金屬材料及機(jī)械制造工藝項(xiàng)目二機(jī)械零件材料的選用課件

1、項(xiàng)目二 機(jī)械零件材料的選用 任務(wù)1 工業(yè)用鋼 任務(wù)2 鑄鐵 任務(wù)3 有色金屬及粉末冶金材料 任務(wù)4 非金屬材料 任務(wù)5 機(jī)械零件的失效與材料選用的一般原則 【知識(shí)目標(biāo)】1. 熟悉典型鋼鐵材料的牌號(hào)、性能及典型用途；2. 了解有色合金及其他材料的牌號(hào)、性能及典型用途；3. 掌握機(jī)械零件材料選用的一般原則?！灸芰δ繕?biāo)】1. 具備正確區(qū)分各種材料牌號(hào)、性能的能力；2. 具備根據(jù)機(jī)械零件的工作要求正確選用常用金屬材料的能力。任務(wù)1 工 業(yè) 用 鋼金屬材料來(lái)源豐富，并具有優(yōu)良的使用性能和工藝性能。金屬材料是機(jī)械工程中應(yīng)用最普遍的材料，常用來(lái)制造機(jī)械設(shè)備、工具及模具等，并廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)件中。金屬材料大

2、致可分為黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬通常指鋼和鑄鐵；有色金屬是指黑色金屬以外的其他金屬及其合金，如鋁及鋁合金、銅及銅合金等。1.1 鋼內(nèi)元素對(duì)鋼性能的影響1.1.1 鋼內(nèi)雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能的影響鋼中常存雜質(zhì)元素主要是指鋼在冶煉過(guò)程中不可避免地帶入少量的常存元素(如硅、錳、硫、磷等)和一些雜質(zhì)(非金屬雜質(zhì)物及某些氣體，如氮、氫、氧等)，它們的存在會(huì)對(duì)鋼的性能有較大的影響。一般來(lái)說(shuō)，錳和硅為有益元素，硫和磷為有害元素。1錳(Mn)錳是煉鋼時(shí)用錳鐵脫氧而殘留在鋼中的，它也經(jīng)常作為合金元素而特地加入鋼中。錳的脫氧能力較好，能大幅度減少鋼中的FeO，還能與硫化合成MnS，減輕硫的有害作用。錳大部分溶

3、入鐵素體中，具有固溶強(qiáng)化作用，使鐵素體強(qiáng)化，可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。所以，錳在鋼中是一種有益元素。在非合金鋼中，錳作為常存元素時(shí)，其含量一般規(guī)定為小于1.00%。2硅(Si)硅是煉鋼時(shí)用硅鐵脫氧而殘留在鋼中的，也可作為合金元素而特意加入鋼中。硅的脫氧能力比錳強(qiáng)，可有效清除FeO。硅在室溫下大部分溶入鐵素體，使鐵素體強(qiáng)化。作為常存元素時(shí)，其含量一般規(guī)定為小于0.50%。3硫(S)硫是在冶煉時(shí)由礦石和燃料中帶入的有害雜質(zhì)，煉鋼時(shí)難以除盡。硫在鋼中常以FeS的形式存在，F(xiàn)eS與Fe形成低熔點(diǎn)的共晶體，分布在奧氏體的晶界上，當(dāng)鋼材進(jìn)行熱加工時(shí)，共晶體過(guò)熱甚至熔化，減弱了晶粒間的聯(lián)系，使鋼材強(qiáng)度降低，韌性

4、下降，這種現(xiàn)象稱為熱脆。常加入錳來(lái)降低硫的有害作用。4磷(P)磷是在冶煉時(shí)由礦石帶入的有害雜質(zhì)，煉鋼時(shí)很難除盡。磷能溶于-Fe中，但當(dāng)鋼中有碳存在時(shí)，磷在-Fe中溶解度急劇下降。磷的偏析傾向十分嚴(yán)重，即使只有千分之幾的磷存在，也會(huì)在組織中析出脆性很大的化合物Fe3P，并且特別容易偏聚于晶界上，使鋼的脆性增加，塑性和韌性下降，冷脆轉(zhuǎn)化溫度升高，即發(fā)生冷脆。5氣體元素鋼在冶煉時(shí)還會(huì)吸收和溶解一部分氣體，如氮、氫、氧等，使鋼的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成裂紋、脆斷，所以這些氣體也是必須嚴(yán)格控制的有害元素。1合金元素對(duì)基本相的影響(1) 溶于鐵素體，具有固溶強(qiáng)化作用。除鉛外，大多數(shù)合金元

5、素都能溶于鐵素體，形成合金鐵素體。由于合金元素與鐵的晶格類型和原子半徑不同而造成鐵素體的晶格畸變。另外，合金元素易分布于位錯(cuò)線附近，對(duì)位錯(cuò)線的移動(dòng)起牽制作用，降低位錯(cuò)的易動(dòng)性，從而提高變抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使鐵素體的強(qiáng)度和硬度提高，而塑性和韌性下降。(2) 形成合金碳化物。碳化物是鋼中的重要相之一，碳化物的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對(duì)鋼的性能有很重要的影響。合金滲碳體是滲碳體中一部分鐵被碳化物形成元素置換后所得到的產(chǎn)物，其晶體結(jié)構(gòu)與滲碳體相同，但比滲碳體略穩(wěn)定，硬度也略高，可表達(dá)為(Fe，Me)3C，Me代表合金元素。當(dāng)鋼中的合金元素含量超過(guò)一定限度時(shí)，可以生成一些碳鋼中沒(méi)有的新相，其中最重

6、要的是由強(qiáng)碳化物形成元素生成的合金碳化物，例如與碳親和力強(qiáng)的釩、鈮、鋯和鈦等元素，與碳原子結(jié)合形成特殊碳化物如TiC、VC、NbC、WC等。合金碳化物比合金滲碳體的穩(wěn)定性更高，熔點(diǎn)和硬度也更高。合金碳化物加熱時(shí)很難溶于奧氏體中，回火時(shí)加熱到較高溫度才能從奧氏體中析出并聚集，長(zhǎng)大也較慢。2合金元素對(duì)金屬材料性能的影響合金元素的加入對(duì)鋼的性能有很大的影響，主要表現(xiàn)在：(1) 細(xì)化組織，提高機(jī)械性能。由于幾乎所有的合金元素(除錳以外)都能減緩鋼的奧氏體化過(guò)程、阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，因此與相應(yīng)的碳鋼相比，在同樣的加熱條件下，合金鋼的組織較細(xì)，機(jī)械性能更高。(2) 提高淬透性，減小零件的淬火變形和開裂傾

7、向。對(duì)于大多數(shù)合金元素(除鈷以外)，當(dāng)它們?nèi)芙庥趭W氏體中以后，都能提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線位置右移，臨界冷卻速度減小，從而提高鋼的淬透性。因此，對(duì)于合金鋼就可以采用冷卻能力較低的淬火介質(zhì)淬火，如采用油淬，以減小零件的淬火變形和開裂傾向。1.2.2 鋼的編號(hào)世界各國(guó)都根據(jù)國(guó)情制定了科學(xué)而簡(jiǎn)明的鋼鐵分類表示方法，通常采用“牌號(hào)”和“統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)”的方法來(lái)具體表示鋼的品種。1鋼的牌號(hào)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2212000鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法的規(guī)定，我國(guó)鋼的牌號(hào)一般采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法來(lái)表示。通過(guò)牌號(hào)能大致了解鋼的類別、成分、冶金質(zhì)量、性能特點(diǎn)、熱處理要求和用途

