《金屬材料工程概論（第2版）》6金屬耐磨材料課件

6金屬耐磨材料磨損的定義：兩種材料（或物質(zhì)）接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起材料逐漸損傷的現(xiàn)象，稱(chēng)為磨損。影響材料耐磨性的因素有：(1)材料因素，材料的硬度、韌性、加工硬化能力、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、表面狀態(tài)等；(2)摩擦條件，相磨物質(zhì)的特性、摩擦壓力、溫度、速度、潤(rùn)滑劑的特性等。大量實(shí)驗(yàn)證明，鋼的耐磨性與其組織結(jié)構(gòu)，硬度有密切的關(guān)系。本章主要講述工具鋼、塑料模具鋼等知識(shí)。6金屬耐磨材料6.1工具鋼用來(lái)制造各種切削刃具、模具、量具和其它工具的鋼，稱(chēng)之為工具鋼。工具鋼按化學(xué)成分可以分為碳素工具鋼，合金工具鋼兩大類(lèi)。按用途分類(lèi)：刃具鋼，模具鋼，量具鋼三種。在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素(如鉻、錳、硅、釩、鎢、鉬等)稱(chēng)為合金工具鋼。6.1工具鋼6.1.1碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量0.65～1.35%的碳鋼。按其雜質(zhì)含量不同,可分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。碳素工具鋼生產(chǎn)成本低,原料易取得,加工性能好,廣泛地用于制造各種工具、模具、量具、手作工具和低速小切削用量的機(jī)用刃具。碳素工具鋼一般需經(jīng)750℃～770℃溫度范圍的球化退火處理,獲得球狀珠光體組織;然后在760℃～820℃溫度范圍淬火,獲得馬氏體+少量殘留奧氏體組織;再經(jīng)160℃～180℃溫度范圍的回火處理,獲得回火馬氏體組織。常用的碳素工具鋼有:T7(T7A)、T8(T8A)、T10(T10A)、T12(T12A)。6.1工具鋼6.1.1碳素工具鋼圖6－1為澳大利亞產(chǎn)T12鋼的銼刀的顯微組織，淬火－回火組織，黑色基體為回火馬氏體，白色顆粒狀為碳化物。圖6－1T12鋼的回火馬氏體組織6.1工具鋼6.1.2合金刃具鋼合金刃具鋼主要用于制造切削刀具，如車(chē)刀、銑刀、鉆頭、絲錐、板牙等。合金刃具鋼應(yīng)具有下列性能：（1）高的硬度與耐磨性（2）高的紅硬性（3）足夠的強(qiáng)度與韌性低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素發(fā)展起來(lái)的。它屬于低合金鋼，主要用于切削量不大的、形狀復(fù)雜的刃具，也可兼作冷作模具與量具。其化學(xué)成分特點(diǎn)為：含碳0．75％一1．45％，以保證鋼淬火后具有高硬度(≥62HRC)并可形成適量的合金碳化物，從而增加其耐磨性。6.1工具鋼6.1.2合金刃具鋼常用的低合金刃具鋼有以下幾種：①鉻鋼

