均匀，以及残余奥氏体的多少和分布不均匀，使刃具的硬度和红硬性降低。
碳化物不均匀程度增大时，导致淬火加热时晶粒度大小不同，而易于产生过热甚至过烧。
碳化物分布不均匀，淬火加热时奥氏体的形成不均匀，导致产生较大的应力集中，容易引起工具变形，还可能导致淬火裂纹甚至开裂。
碳化物不均匀程度的增大，能降低高速钢的抗磨损性能，并使刃具容易崩刃。改善高速钢中碳化物均匀性的措施：
向液体金属中加合金元素Zr、Nb、Ti及Ce等变质剂，增加结晶核心，用以细化共晶碳化物；
在钢液结晶过程中，加超声振荡或电磁搅拌，采用连续铸造法，由于冷却迅速共晶