8、等。采用漢語(yǔ)拼音字母表示鋼的名稱、用途、特性和工藝方法時(shí)，一般選取代表性名稱的漢字的漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母。采用漢語(yǔ)拼音字母表示時(shí)，原則上只取一個(gè)，一般不超過(guò)兩個(gè)漢語(yǔ)拼音。我國(guó)各類鋼的編號(hào)方法如表2-1所示。表2-1 各類鋼的編號(hào)方法 統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)的結(jié)構(gòu)形式中，左邊第一位為大寫拉丁字母，代表不同的鋼鐵及合金類型。例如，合金結(jié)構(gòu)鋼用字母“A”，軸承鋼用字母“B”，鑄鐵、鑄鋼及鑄造合金用字母“C”，低合金鋼用字母“L”，工具鋼用字母“U”，等等。統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)的結(jié)構(gòu)形式中第一位阿拉伯?dāng)?shù)字代表各類型鋼鐵及合金細(xì)分類，第二、三、四、五位阿拉伯?dāng)?shù)字代表不同分類的編組和統(tǒng)一編組內(nèi)的不同牌號(hào)的區(qū)別順序號(hào)。1.3

9、 結(jié) 構(gòu) 鋼結(jié)構(gòu)鋼按用途可分為工程用鋼和機(jī)器用鋼兩大類。工程用鋼主要用于各種工程結(jié)構(gòu)，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，這類鋼冶煉簡(jiǎn)便、成本低、用量大，一般不進(jìn)行熱處理；而機(jī)器用鋼大多采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，它們一般都要經(jīng)過(guò)熱處理以后才可使用。1.3.1 一般工程結(jié)構(gòu)鋼1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼含碳量低(0.06%0.38%)，硫、磷含量較高。大部分用于工程結(jié)構(gòu)，小部分用于機(jī)械零件。這類鋼通常在熱軋、空冷狀態(tài)下使用，其塑性高，可焊性好，使用狀態(tài)下的組織為鐵素體加珠光體。碳素結(jié)構(gòu)鋼常以熱軋板、帶、棒及型鋼使用，用量約占鋼材總量的70%，適合于鍛造、焊接、鉚接、栓接等。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌

10、號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途見(jiàn)表2-2和表2-3。較常用的牌號(hào)是Q235。表2-2 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能 (摘自GB/T 7002006) 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼一般不再進(jìn)行熱處理，只需保證力學(xué)性能及工藝性能即可。對(duì)于某些小型零件，也可進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)、滲碳等熱處理工藝，以提高其使用性能。表2-3 碳素結(jié)構(gòu)鋼的性能特點(diǎn)及用途 2. 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在低碳鋼的基礎(chǔ)上，加入少量合金元素發(fā)展起來(lái)的。其含碳量一般小于0.2%，主加合金元素為Mn，也加入少量的V、Ti、Nb等元素。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的性能特點(diǎn)是：強(qiáng)度顯著高于相同含碳量的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度在300 M

11、Pa以上，從而可降低結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材；具有足夠的塑性、韌性；具有良好的焊接性能和冷成型性能；具有良好的耐蝕性和低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。這類鋼大多在熱軋狀態(tài)下使用，不需要進(jìn)行專門的熱處理。有時(shí)考慮到零件加工特點(diǎn)，也可在正火及淬火加回火狀態(tài)下使用。這類鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表2-4。表2-4 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能(摘自GB/T 15912008)常用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)有Q345、Q390、Q420、Q500、Q550、Q620、Q690等，其中Q345(16Mn)鋼是應(yīng)用最廣、用量最大的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其綜合性能好。例如，我國(guó)南京長(zhǎng)江大橋、內(nèi)燃機(jī)車車體、萬(wàn)噸巨

12、輪及壓力容器、載重汽車大梁等都采用Q345鋼制造。1.3.2 優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼1優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于0.035%，力學(xué)性能優(yōu)于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，廣泛用于制造較重要的機(jī)械零件。較典型的牌號(hào)是45鋼。較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可制作尺寸稍大或強(qiáng)度要求略高的零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表2-5。 表2-5 常用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及正火后的力學(xué)性能(摘自GB/T 6991999)08F、10F、15F鋼的含碳量低，塑性好，焊接性能好。其中，08F、10F屬沸騰鋼，成本低，塑性好，主要用于制造沖壓件和焊接件，如殼、蓋、罩等；15F主要用于制造鈑

13、金件。15、20、25鋼屬于滲碳鋼。其強(qiáng)度低，但塑性和韌性較高，冷沖壓性與焊接性能良好，常用于受力不大，而韌性、塑性要求較高的零件，如焊接容器、螺釘、桿件、軸套、墊圈、螺母等，還可用作沖壓件及焊接件。這類鋼如果經(jīng)滲碳、淬火+低溫回火后，表面硬度可達(dá)60 HRC以上，耐磨性好，而心部具有一定的強(qiáng)度和韌性，可用來(lái)制作軸、銷等零件。30、35、40、45、50、55鋼屬中碳鋼，可用作調(diào)質(zhì)鋼，多用于正火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，具有良好的綜合力學(xué)性能，主要用于要求強(qiáng)度、塑性和韌性都較高的機(jī)械零件，如齒輪、連桿及軸類零件。這類鋼在機(jī)械制造中應(yīng)用最廣泛，其中以45鋼應(yīng)用最廣泛。60、65、75、60Mn、65Mn、7

14、0Mn鋼屬于彈簧鋼，具有較高的強(qiáng)度、硬度、彈性和耐磨性，經(jīng)淬火+中溫回火后可獲得高的規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力，主要用于制造彈簧等彈性零件及耐磨零件如農(nóng)機(jī)耐磨件、鋼軌、鋼絲繩等。其中65鋼是最常用的彈簧鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼含有較少的有害雜質(zhì)，使用前一般要經(jīng)過(guò)熱處理以提高力學(xué)性能。2碳素鑄鋼在生產(chǎn)中，有些機(jī)械零件，例如水壓機(jī)橫梁、軋鋼機(jī)機(jī)架、重載大齒輪等，因受力復(fù)雜，形狀也復(fù)雜，難以用鍛壓方法成型，若采用鑄鐵鑄造則不能滿足力學(xué)性能要求，因此常采用鑄鋼來(lái)生產(chǎn)。碳素鑄鋼中含碳量為0.15%0.60%碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高則塑性差，易產(chǎn)生裂紋。一般工程用鑄鋼件的牌號(hào)、化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表2-6。(1) ZG2004

15、00：具有良好的塑性、韌性和焊接性能，常用于受力不大，要求韌性好的各種機(jī)械零件，如機(jī)殼、變速箱等。表2-6 碳素鑄鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及力學(xué)性能(摘自GB 56761985) (2) ZG230450：具有一定的強(qiáng)度和較好的塑性、韌性，焊接性能良好，切削加工性尚好，常用于受力不大，要求韌性較好的各種機(jī)械零件，如砧座、外殼、軸承蓋、底板、閥體等。(3) ZG270500：有較高的強(qiáng)度和較好的塑性，鑄造性能良好，焊接性能尚好，切削加工性能好，常用于軋鋼機(jī)機(jī)架、軸承蓋、連桿、箱體、曲軸、缸體、飛輪、蒸汽錘等。(4) ZG310570：強(qiáng)度和切削加工性能良好，塑性和韌性較低，常用于制作承受載荷較高的各種