常見(jiàn)的有GCr15、GCr6以及CrMn鋼等。②硅鉻鋼

常見(jiàn)的有9SiCr鋼。③鉻鎢鋼

鋼中加入鎢(1.0～5.5%),鋼淬火、回火后存在較多碳化物，從而提高硬度和耐磨性。④鉻鎢錳鋼

鋼中加入鉻、鎢、錳元素，使鋼具有較高的淬透性、淬硬性和耐磨性。6.1工具鋼6.1.3高速工具鋼高速鋼是當(dāng)前使用最多最廣泛的合金刃具鋼種，專(zhuān)門(mén)用于制造高速切削的刀具，有時(shí)也會(huì)用來(lái)制造模具。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，常用的高速工具鋼：W18Cr4VC05、W18Cr4V2C08、W12Cr4V5C05、CW6M05Cr4V3、CW6M05Cr4V2、W2M09Cr4V2、W6M05Cr4V2C05、W7M04Cr4V2C05、W9M03Cr4V、W2M09Cr4VC08等。我國(guó)目前主要應(yīng)用的高速工具鋼是W18Cr4V、W6M05Cr4V2和W9M03Cr4V三個(gè)鋼號(hào)。6.1工具鋼6.1.3高速工具鋼高速工具鋼(W18Cr4V)熱處理工藝是:800℃預(yù)熱→1280℃保溫→淬火→560℃回火三次。淬火得到隱晶馬氏體組織如圖6-2所示。560℃回火三次得到回火馬氏體組織基體上分布著未溶碳化物的整合組織。硬度可達(dá)HRC64~66。圖6-2高速鋼淬火組織OM6.1工具鋼6.1.4模具鋼專(zhuān)門(mén)用于制造沖壓、模鍛、擠壓、壓鑄等模具的合金鋼，稱(chēng)之為合金模具鋼。根據(jù)模具使用條件的不同將模具分為冷作模具和熱作模具，相應(yīng)地將制作模具的合金模具鋼也分為兩大類(lèi)：一是冷作模具鋼；二是熱作模具鋼。（1）冷作模具鋼：高碳高鉻型工具鋼(Crl2型)是最常用的冷作模具鋼。（2）熱作模具鋼：常用熱作模具鋼有5CrNiMo、3Cr2W8V、H13等6.1工具鋼6.1.4模具鋼H13鋼模具的熱處理是1010～1060℃加熱淬火，520℃回火。獲得回火托氏體組織。圖6-3H13鋼的退火組織，SEM6.1工具鋼6.1.4模具鋼圖6-4W350鋼的球化退火組織，OM6.1工具鋼6.1.5量具鋼

機(jī)械制造業(yè)中,大量使用的卡尺、千分尺、塊規(guī)、卡規(guī)、塞規(guī)、樣板等,統(tǒng)稱(chēng)為量具。在量具制造中,尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、精度低的樣板、塞規(guī)等用碳鋼(T10A、T12A)制造,在腐蝕介質(zhì)中工作的量具用不銹鋼制(9Cr18)造外,其它凡形狀較復(fù)雜、精度較高的量具,均用合金量具鋼來(lái)制造。合金量具鋼都是高碳鋼,以保證有高的硬度和高的耐磨性。常見(jiàn)的合金量具鋼有Cr2、GCr15、CrMn、CrWMn鋼等。它們的熱處理工藝流程:球化退火→淬火→冷處理→低溫回火→低溫人工時(shí)效處理。6.1工具鋼6.1.6其他類(lèi)型工具鋼（1）冷軋輥用鋼冷軋輥一般屬于大截面用鋼。冷軋輥用鋼的化學(xué)成分、性能要求與一些冷作模具鋼相近。常用冷軋輥鋼有:9Cr、9Cr2、9CrV、9Cr2Mo、9Cr2W、9Cr2MoV?；瘜W(xué)成分:0.85～0.95%C、0.25～0.45%Si、0.20～0.35%Mn、1.40～2.10%Cr、0.10～0.25%V、0.20～0.40%Mo、0.30～0.60%W。（2）耐沖擊工具鋼在工作中受震動(dòng)較大的工具(如風(fēng)鏟、風(fēng)鑿)、加工較厚鋼板的剪切工具以及一些冷模具(例如切邊模、沖孔模等)，要求有較高的韌性,這些鋼的含碳量大都在0.7%以下,一般在04～0.6%之間。6.2其他耐磨鋼6.2.1軸承鋼制造滾動(dòng)軸承的專(zhuān)用鋼叫軸承鋼。軸承鋼經(jīng)熱處理后要求高而均勻的硬度和耐磨性，高的彈性極限和高的接觸疲勞強(qiáng)度。常用的軸承鋼為高碳高鉻軸承鋼，如GCr15、GCr15SiMn。還有滲碳軸承鋼，如20Cr2Ni4等以及不銹軸承鋼，如9Cr18等。圖6-5GCr15軸承鋼的退火組織，OM6.2其他耐磨鋼6.2.2高碳高錳奧氏體鋼碳和錳都是擴(kuò)大γ相區(qū)的元素，而且降低馬氏體點(diǎn)(Ms)。只有含碳量為1.0~1.4％及含錳量為10％～14％時(shí)才具備很高的塑性。這個(gè)范圍便是高碳高錳奧氏體鋼的成分范圍，最常見(jiàn)的是1.2％C及13％Mn。圖6-6高碳錳鋼的奧氏體組織，OM6.2其他耐磨鋼6.2.3石墨鋼石墨鋼是含有石墨的高碳工具鋼，它一方面具有高碳工具鋼的高度耐磨性，另一方面又具有石墨的潤(rùn)滑作用(摩擦系數(shù)較一般工具鋼小50％)。石墨鋼含碳約1.5％，另外含有促進(jìn)石墨化的合金元素(硅、鋁、銅、鎳等)以及提高淬透性的元素(錳、鉻、鎳、鉬等)，有時(shí)還加入提高耐磨性的鎢元素。6.2.4鋼軌鋼專(zhuān)門(mén)用于制作鋼軌的鋼叫鋼軌鋼。它是鋼鐵企業(yè)大量生產(chǎn)的鋼種，一般是經(jīng)過(guò)多次熱軋才制成鋼軌。6.2其他耐磨鋼6.2.4鋼軌鋼鋼軌鋼是屬于中、高碳(0.4％～0.8％)的鐵素體一珠光體鋼，主要用C及Mn來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化，典型鋼軌鋼,如U71Mn，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)％）：0.67~0.80C,0.13~0.28Si,0.7~1.0Mn。進(jìn)一步提高耐磨性需要進(jìn)行端頭淬火或全長(zhǎng)淬火(實(shí)際上是正火得到索氏體組織)。圖6-7鋼軌鋼的索氏體組織，OM鋼軌鋼的軋制組織為索氏體，具有良好的耐磨性。6.2其他耐磨鋼6.2.5耐磨用普通低合金鋼

