合金工具鋼

合金工具鋼簡介

合金工具鋼 alloy tool steel

在碳素工具鋼中加入Si、Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等合金元素的鋼。

 　 加入Cr和Mn可以提高工具鋼的淬透性，可根據要求，有選擇地加入或同時加入其他元素(加入總量一般不超過5％)，即形成一系列的合金工具鋼。 

應用廣泛

　　合金工具鋼廣泛用作刃具、冷、熱變形模具和量具，也可用於制作柴油機燃料泵的活塞、閥門、閥座以及燃料閥噴嘴等。 

按用途分類

　　合金工具鋼的淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高，按用途大致可分為刃具、模具和量具用鋼3類。其中碳含量高的鋼（碳質量分數大於0080％）多用於制造刃具、量具和冷作模具，這類鋼淬火後的硬度在HRC60以上，且具有足夠的耐磨性；碳含量中等的鋼（碳質量分數 0.35％~0.70％）多用於制造熱作模具，這類鋼淬火後的硬度稍低，為HRC50~55,但韌性良好。 

（一）刃具用鋼

　　刃具在工作條件下產生強烈的磨損並發熱，還有震動和承受一定的沖擊負荷。刃具用鋼應具有高的硬度、耐磨性、紅硬性和良好的韌性。為瞭保證其具有高的硬度，滿足形成合金碳化物的需要，鋼中碳質量分數一般在0.80％~1.45％。鉻是這類鋼的主要合金元素，質量分數一般在0.50％~1.70％，有的鋼還含有鎢，以提高切削金屬的性能。這類工具鋼因含有合金元素，因此淬透性比碳素工具鋼好，熱處理產生的變形小，具有高的硬度和耐磨性。常用的鋼類有鉻鋼、矽鉻鋼和鉻鎢錳鋼等。 　　

[應用場合]：主要用於制造低速切削刃具（如木工工具、鉗工工具、鑽頭、銑刀、拉刀等）及測量工具（如卡尺、千分尺、塊規、樣板等）。量具刃具鋼要求具有高硬度（62～65HRC）、高耐磨性、足夠的強韌性、高的熱硬性（即刃具在高溫時仍能保持高的硬度）；為保證測量的準確性，要求量具刃具鋼具有良好的尺寸穩定性。 　　

[化學成分]：量具刃具鋼具有高碳成分，wC=0.8％～1.50％，以保證高的硬度和耐磨性。加入的合金元素有Cr、Si、Mn、W等，用以提高鋼的淬透性、耐回火性、熱硬性和耐磨性。 　　

[常用刃具鋼]：9SiCr是應用廣泛的刃具鋼，用於制作要求變形小的各種薄刃低速切削刃具，如板牙、絲錐、鉸刀等。 　　

[常用量具鋼]：高精度量具（如塊規）可采用Cr2、CrWMn等量具刃具鋼制造，也可用軸承鋼（如GCr15）制造；簡單量具(如卡尺、樣板、直尺、量規等)多用碳素工具鋼（如T10A）；要求精密並須防止腐蝕的量具，采用不銹鋼3Cr13、9Cr18。 　　

[熱處理]：量具刃具鋼的預先熱處理為球化退火，最終熱處理為淬火加低溫回火，熱處理後硬度達60～65HRC。高精度量具在淬火後可進行冷處理，以減少殘餘奧氏體量，從而增加其尺寸穩定性。為瞭進一步提高尺寸穩定性，淬火回火後，還可進行時效處理。 

（二）模具鋼

模具大致可分為冷作模具、熱作模具和塑料模具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。 　　

    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。 

[應用場合]：冷作模具用於冷態下（工作溫度低於200～300℃）金屬的成形加工，如冷沖模、冷擠壓模、剪切模等。這類模具承受很大的壓力、強烈的摩擦和一定的沖擊，因此，要求具有高硬度、耐磨性和足夠的韌性。此外，形狀復雜、精密、大型的模具還要求具有較高的淬透性和小的熱處理變形。 　　