16、機(jī)械零件，如大齒輪、缸體、制動(dòng)輪、輥?zhàn)拥取?5) ZG340640：具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，切削加工性中等，焊接性能較差，流動(dòng)性好，裂紋敏感性較大，常用于起重運(yùn)輸機(jī)的齒輪、聯(lián)軸器等。3合金結(jié)構(gòu)鋼1) 滲碳鋼滲碳鋼是經(jīng)滲碳后使用的鋼種，主要用于制造要求高耐磨性、承受高接觸應(yīng)力和沖擊載荷的重要零件，如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪，內(nèi)燃機(jī)凸輪軸、活塞銷等。常用滲碳鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、熱處理及力學(xué)性能見(jiàn)表2-7。滲碳鋼的使用性能要求為表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足夠的韌性和強(qiáng)度并具有良好的熱處理工藝性能，如高的淬透性和滲碳能力等。為保證滲碳件心部有足夠的塑性和韌性，滲碳鋼的含碳量一般為0.1%0.

17、25%，合金元素以Cr、Mn、Ni、B等為主加元素，輔加元素為W、Mo、V、Ti等。滲碳件一般的工藝路線為：下料鍛造正火機(jī)加工滲碳淬火+低溫回火磨削。根據(jù)淬透性不同，可將滲碳鋼分為以下三類：(1) 低淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20、20Cr等，其淬透性和心部強(qiáng)度均較低，水中淬火臨界直徑不超過(guò)20 mm35 mm，只適用于制造受沖擊載荷較小的耐磨件，如小軸、小齒輪、活塞銷等。(2) 中淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20CrMnTi等，其淬透性較高，力學(xué)性能和工藝性能良好，大量用于制造承受高速中載、抗沖擊和耐磨損的零件，如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪、離合器軸等。(3) 高淬透性滲碳鋼：典型鋼種如18Cr2Ni

18、4WA等，具有良好的韌性，主要用于制造大截面、高載荷的重要耐磨件，如飛機(jī)、坦克的曲軸和齒輪等。2) 調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼是指調(diào)質(zhì)處理后使用的鋼種，主要用于制造受力復(fù)雜的汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床及其他機(jī)器的各種重要零件，如齒輪、連桿、螺栓、軸類件等。常用調(diào)質(zhì)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、熱處理及力學(xué)性能見(jiàn)表2-8。調(diào)質(zhì)鋼一般具有良好的綜合力學(xué)性能，即具有高的強(qiáng)度、硬度和良好的塑性、韌性，并具有良好的淬透性。調(diào)質(zhì)鋼含碳量為0.25%0.50%。合金元素以Mn、Si、Cr、Ni、B為主加元素，輔加元素為W、Mo、V等。調(diào)質(zhì)件一般的工藝路線為：下料鍛造退火粗機(jī)加工調(diào)質(zhì)(半精加工表面淬火+低溫回火)精加工。根據(jù)淬透性不同，可將

19、調(diào)質(zhì)鋼分為以下三類：(1) 低淬透性調(diào)質(zhì)鋼：這類鋼的油中淬火臨界直徑為30 mm40 mm，常用鋼種為45、40Cr等，常用于制造尺寸較小的齒輪、軸、螺栓等。(2) 中淬透性調(diào)質(zhì)鋼：這類鋼的油中淬火臨界直徑為40 mm60 mm，常用鋼種為40CrNi，常用于制造截面較大的零件，如曲軸、連桿等。(3) 高淬透性調(diào)質(zhì)鋼：這類鋼的油中淬火臨界直徑為60 mm大多含有Ni、Cr等元素，為了防止回火脆性，鋼中還加入Mo元素。常用鋼種為40CrNiMo，常用于制造大截面、重載荷的零件，如汽輪機(jī)主軸、葉輪、航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸等。3) 彈簧鋼彈簧鋼主要用于制造各種彈簧或類似性能的結(jié)構(gòu)件。常用彈簧鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分

20、、熱處理、力學(xué)性能及用途見(jiàn)表2-9。彈簧是利用彈性變形來(lái)儲(chǔ)存能量或緩和振動(dòng)和沖擊的零件。因此，要求彈簧鋼具有高的彈性極限和高的屈強(qiáng)比，以保證承受大的彈性變形和較高的載荷；具有高的疲勞強(qiáng)度，以承受交變載荷的作用；具有足夠的塑性和韌性。通常情況下，碳素彈簧鋼的含碳量為0.6%0.9%，合金彈簧鋼的含碳量為0.45%0.7%。合金元素以Si、Mn為主加元素，輔加元素為Cr、V、W等。對(duì)于鋼絲直徑小于10 mm的彈簧的加工，通過(guò)冷拔(或冷拉)和冷卷成型。冷卷后的彈簧不必進(jìn)行淬火處理，只需進(jìn)行一次消除內(nèi)應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸的定型處理。鋼絲的直徑越小，則強(qiáng)化效果越好，強(qiáng)度越高，強(qiáng)度極限可達(dá)1600 MPa以上，

21、而且表面質(zhì)量很好。對(duì)于熱成型的彈簧，通常是在加熱壓彎成型后進(jìn)行淬火加中溫回火(350500)處理，其硬度可達(dá)40 HRC45 HRC，從而在保證得到高的屈服強(qiáng)度的條件下又具有足夠的韌性。彈簧的表面質(zhì)量對(duì)其使用壽命影響很大，通常采用噴丸處理進(jìn)行表面強(qiáng)化以便提高彈簧鋼的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。彈簧鋼的典型鋼種有：(1) Si、Mn彈簧鋼：代表性鋼種為65Mn、60Si2Mn，這類鋼的價(jià)格較低，性能高于碳素彈簧鋼，主要用于制造較大截面的彈簧，如汽車、拖拉機(jī)的板簧、螺旋彈簧等。(2) Cr、V彈簧鋼：典型鋼種為50CrVA，這類鋼的淬透性高，主要用于制造大截面、大載荷、耐熱的彈簧，如閥門彈簧、高速柴油機(jī)的

22、氣門彈簧等。4) 滾動(dòng)軸承鋼滾動(dòng)軸承鋼是用于制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和軸承套的專用鋼種，分為高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼和高溫軸承鋼四類。這里只介紹高碳鉻軸承鋼。由于高碳鉻軸承鋼屬于高碳鋼，因此也可用于制造精密量具、冷沖模和機(jī)床絲杠等耐磨零件。根據(jù)滾動(dòng)軸承的使用條件，軸承鋼需要具有高而均勻的硬度(61 HRC65 HRC)和高的耐磨性、高的接觸疲勞強(qiáng)度和彈性極限，并具有足夠的韌性、淬透性和耐蝕性。滾動(dòng)軸承的含碳量一般為0.95%1.10%，合金元素以Cr為主加元素，輔加元素為Si、Mn、Mo、V等。高碳鉻軸承鋼的預(yù)備熱處理為球化退火，最終熱處理為淬火和低溫回火。為了減少殘余奧氏體量，穩(wěn)定尺