這類(lèi)鋼除了要求有高的強(qiáng)度、硬度及良好的耐磨性外,還必須有良好的韌性和淬透性，且不含貴重元素,適合于在農(nóng)業(yè)機(jī)械和礦山機(jī)械中推廣應(yīng)用。常用的這類(lèi)鋼有:41Mn2SiR1、55SiMnCuRe、65SiMnRe鋼等。

6.3塑料模具鋼隨著塑料制品的日益廣泛應(yīng)用，對(duì)塑料模具的需求也越來(lái)越大，制作塑料模具所用的鋼－塑料模具鋼，其需求量也大幅度攀升。壓制塑料可以分為兩種基本類(lèi)型，即熱固性塑料和熱塑性塑料

6.3塑料模具鋼6.3.1熱塑性塑料注射模的主要失效方式1）表面磨損由于塑料中含有無(wú)機(jī)填料，使模具型腔磨損，表面粗糙度惡化，需要不斷拋光，多次拋光后，型腔尺寸超差而失效。2）表面侵蝕塑料含有的氯、氟元素，受熱分解析出HCI、HF等腐蝕性氣體，侵蝕模具表面而失效。3）塑性變形模具持續(xù)受熱，在壓力作用下，發(fā)生塑性變形而失效。4）斷裂塑料制品成型模的形狀復(fù)雜，在凹角、薄邊等處容易造成應(yīng)力集中而開(kāi)裂。6.3塑料模具鋼6.3.2熱塑性塑料注射模的工作條件和性能要求（1）工作條件:1）通常不含固體填料，以軟化狀態(tài)注入型腔，當(dāng)含有玻璃纖維填料時(shí)，對(duì)型腔有較強(qiáng)的磨損作用。但是受熱、受壓、受磨損，一般不太嚴(yán)重。2）有的塑料含有氯及氟，在壓制時(shí)放出腐蝕性氣體，侵蝕型腔表面。（2）性能要求如下：1）拋光性型腔表面要求光滑，成型面要求拋光成鏡面，拋光時(shí)不出現(xiàn)麻點(diǎn)和桔皮狀缺陷，表面粗糙度Rz低于0.4μm。2）型腔表面具有良好的耐磨性、抗蝕性。3）耐熱性，在250℃左右長(zhǎng)期不軟化、不氧化。4）良好的強(qiáng)韌性，長(zhǎng)期工作不變形，不斷裂。6