碳素工具鋼簡介

碳素工具鋼依其雜質含量的不同，可分為優質鋼（如T8、T12等）和高級優質鋼(如T8A、T12A)兩大類。高級優質鋼S、P含量較優質鋼為低，Mn、Si含量范圍也較窄。所以鋼材具有較好的性能。

碳素工具鋼熱處理後具有較高的硬度和耐磨性，冶煉方法較合金鋼簡單，價格便宜，廣泛用於制造各種工具及零件。碳素工具鋼的主要特點是淬透性較小，因而其使用范圍受到一定限制。

一、   性能及用途

1、       性能

碳素工具鋼由於其含碳量高，具有較多的碳化物，經熱處理後具有較高的硬度（HRC60～65）,制成的刀具具有較好的耐磨性和一定的切削能力。但與合金工具鋼相比，碳素工具鋼的熱硬性差，當工具相比，碳素工具鋼的熱硬性差，當工具的的切削溫度高於200～250℃時，其硬度和耐磨性即急劇下降，這是它的主要缺點。此外，熱處理的變形量較大及淬透性較小等也都是碳素工具鋼不足的地方。

2、       用途

 廣泛用於制造各種輕型切削工具，如操作時刀刃受熱程度較低的手用刀具、低速及小進刀量之機用工具等（表1-2）。此外也用於制造部分量具及模具。

表1-2碳素工具鋼的用途

二、   組織及缺陷

1、   退火狀態的組織及缺陷

 退火狀態的正常組織為分佈均勻的球狀珠光體。當鋼被加熱至稍高於Ac1溫度並緩慢冷卻時，奧氏體發生分解而形成球狀組織。所形成組織的彌散程度隨鋼的加熱溫度、停留時間和冷卻速度而不同。較慢的冷卻或在較高的溫度下的等溫停留，可獲得較粗大的球狀珠光體。

  退火過程中所造成的缺陷，主要由以下幾點：

（1）            片狀和點狀珠光體

片狀和點狀珠光體的產生，主要是由於退火不良。當退火加熱溫度較低或冷卻速度較大，則形成點狀珠光體。如退火加熱溫度過高，則由於溶解瞭大部分碳化物，減少瞭作為結晶核心的質點數量所以在冷卻過程中形成片狀組織，此時硬度較高，可切削性較差，淬火過熱敏感性大，工具熱處理後的變形量大。

（2）            網狀碳化物

由於熱加工終止溫度過高，冷卻速度較小，或退火溫度過高，冷卻過於緩慢，則會引起鋼的晶粒長大。在冷卻過程中，一部分在高溫加熱時融入奧氏體中的二次碳化物將沿晶界析出而形成網狀碳化物。網狀碳化物降低鋼的機械性能，特別是沖擊韌性的顯著降低，使刀具在使用過程中易造成崩刃現象

（3）            石墨碳

石墨碳系指在鋼的纖維組織中所出現的灰黑色點狀或片狀的石墨夾雜物，在鋼的斷口上表現為黑色或深灰色。石墨碳℃也可用化學分析方法作定性或定量的測定。

在下述情況下常會引起石墨碳的析出：熱壓力加工終止於高溫（約1000℃）而隨後又進行緩慢冷卻，在750~800℃進行長時間的停留；或在700~720間進行長時間的退火。此外，如退火工藝不正確、多次退修退火等也會產生石墨碳。

石墨碳的存在對鋼的基體起著分割的作用，降低瞭鋼的強度，增加瞭鋼的脆性。石墨碳出現在切削刃處會引起工具刃口的剝落，降低工具的耐用度。

（4）            脫碳

鋼在退火過程中，由於加熱溫度過高和保溫時間過長，會引起表面的脫碳。脫碳層之最嚴重部分為鐵素體組織；其次是鐵素體加片狀珠光體、片狀珠光體加球狀珠光體。當脫碳程度不很嚴重時，表面可能不出現單純的鐵素體組織。

2．淬火和回火狀態的組織及缺陷

         碳素工具鋼由於淬透性較差，一般應在水中淬火才能保證工具獲得高的硬度和淬透深度。但為瞭減少工具淬火時的變形，也可采用先水後油的雙液淬火，或用低溫熔鹽（150~200℃）淬火。經淬火的正常組織為針狀馬氏體、碳化物和殘留奧氏體。截面較大的工具，雖在水中冷卻，但隻有表面層獲得馬氏體，而心部則為馬氏體—

屈氏體，有時為100%馬氏體。如果加熱保溫時間太短，有時還可能存在未轉變的原始珠光體組織。

  碳素工具鋼在淬火和回火後所產生的缺陷主要有下列幾方面：

（1）  過熱

過熱系由於淬火溫度過高或保溫時間過長，而導致鋼的組織粗大，工廠中判定淬火過熱的方法通常是觀察馬氏體針葉的長度。針葉越長則過熱程度越嚴重。一般鋼的過熱程度也可以從晶粒度的大小來衡量，但晶粒度的測定必須經特殊處理，所以不適合生產中應用。過熱的工具，其物理性質和機械性能均較差。

（2）  裂紋

裂紋大都發生在用水淬火的工具，出現裂紋的原因主要是淬火溫度選擇不當、加熱或冷卻速度過大、淬火時冷卻不均勻等。

（3）  會火不足

由於回火（150~180℃）加熱時間不足，產生會火不足現象，其特征是磨面不易侵蝕，在顯微組織中存在有未回火的針狀馬氏體。

正常回火後的金相組織必須是回火馬氏體（黑色，看不見針狀）和碳化物。

（4）  脫碳

淬火加熱時，由於周圍氧化氣氛的作用，或在脫氧不良的溶鹽中進行加熱，使鋼的表面含碳量較低。生產中所發現的脫碳現象一般均是部分脫碳；它的金相特征是表層過剩碳化物的減少。如果在刃磨時工具的切削面不經磨削，致脫碳層被去除，則工具的切削性能降低，容易損壞。

 

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模具鋼大致可分為（冷作模具鋼）、（熱作模具鋼）和（塑料模具鋼）3類，用於鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。

   由於各種模具用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。由於這類用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼的性能要求也不同。

 

   1.冷作模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲模、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具有鋼，按其所制造具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性、足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用於這類用途的合金工具用鋼一般屬於高碳合金鋼，碳質量分數在0.80%以上，鉻是這類鋼的重要合金元素，其質量分數通常不大於5%。但對於一些耐磨性要求很高，淬火後變形很小模具用鋼，最高鉻質量分數可達13%，並且為瞭形成大量碳化物，鋼中碳質量分數也很高，最高可達2.0%~2.3%。冷作模具鋼的碳含量較高，其組織大部分屬於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。

 

   2.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、壓力機鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具在工作中除要承受巨大的機械應力外，還要承受反復受熱和冷卻的做用，而引起很大的熱應力。熱作模具鋼除應具有高的硬度、強度、紅硬性、耐磨性和韌性外，還應具有良好的高溫強度、熱疲勞穩定性、導熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個截面具有一致的力學性能。對於壓鑄模用鋼，還應具有表面層經反復受熱和冷卻不產生裂紋，以及經受液態金屬流的沖擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬於中碳合金鋼，碳質量分數在0.30%~0.60%，屬於亞共析鋼，也有一部分鋼由於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。

 

   3.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度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐蝕性等性能。此外，還要求具有良好的工藝性，如熱處理變小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度高、導熱性好和工作條件尺寸和形狀穩定等。一般情況下，註射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼；熱固性成形和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。

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