23、寸，可在淬火后在(-60-80進(jìn)行冷處理)，并在磨削加工后在120左右進(jìn)行低溫(120左右)時(shí)效處理。高碳鉻軸承鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及退火硬度見(jiàn)表2-10，其中應(yīng)用最廣的是GCr15鋼，大量用于制造大中型軸承，此外，還常用來(lái)制造冷沖模、量具、絲錐等。制造大型軸承也可用GCr15SiMn。表2-10 高碳鉻軸承鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及退火硬度(摘自GB/T 182542002) 1.4工具鋼工具鋼是用來(lái)制造各種工具的鋼種。為了滿足工具高硬度和耐磨性的使用要求，工具鋼含碳量均較高，一般經(jīng)過(guò)淬火和低溫回火后使用。碳素工具鋼雖然能達(dá)到較高的硬度和耐磨性，但其淬透性差，淬火變形傾向大，并且韌性和紅硬性差(只能

24、在200以下保持高硬度)。因此，尺寸大、精度高、承受沖擊載荷和較高工作溫度的工具都要采用合金工具鋼制造。工具鋼按用途可分為三類：刃具鋼、模具鋼和量具鋼。實(shí)際上，各類工具鋼并無(wú)嚴(yán)格的使用界限，可以交叉使用。1.4.1刃具鋼刃具鋼主要用于制造各種金屬切削刀具，如車刀、銑刀、刨刀及鉆頭等。1性能要求刃具鋼根據(jù)其工作條件，其性能要求如下：(1) 高硬度和高耐磨性。刃具硬度必須大于被切材料硬度，一般要求大于60 HRC。耐磨性不僅取決于硬度，同時(shí)還與鋼中硬質(zhì)相的性質(zhì)、數(shù)量、大小和分布有關(guān)。(2) 高熱硬性或紅硬性。熱硬性是指鋼在高溫下保持高硬度的能力。要求高的熱硬性是為了防止刀具在高速切削時(shí)因摩擦升溫而

25、軟化。(3) 足夠的韌性。這樣可避免刃具在受沖擊振動(dòng)時(shí)發(fā)生崩刃或脆斷。2常用刃具鋼1) 碳素工具鋼碳素工具鋼為高碳鋼，其含碳量為0.65%1.35%，隨含碳量提高，鋼中碳化物量增加，鋼的耐磨性提高，但韌性下降。根據(jù)鋼中磷、硫的含量，碳素工具鋼分為優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。碳素工具鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表2-11。表2-11 碳素工具鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及力學(xué)性能(摘自GB/T 12982008) 碳素工具鋼的預(yù)備熱處理一般為球化退火，其目的是降低硬度(217 HB)，便于切削加工，并為淬火做組織準(zhǔn)備。最終熱處理為淬火+低溫回火，硬度可達(dá)62 HRC65 HRC。碳素工具鋼的優(yōu)點(diǎn)是成本低，耐磨性

26、和加工性較好，在手用工具和機(jī)用低速工具上得到了廣泛應(yīng)用；缺點(diǎn)是熱硬性差(切削溫度低于200)，淬透性低，只適于制作尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的低速刃具。日常生產(chǎn)中，T7、T8鋼能制作承受沖擊、韌性較好、硬度適當(dāng)?shù)墓ぞ?，例如扁鏟、沖頭、手鉗、大錘、改錐、木工工具、壓縮空氣錘等；T8Mn的使用范圍同T7、T8鋼，但由于其淬透性較大，可制作截面較大的工具；T9鋼可制作韌性中等、硬度高的工具，如沖頭、木工工具、鑿巖工具等；T10、T11鋼可制作不受劇烈沖擊、高硬度耐磨的工具，如車刀、刨刀、絲錐、手鋸條等；T12、T13鋼可制作不受沖擊、要求高硬度和高耐磨性的工具，如銼刀、刮刀、精車刀、絲錐、量具等。2) 低合

27、金工具鋼低合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素(總量小于5%)形成的，其在保持高的含碳量(0.75%1.50%)的同時(shí)，加入了Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性，Si還有提高耐回火性的作用；W、V的作用是提高耐磨性，并細(xì)化晶粒。低合金工具鋼的熱處理特點(diǎn)基本與碳素工具鋼相同。采用球化退火作為預(yù)備熱處理，最終熱處理為淬火加低溫回火。與碳素工具鋼不同的是，由于加入了合金元素，鋼的淬透性提高了，可在油中淬火，淬火后的硬度與碳素工具鋼處于同一范圍，但淬火變形、開裂傾向小。切削溫度可達(dá)250，仍屬于低速切削刃具鋼。低合金工具鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及熱處理見(jiàn)表

28、2-12。其典型鋼種是9SiCr，由于加入Si、Cr而提高了淬透性。另外，由于Si等還能提高耐回火性，使鋼在250300下仍保持60 HRC以上的硬度。低合金工具鋼廣泛用于制造形狀復(fù)雜、要求變形小的低速切削刃具，如絲錐、板牙等，也常用做冷沖模、量具等。表2-12 低合金工具鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及熱處理(摘自GB/T 12992000) 3) 高速工具鋼高速工具鋼又稱高速鋼，是制造高速切削刀具用鋼。其主要性能特點(diǎn)是熱硬性高，當(dāng)切削溫度達(dá)到600時(shí)，硬度仍能保持在55 HRC60 HRC以上。高速鋼的淬透性高，空冷即可淬火，俗稱“風(fēng)鋼”。高速鋼的含碳量為0.70%1.6%，合金元素以Cr、W、Mo、

29、V為主加元素，各高速鋼的Cr含量大多在4%左右。高速鋼的加工工藝路線為：下料鍛造球化退火機(jī)加工淬火+回火噴砂磨削加工。對(duì)于高速鋼而言，鍛造具有成型和改善組織的雙重作用。球化退火的目的是降低硬度，便于切削加工，并為淬火做組織準(zhǔn)備。高速鋼的淬火溫度高達(dá)l280，通常在550570進(jìn)行三次回火。高速鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及熱處理見(jiàn)表2-13。其中最常用的鋼種為鎢系的W18Cr4V和鎢鉬系的W6Mo5Cr4V2。這兩種鋼的組織性能相似，但前者的熱硬性較好，后者的耐磨性、熱塑性和韌性較好。高速鋼主要用來(lái)制造高速切削刃具，如車刀、刨刀、銑刀、鉆頭等。1.4.2 模具鋼模具鋼是用以制造各種模具的鋼種，分為冷作模

30、具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼。1冷作模具鋼冷作模具鋼是在冷態(tài)下使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的模具，如沖裁模、彎曲模、拉深模、拉絲模等，這類模具的工作溫度不超過(guò)200300。只要能夠滿足使用要求，冷作模具鋼可以使用碳素工具鋼、滾動(dòng)軸承鋼、合金工具鋼、高速工具鋼等。常用合金冷作模具鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及熱處理見(jiàn)表2-14。根據(jù)冷作模具鋼的工作條件，對(duì)其性能要求是：高的硬度和耐磨性、較高的強(qiáng)度和韌性、較好的抗疲勞性和抗咬合性及良好的工藝性。冷作模具鋼一般要求含碳量不小于0.9%，以保證有足夠的合金碳化物。主要加入的合金元素有Mn、Cr、W、Mo、V等。Mn、Cr等合金元素主要提高淬透性和強(qiáng)度。W、Mo、V等