[化學成分]：冷作模具鋼一般具有高的含碳量，wC=1.0％～2.0％，以獲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。 　　

[常用冷作模具鋼]：Crl2型鋼包括Cr12、Cr12MoV等，這類鋼的淬透性及耐磨性好，熱處理變形小，常用於大型冷作模具。其中Crl2MoV鋼除耐磨性不及Cr12鋼外，強度、韌性都較好，應用最廣。尺寸較小的冷作模具可選用低合金冷作模具鋼CrWMn等，也可采用刃具鋼9SiCr或軸承鋼GCr15。 　　

[熱處理]：Crl2型鋼屬於萊氏體鋼，加工前應進行反復鍛打並退火。Cr12型鋼的最終熱處理一般為淬火和回火，獲回火馬氏體、碳化物和殘餘奧氏體組織，硬度為 60～64HRC。 　　

    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。 

[應用場合]：熱作模具用於熱態金屬的成形式加工，如熱鍛模、壓鑄模、熱擠壓模等。熱作模具工作時受到比較高的沖擊載荷，同時模腔表面要與熾熱金屬接觸並發生摩擦，局部溫度可達500℃以上，並且還要不斷反復受熱與冷卻，常因熱疲勞而使模腔表面龜裂，故要求熱作模具鋼在高溫下具有較高的綜合力學性能及良好的耐熱疲勞性。此外，必須具有足夠的淬透性。 　　

[化學成分]：熱作模具鋼為中碳成分，wC=0.3％～0.6％，以獲得綜合力學性能；合金元素有Cr、Mn、Ni、Mo、W、Si等，其中Cr、Mn、Ni主要作用是提高淬透性； W、Mo提高耐回火性並防止回火脆性； Cr、W、Mo、Si還提高鋼的耐熱疲勞性。 　　

[常用熱作模具鋼]：5CrMnMo和5CrNiMo是最常用的熱鍛模具鋼，其中5CrMnMo常用來制造中小型熱鍛模，5CrNiMo常用於制造大中型熱鍛模；對於受靜壓力作用的模具（如壓鑄模、擠壓模等），應選用3Cr2W8V或4Cr5W2VSi鋼。 　　

[熱處理]：熱鍛模坯料鍛造後需進行退火，以消除鍛造應力，降低硬度，利於切削加工；最終熱處理為淬火、高溫（或中溫）回火，回火後獲得均勻的回火索氏體或回火托氏體，硬度約為40HRC左右。 　　

    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。 

[性能要求]：塑料模具所受的應力和磨損較小，主要失效形式為模具表面質量下降，因此應具備以下性能：①良好的加工性能，在較高預硬硬度（28～35HRC），便於進行切削加工或電火花加工，易於蝕刻各種圖案、文字和符號；②良好的拋光性，模具拋光後表面達到高鏡面度(一般Ra值為0.1～0.012μm)；③較高的硬度（熱處理後硬度應超過45~55HRC），良好的耐磨性，足夠的強度和韌性；④熱處理變形小（保證精度）、良好的焊接性（便於進行模具焊補）等。

[常用塑料模具鋼]：由於塑料模對力學性能的要求不高，所以材料選擇有較大的機動性。常用塑料模具鋼的牌號、性能及用途見下表。表中所列鋼號大多為國產塑料模具鋼號，現階段仍有許多塑料模采用國外鋼號（如日本、美國、德國、瑞典等）或根據國外鋼號生產的改良鋼種。 

（三）量具用鋼

　　量具應具有良好的尺寸穩定性、高耐磨性、高硬度和一定的韌性。因此，量具用鋼 

慶應具有硬度高、組織穩定、耐磨性好，以及良好的研磨和加工性能、熱處理變形小、膨脹系數小和耐蝕性好。這類鋼一般屬於過共析鋼，加入的合金元素有鉻、錳、鎢、鉬等。常用的鋼類有鉻鋼、鉻鎢錳鋼、錳釩鋼等。