31、元素與碳形成難熔的合金碳化物，可提高鋼的耐磨性、回火穩(wěn)定性并能細(xì)化晶粒，Mo還能改善鋼的韌性。冷作模具鋼的最終熱處理一般為淬火+低溫回火。一般沖孔落料模，因其工作條件繁重，對(duì)凸模和凹模均要求較高的硬度(58 HRC62 HRC)和高的耐磨性以及足夠的強(qiáng)度和韌性，并要求淬火變形小。根據(jù)上述性能要求，合金刃具鋼通常可用于冷作模具。常用的冷作模具鋼根據(jù)工作用途分類如下：1) 低淬透性冷作模具鋼低淬透性冷作模具鋼中，使用最多的是碳素工具鋼和GCr15軸承鋼等。這類鋼常用于輕載、小型、形狀簡(jiǎn)單、生產(chǎn)批量不大的冷作模具，如T8A、T10A、T12A、GCr15、8MnSi、Cr2、9Cr2、Cr06、W等

32、。2) 低變形冷作模具鋼低變形冷作模具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素而發(fā)展起來(lái)的。通常加入的合金元素有Cr、Mn、Si、W、V等，其主要作用是提高淬透性，減小淬火變形開裂傾向，形成特殊碳化物，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性。因此這類模具鋼的強(qiáng)韌性、耐磨性、熱硬性都比碳素工具鋼高，使用壽命也較碳素工具鋼長(zhǎng)。常用鋼種為CrWMn、9Mn2V、9CrWMn、9Mn2、MnCrWV、SiMnMo等，其中CrWMn、9Mn2V最為常用。3) 高耐磨微變形冷作模具鋼高耐磨微變形冷作模具鋼一般是高碳高鉻鋼，是一種高合金冷作模具鋼，應(yīng)用量最多、最廣泛。這類鋼自20世紀(jì)70年代開始用于冷作模具，現(xiàn)已成為重載

33、沖頭的基本材料。其代表牌號(hào)有Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr12W、Cr12V、Cr4W2MoV、Cr5Mo1V、Cr6WV、LD(7Cr7Mo2V2Si)、ER5(Cr8MoWV3Si)和GM(9Cr6W3Mo2V2)等。這類鋼熱處理后變形小、耐磨性高、承載力大，經(jīng)常用于制造在高耐磨、微變形、高負(fù)荷條件下工作的冷加工用模具，但該類鋼韌性較差，易出現(xiàn)崩刃、脆裂現(xiàn)象。4) 高強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼傳統(tǒng)的高速鋼(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2)即是此類鋼的典型鋼種。高速鋼具有很高的硬度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性，采用低溫淬火、快速加熱淬火等工藝措施可以有效地改善其韌性，因此越來(lái)越多地

34、用于制造要求重載荷、高使用壽命的冷作模具。這類鋼的常用牌號(hào)有W18Cr4V(W18)、W6Mo5Cr4V2(M2)、W12Mo3Cr4V3N(V3N)、W9Mo3Cr4V(W9)以及為提高韌性而研制的降碳降釩高速鋼6W6Mo5Cr4V(6W6)，這些高速鋼在制造重載荷的冷作模具方面獲得了良好的使用效果。高速鋼主要用于重載沖頭，如冷擠壓沖頭、冷鐓沖頭和中厚鋼板沖孔沖頭。5) 抗沖擊冷作模具鋼這類鋼成分接近合金調(diào)質(zhì)鋼，常用牌號(hào)有4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si、6CrMnSi2Mo1、5Cr3Mn1SiMo1V、9CrSi、60Si2Mn、5CrMnMo、5CrNiMo、5SiMnM

35、oV，主要合金元素是Mn、Si、Cr、W、Mo。由于成分相近，故此類鋼具有一些共同特點(diǎn)，如碳化物少、組織均勻、淬火組織以板條狀馬氏體為主，具有高抗彎強(qiáng)度、高沖擊疲勞抗力、高韌性和良好的耐磨性。但也有抗壓強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性差和淬火變形難以控制等缺陷。6) 高強(qiáng)韌性冷作模具鋼隨著低合金鋼、不銹鋼和軸承鋼冷擠壓技術(shù)的發(fā)展，對(duì)冷作模具鋼提出了不僅要有高硬度、高耐磨性，而且還要有高韌性的要求。顯然，上述各類模具鋼不能滿足這些要求。鉻鎢硅系鋼的耐磨性不夠，而高鉻、中鉻鋼以及高速鋼中碳化物的數(shù)量多，韌性不足。為了滿足冷擠壓工藝發(fā)展的需要，目前已研制出多種高強(qiáng)韌性模具鋼，如降碳高速鋼、基體鋼、低合金高強(qiáng)度鋼和馬

36、氏體時(shí)效鋼等。典型鋼種為6W6Mo5Cr4V、6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、7Cr7Mo2V2Si(LD)、7CrSiMnMoV(CH-1)、6CrNiSiMnMoV(GD)、8Cr2MnWMoVS等。7) 高耐磨高強(qiáng)韌性冷作模具鋼高強(qiáng)韌性鋼雖然克服了高鉻鋼、高速鋼的脆斷傾向，但是由于含碳量的減少，其耐磨性不如高鉻鋼、高速鋼。因此專門研制了高耐磨、高強(qiáng)韌性冷作模具鋼，常用鋼種為9Cr6W3Mo2V2(GM)、Cr8MoWV3Si(ER5)。8) 特殊用途冷作模具鋼這類鋼主要有兩類：一類為典型的耐蝕冷作模具鋼，常用的鋼種有9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4；另一類為

37、無(wú)磁模具鋼，如1Cr18Ni9Ti、5Cr21Mn9N14W、7Mn15Cr2Al3V2WMo。2熱作模具鋼熱作模具鋼是用來(lái)制造對(duì)金屬進(jìn)行熱變形加工的模具，如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。根據(jù)熱作模具鋼的使用條件，對(duì)其性能要求是：較高的高溫強(qiáng)度和良好的韌性、耐磨性、耐熱疲勞性、導(dǎo)熱性、成型加工工藝及高淬透性、熱穩(wěn)定性等。熱作模具鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%0.6%，主要加入的合金元素有Cr、Ni、Mn、W、Mo和V。熱作模具鋼的加工工藝要求毛坯要反復(fù)鍛造，使碳化物均勻分布。鍛造后要退火以消除鍛造應(yīng)力、降低硬度，便于切削加工。最終熱處理一般為淬火+高溫(中溫)回火，得到回火索氏體，以獲得良好的綜合力學(xué)

38、性能，來(lái)滿足使用要求。根據(jù)用途、工作溫度、性能和合金元素可對(duì)通用熱作模具鋼分類如下：(1) 按用途分：熱鍛模用鋼、熱擠壓模用鋼、壓鑄模用鋼和熱沖裁模用鋼。(2) 按耐熱性分：低耐熱鋼(350370)、中耐熱鋼(550600)和高耐熱鋼。(3) 按特有性能分：高韌性熱作模具鋼、高熱強(qiáng)熱作模具鋼和高耐磨熱作模具鋼。(4) 按合金元素分：鎢系熱模鋼、鉻系熱模鋼鉻鉬系熱模鋼和鉻鎢鉬系熱模鋼。常用合金熱作模具鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分及熱處理見(jiàn)表2-15。下面我們按照用途來(lái)分別介紹。1) 熱鍛模用鋼(高韌性、低合金)熱鍛模是在高溫下通過(guò)沖擊力或壓力使熾熱的金屬坯料成型的模具，包括錘鍛模、壓力機(jī)鍛模、熱鐓模、精鍛

39、模和高速鍛模等，其中錘鍛模最有代表性。熱鍛模用鋼主要用于各種尺寸的錘鍛模、平鍛機(jī)鍛模、大型壓力機(jī)鍛模等。熱鍛模要求具有較高的高溫強(qiáng)度和韌性、良好的耐磨性和耐熱疲勞性，由于錘鍛模尺寸比較大，還要求錘鍛模用鋼具有高的淬透性。常用的熱鍛模用鋼主要有5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV等，此外還有國(guó)內(nèi)近年來(lái)研制的新鋼種，如4SiMnMoV、5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi等。其中45Cr2NiMoVSi鋼是應(yīng)用比較成熟的高強(qiáng)韌大截面錘鍛模具鋼。2) 熱擠壓模用鋼(高熱強(qiáng)熱、中合金)熱擠壓模的工作條件相當(dāng)繁重，既要承受壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，脫模時(shí)也要承受一定的拉應(yīng)力，另外還

40、要受到?jīng)_擊負(fù)荷的作用。對(duì)于這類模具特別要求具有高的熱穩(wěn)定性、較高的高溫強(qiáng)度和足夠的韌性、良好的耐熱疲勞性和高的耐磨性。常用的熱擠壓模具用鋼是鎢系熱作模具鋼和鉻系熱作模具鋼，還有鉻鉬系、鎢鉬系和鉻鉬鎢系等新型的熱作模具鋼以及基體鋼等。鎢系熱作模具鋼的代表性鋼種為傳統(tǒng)的3Cr2W8V鋼，由于其耐熱疲勞性較差，在熱擠壓模方面的應(yīng)用逐漸減少，但在壓鑄模方面的應(yīng)用較多。鉻系熱作模具鋼的代表性鋼種有4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5W2VSi (HM1)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3Mo3SiV(H10)等。3) 壓鑄模用鋼(高熱強(qiáng)熱、中合金)壓鑄模用鋼用于

41、制造壓力鑄造和擠壓鑄造模具。壓鑄模工作時(shí)與高溫的液態(tài)金屬接觸，對(duì)壓鑄模的性能要求是：較高的耐熱性和良好的高溫力學(xué)性能、優(yōu)良的耐熱疲勞性、高的導(dǎo)熱性、良好的抗氧化性和耐蝕性、高的淬透性等。常用的壓鑄模用鋼以鎢系、鉻系、鉻鉬系和鉻鎢鉬系熱作模具鋼為主，也有一些其他合金工具鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，用于工作溫度較低的壓鑄模，如4CrSi、4CrW2Si、5CrW2Si、5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl、4Cr5W2VSi、3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V等。其中3Cr2W8V鋼是制造壓鑄模的典型鋼種，常用于制造澆鑄鋁合金和銅合金的壓鑄模；與其性能和用途相類似的還有3

42、Cr3Mo3W2V鋼。4) 熱沖裁模用鋼(高耐磨、低合金高碳)在熱作模具中熱沖裁模的工作溫度較低，因此對(duì)材料的性能要求也相對(duì)放寬。除了應(yīng)具有高的耐磨性、良好的強(qiáng)韌性以及加工工藝性能外，幾乎所有的熱作模具鋼都能滿足熱沖裁模的工作條件要求。所以在選材時(shí)，可著重考慮材料的經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)管理上的方便，推薦使用的鋼種有5CrNiMo、4Cr5MoSiV、4CrSMoSiV1、8Cr3等。3塑料模具鋼塑料制品的成型方法主要有壓塑、擠塑、注射、擠出、發(fā)泡和吹塑六種。用于上述塑料成型的模具稱為塑料模具。根據(jù)塑料模具鋼的使用條件，對(duì)其性能要求是：足夠的強(qiáng)度和硬度、良好的耐磨性和耐腐蝕性、足夠的韌性、較好的耐熱性能

43、和尺寸穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱性和工藝性能。塑料模具按生產(chǎn)方式可分為注射成型模、擠出成型模、熱壓成型模等。根據(jù)塑料模具的類型及對(duì)成型塑料制品的尺寸、精度、質(zhì)量、數(shù)量的要求，并考慮已有的模具生產(chǎn)條件，可以選用不同類型的塑料模具鋼。 近年來(lái)，國(guó)外已經(jīng)形成一個(gè)專用的塑料模具鋼系列，國(guó)內(nèi)也正向這個(gè)方向發(fā)展，初步形成了我國(guó)塑料模具用鋼體系。目前已納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的塑料模具鋼有3Cr2Mo和3Cr2MnNiMo兩種(見(jiàn)表2-15)，納入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的已有20多種，已在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的有多種新型塑料模具鋼(牌號(hào)前加了“SM”，見(jiàn)表2-16)，它們與原鋼種相比，基本力學(xué)性能和熱處理工藝差別不大，但是這些塑料模具鋼的雜質(zhì)含量

44、低，純凈度高，性能穩(wěn)定性好，能更好地滿足塑料模具的特殊要求。我國(guó)目前用于塑料模具的鋼種可按照鋼材特性和使用時(shí)的熱處理狀態(tài)分類，常用塑料模具用鋼如下。1) 碳素型塑料模具鋼生產(chǎn)中通常利用含碳量為0.5%0.6%的碳素鋼作為碳素塑料模具鋼，對(duì)于生產(chǎn)批量不大、沒(méi)有特殊要求的小型塑料模具，采用價(jià)格便宜、來(lái)源方便、加工性能好的碳素鋼制造。為了保證塑料模具具有較低的表面粗糙度值，對(duì)碳素鋼的冶金質(zhì)量提出了一些特殊要求，如鋼材的有害雜質(zhì)含量、低倍組織等，從而生產(chǎn)出碳素型塑料模具鋼。這類鋼一般適用于普通熱塑性塑料成型模具。常用鋼種有SM45、SM48、SM50、SM53、SM55以及普通碳素鋼45、50、55、

45、T8、T10等。2) 滲碳型塑料模具鋼滲碳型塑料模具鋼主要用于冷擠壓成型塑料模具，一般要求具有較低的含碳量，同時(shí)在鋼中加入Cr、Ni等合金元素，并要求Si的含量應(yīng)盡量低。為了提高模具的耐磨性，這類鋼在冷擠壓成型后一般需進(jìn)行滲碳和淬火、回火處理，使模具有一定的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，表面硬度可以達(dá)到58 HRC62 HRC，而心部仍有較好的韌性。由于模具為冷擠壓成型，無(wú)須再進(jìn)行切削加工，故模具制造周期短，便于批量加工，而且精度高。滲碳型塑料模具鋼在國(guó)外有專用鋼種，如美國(guó)的P1、P2、N、P6鋼，日本的CH1、CH2、CH41鋼和瑞典的8416鋼等。國(guó)內(nèi)常用的鋼種有20、20Cr、20CrMnTi、S

46、M1CrNi3(12CrNi3A)、20Cr2Ni4A、2CrNi3MoAlS、0Cr4NiMoV(LJ)等。3) 淬硬型塑料模具鋼對(duì)于負(fù)荷較大的熱固性塑料模具和注射模具除了型腔表面應(yīng)有高耐磨性之外，還要求模具基體具有較高強(qiáng)度、硬度和韌性，以避免或減少模具在使用中產(chǎn)生塌陷、變形和開裂現(xiàn)象。這類模具可選用淬硬型塑料模具鋼來(lái)制造。專門的塑料模具鋼有SMCr12Mo1V1、SM4Cr5MoSiV和SM4Cr5MoSiV1，由于是經(jīng)過(guò)精煉加工而成的，因此雜質(zhì)含量低、韌性和等向性好，并能夠滿足塑料模具對(duì)拋光性和蝕刻性能的要求。常用的淬硬型塑料模具鋼還有碳素工具鋼(如T7A、T8A、T10A)、低合金冷作

47、模具鋼(如9SiCr、9CrWMn、GCr15、7CrSiMnMoV等)、Cr12型鋼(如Cr12MoV)、高速鋼(如W6M05Cr4V2)、基體鋼和某些熱作模具鋼等。這些鋼的最終熱處理一般是淬火和低溫回火(少數(shù)采用中溫回火或高溫回火)，熱處理后的硬度通常在45 HRC以上。其中，碳素工具鋼僅適于制造尺寸不大、受力較小、形狀簡(jiǎn)單以及變形要求不高的塑料模。4) 預(yù)硬型塑料模具鋼有些塑料模具鋼在加工成型后進(jìn)行熱處理時(shí)變形較大，無(wú)法保證模具的精度，因此模具鋼以預(yù)硬化鋼的形式供應(yīng)市場(chǎng)，這樣易于制造高精密的塑料模具且降低生產(chǎn)成本。所謂預(yù)硬型塑料模具鋼就是鋼廠供貨時(shí)已預(yù)先對(duì)模具鋼進(jìn)行了熱處理，使之達(dá)到了模

48、具使用時(shí)的硬度。根據(jù)模具工作條件，這個(gè)硬度范圍變化較大，較低硬度為25 HRC35 HRC，較高硬度為40 HRC50 HRC。在這種硬度條件下，可以把模具加工成型后不再進(jìn)行熱處理而直接使用，從而保證了模具的制造精度。我國(guó)目前使用和新近研制的預(yù)硬化型塑料模具鋼大多數(shù)以中碳鋼為基礎(chǔ)，適當(dāng)加入Cr、Mn、Mo、Ni和V等合金元素制成。為了解決在較高硬度下機(jī)械切削加工的困難，在冶煉時(shí)適當(dāng)?shù)叵蜾撝屑尤隨、Ca、Pb和Se等元素，以便改善鋼的切削加工性能，從而冶煉成易切削的預(yù)硬化鋼，使模具在較高硬度下順利完成車、鉆、刨、銑、鏜、磨等加工過(guò)程。有些預(yù)硬化鋼可以在模具加工成型后進(jìn)行滲氮熱處理，在不降低基體硬

49、度的前提下使模具的表面硬度和耐磨性提高。已經(jīng)列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)硬型塑料模具鋼僅有3Cr2Mo(P20)和3Cr2MnNiMo兩種，加上近年來(lái)研制、引進(jìn)的鋼種以及一些傳統(tǒng)中碳合金鋼，預(yù)硬型塑料模具鋼主要有SM3Cr2Mo(P20)、SM3Cr2MnNiMo、40Cr、42CrMo、5CrMnMo、5CrNiMo、5CrNiMnMoVSCa、30CrMnSiN2A、8Cr2MnWMoVS、Y55CrNiMnMoV(SM1)和25CrNi3A1MnMo等。預(yù)硬型塑料模具鋼雖然在鋼廠已進(jìn)行了最終熱處理(淬火、中高溫回火)，但如果要進(jìn)行改鍛或進(jìn)一步改變硬度和力學(xué)性能，可以重新進(jìn)行淬火、回火，而且必須在鍛造

50、后進(jìn)行退火熱處理。5) 耐蝕型塑料模具鋼當(dāng)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕介質(zhì)的塑料制品(如聚氯乙烯、氟塑料、阻燃塑料等)時(shí)，模具材料必須具有較好的抗腐蝕性能。當(dāng)塑料制品的產(chǎn)量不大、要求不高時(shí)，可以在模具表面采取鍍鉻保護(hù)措施，但大多數(shù)情況需采用耐蝕鋼制造模具，一般采用中碳或高碳的高鉻馬氏體不銹鋼，如SM2Cr13、SM4Cr13、9Cr18、9Cr18Mo、Cr14MoV、1Cr17Ni2、Cr18MoV和3Cr17Mo等。為了提高耐腐蝕模具鋼的加工精度，國(guó)內(nèi)又研制了馬氏體時(shí)效硬化鋼P(yáng)CR(0Crl6Ni4Cu3Nb)和AFC-77(1Cr14Co13Mo5V)，這類鋼適于制造要求高耐磨、高精度和耐腐蝕的塑

51、料模具，提高了耐腐蝕模具鋼的產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)了模具鋼的使用壽命。耐腐蝕塑料模具零件的熱處理和一般不銹鋼制品的熱處理基本相同，為了得到模具使用中所要求的綜合力學(xué)性能和較好的抗蝕性能與耐磨性能，還要經(jīng)過(guò)適宜的淬火、回火處理。6) 時(shí)效硬化型塑料模具鋼模具經(jīng)熱處理后變形是模具熱處理的三大難題之一(變形、開裂、淬硬)。預(yù)硬型塑料模具鋼解決了模具熱處理變形的問(wèn)題，但模具要求硬度高又給模具加工帶來(lái)了困難。在制造模具，尤其是制造復(fù)雜、精密、長(zhǎng)使用壽命的塑料模具時(shí)，如何既保持模具的加工精度，又使模具具有較高的硬度，是模具材料選型中面臨的一個(gè)重要難題。為此發(fā)展了一系列的時(shí)效硬化型塑料模具鋼。模具零件在淬火(固溶)

52、后變軟(硬度為28 HRC34 HRC)，便于切削加工成型，然后再進(jìn)行時(shí)效硬化，獲得所需的綜合力學(xué)性能。時(shí)效硬化型塑料模具鋼有馬氏體時(shí)效硬化鋼和析出(沉淀)硬化鋼兩大類。馬氏體時(shí)效硬化鋼有高的屈強(qiáng)比、良好的切削加工性能和焊接性能、熱處理工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。為了降低材料費(fèi)用，近年來(lái)開發(fā)了一類低鈷、無(wú)鈷、低鎳的馬氏體時(shí)效鋼，其代表鋼種有06Ni(06Ni6CrMoVTiAl)和AFC-77(1Cr14C013MoSV)；另一類為低合金時(shí)效硬化鋼，代表鋼種有中國(guó)自行開發(fā)的低鎳無(wú)鈷塑料鋼25CrNi3MoAl，鏡面塑料鋼P(yáng)MS(10Ni3MnMoCuAl)、PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)和SM2(2

53、0CrNi3A1MnMo)等，另外還有美國(guó)的P2(20CrNi4AlV)，日本大同特殊鋼公司的NAK(15Ni3MnMoAlCuS)系列鋼等。這類鋼經(jīng)固溶處理后， 硬度為30 HRC左右，時(shí)效處理后，由于金屬間化合物Ni3Al析出而得到強(qiáng)化，硬度可以上升到38 HRC42 HRC。如再進(jìn)行滲氮處理，可以使模具表面硬度達(dá)到1100 HV左右。時(shí)效硬化型塑料模具鋼主要用于制造精密、復(fù)雜的熱塑性塑料制品用模具。1.4.3 量具鋼量具鋼是用于制造量具的鋼，如卡尺、千分尺、塊規(guī)、塞尺等。量具在使用過(guò)程中主要會(huì)受到磨損，因此對(duì)量具鋼的主要性能要求是具有高的尺寸精度、高的硬度和耐磨性、良好的磨削加工性。量具

54、鋼的成分與低合金刃具鋼類似，即含碳量高(0.9%1.5%)和含有合金元素Cr、W、Mn等。量具鋼的加工工藝為：鍛造球化退火機(jī)加工粗磨淬火+低溫回火精磨時(shí)效涂油保存。量具熱處理的關(guān)鍵在于減少變形和提高尺寸穩(wěn)定性，因此淬火前應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，淬火后立即進(jìn)行-70-80冷處理，并在120130進(jìn)行幾小時(shí)至幾十小時(shí)的時(shí)效處理。最常用的量具鋼為碳素工具鋼和低合金工具鋼。尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、精度較低的量具，選用碳素工具鋼制造；復(fù)雜的精密量具一般選用低合金刃具鋼；精度要求高的量具選用CrMn、CrWMn、GCr15等制造。(1) CrWMn鋼：淬透性較高，淬火變形小，主要用于制造高精度且形狀復(fù)雜的量規(guī)和塊規(guī)。(

55、2) GCr15鋼：耐磨性、尺寸穩(wěn)定性較好，多用于制造高精度塊規(guī)、螺紋塞規(guī)和千分尺。(3) 9Cr18、4Cr13鋼：主要用于制造在腐蝕介質(zhì)中使用的量具。1.5 特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有特殊物理化學(xué)性能并可在特殊環(huán)境下工作的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼及低溫用鋼等。1.5.1 不銹鋼不銹鋼指具有抵抗大氣、水、酸、堿、鹽及其他介質(zhì)腐蝕能力的鋼。對(duì)不銹鋼的性能要求最主要的是耐蝕性，除此之外，制作工具的不銹鋼還要求高硬度、高耐磨性，制作重要結(jié)構(gòu)零件要求高強(qiáng)度，某些不銹鋼則要求有較好的加工性能。不銹鋼在石油、化工、原子能、宇航、海洋開發(fā)、國(guó)防工業(yè)和一些尖端科學(xué)技術(shù)及日常生活中都得到了廣泛應(yīng)用，例如

56、化工裝置中的各種管道、閥門和泵，熱裂設(shè)備零件，醫(yī)療手術(shù)器械以及防銹刃具和量具等。大多數(shù)不銹鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%0.2%。不銹鋼的合金元素的主加元素為Cr和Ni，輔加元素為Mo、Cu、Ti、Nb、Mn、N等。Cr是最重要的必加元素，能提高鐵素體的電位，鋼的耐蝕性會(huì)明顯提高；Ni的加入也能顯著提高耐蝕性，也可提高材料的電極電位，但鎳稀缺，鋼中Ni與Cr鉻常配合使用則會(huì)大大提高其在氧化性及非氧化性介質(zhì)中的耐蝕性。不銹鋼按正火狀態(tài)的組織可分為馬氏體不銹鋼(Cr13型)、鐵素體不銹鋼(Cr17型)、奧氏體不銹鋼(18-8型)。1. 馬氏體不銹鋼(Cr13型)常用馬氏體不銹鋼的含碳量為0.1%0.45

57、%，含鉻量為12%14%，屬于鉻不銹鋼，通常指Cr13型不銹鋼，典型鋼號(hào)有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。這類鋼一般用來(lái)制作既能承受載荷又需要耐蝕性的各種閥、機(jī)泵等零件以及一些不銹工具等。(1) 1Cr13、2Cr13鋼：耐蝕性較好，且有較好的力學(xué)性能。一般采用調(diào)質(zhì)處理，可用于制作葉片、水壓機(jī)閥、結(jié)構(gòu)架、螺栓、螺帽等。(2) 3Cr13、4Cr13鋼：因含碳量增加，故強(qiáng)度和耐磨性提高，但耐蝕性降低。采用淬火、低溫回火處理，可用于制作具有較高硬度和耐磨性的醫(yī)療工具、量具、滾珠軸承等。2. 鐵素體型不銹鋼(Cr17型)常用的鐵素體不銹鋼的含碳量低于0.15%，含鉻量為12%30%

58、，也屬于鉻不銹鋼，典型鋼號(hào)有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。由于含碳量相應(yīng)地降低，含鉻量有相應(yīng)地提高，鐵素體型不銹鋼為單相鐵素體組織，耐蝕性比Cr13型鋼更好，塑性、焊接性也優(yōu)于馬氏體不銹鋼。這類鋼在退火或正火狀態(tài)下使用，塑性很好，但強(qiáng)度顯然比馬氏體不銹鋼低，主要用于制造耐蝕性要求很高而強(qiáng)度要求不高的構(gòu)件，例如硝酸和氮肥工業(yè)中的設(shè)備、容器和管道等。值得注意的是，鐵素體不銹鋼在450550的環(huán)境中長(zhǎng)期使用或停留會(huì)引起所謂的“475脆性”，但可通過(guò)600加熱快冷消除之。另外，鐵素體不銹鋼在600800的溫度中長(zhǎng)期加熱還會(huì)產(chǎn)生硬而脆的相而使材料脆化。3. 奧氏體型不銹鋼(18-

59、8型)目前應(yīng)用最多、性能最好的一類不銹鋼是在含18%Cr的鋼中加入8%11%Ni得到的18-8型的奧氏體不銹鋼，其中1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9是最典型的鋼號(hào)。這類不銹鋼含碳量很低(約0.1%)，強(qiáng)度、硬度低，無(wú)磁性，塑性、韌性和耐蝕性均較Cr13型不銹鋼更好。奧氏體型不銹鋼不僅耐腐蝕性能好，而且鋼材的冷熱加工性和焊接性也很好，廣泛用于制作化工設(shè)備零件、輸送管道、抗磁儀表、醫(yī)療器械等。1.5.2 耐熱鋼在航空航天、發(fā)動(dòng)機(jī)、熱能工程、化工及軍事工業(yè)部門，有許多機(jī)器零件是在高溫下工作的，常常使用具有高耐熱性的耐熱鋼。耐熱鋼是指在高溫下具有高的熱化學(xué)穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的特殊鋼。鋼的耐熱性包括高

60、溫抗氧化性和熱強(qiáng)性兩方面，即高溫下對(duì)氧化作用的抗力和高溫下承受機(jī)械負(fù)荷的能力。耐熱鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都不高，約為0.1%0.2%。耐熱鋼中不可缺少的合金元素是Cr、Si或Al。特別是Cr，既可提高鋼的抗氧化性，還有利于提高熱強(qiáng)性。Mo、W、V、Ti等元素能形成細(xì)小彌散的碳化物，起彌散強(qiáng)化的作用，可提高室溫和高溫強(qiáng)度。根據(jù)熱處理特點(diǎn)和組織的不同，耐熱鋼可分為珠光體型、奧氏體型、馬氏體型和沉淀硬化型四種。(1) 珠光體型耐熱鋼：常用鋼種有16Mo、15CrMo和12CrMoV，使用溫度較低，一般為350550，主要用于制造鍋爐、化工壓力容器、熱交換器、汽閥等耐熱構(gòu)件。(2) 奧氏體型耐熱鋼：常用鋼