合金模具钢

合金工具钢主要用于制造刀具、量具、模具等，含碳量甚髙。其合金元素的主要作用是提髙钢的淬透性、耐磨性及热硬性。加入合金元素Si、Cr、Mn等可提高钢的淬透性；加入W、Mo、V可形成特殊碳化物，提高钢的热硬性和耐磨性。

与碳素钢相比，合金工具钢适合制造形状复杂、尺寸较大、切削速度较高或工作温度较高的工具和模具。如高速工具钢含有大量的W、Mo、V、Cr等元素，用这种钢制成的钻头、铰刀或拉刀，在切削温度高达600℃时仍能保持高硬度，故可采用较高的切削速度进行切削。图6-23为高速钢制成的拉刀。

图6-23 高速钢制成的拉刀

合金工具钢分为合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢等。它的牌号与合金结构钢相似，不同的是以一位数字表示平均含碳量的千分数，若含碳量超过1％，则不标出。例外的是，高速钢的含碳量尽管未超过1％，牌号中也不标出。

合金刃具钢

合金刃具钢可制造各种车刀、铣刀等切削刀具。它必须具有高硬度 （＞60HRC）、高耐磨性、高热硬性、足够的韧性和塑性。

1.低合金刃具钢

（1）成分。含碳量高，为0.75％～1.50％，主加硅、铬、锰、钨等合金元素，保证高硬度、高耐磨性、高热硬性，提高淬透性。

（2）热处理方法及组织。锻造后进行球化退火预先热处理，降低硬度，方便切削加工。最终热处理为淬火＋低温回火，组织为回火马氏体＋粒状碳化物。

（3）性能及应用。低合金刃具钢与碳素工具钢相比，有较高的淬透性、较小的淬火变形、较高的红硬性 （达300℃）、较高的强度与耐磨性。但其红硬性、耐磨性、淬透性仍不能满足高速切削要求。主要用于制造变形要求小的、尺寸较小的或低速切削的刀具，如丝锥 （图6-24）、板牙 （图6-24）、铰刀、钻头 （图6-25）、低速车刀、刨刀 （图6-26）等。

（4）工艺路线。低合金刃具钢9SiCr圆板牙制造工艺路线如下：

下料→锻造→球化退火→粗切削加工→淬火＋低温回火→精切削加工

图6-24 加工内外螺纹的丝锥和板牙工具

图6-25 各类钻头

图6-26 刨刀

（5）常用钢种。常用低合金刃具钢的牌号、热处理及应用见表6-11（摘自GB／T1299—2014）。

表6-11 常用低合金刃具钢的牌号、热处理及应用

2.高速钢

（1）成分。含碳量高，为0.75％～1.65％，可保证形成较多的合金碳化物，获得高碳马氏体，从而保证高硬度及高耐磨性。还含有质量分数总和在10％以上的钨、钼、钒、铬等碳化物形成元素。钨和钼的主要作用是提高钢的热硬性，含有大量钨和钼的马氏体具有很高的抗回火性，在560℃左右回火时，会析出弥散的特殊碳化物W2C、Mo2C，造成二次硬化；铬能显著提高钢的淬透性；钒形成的碳化物VC很稳定，硬度极高，可显著提高钢的耐磨性，钒也会产生二次硬化，提高钢的热硬性。

（2）热处理方法。高速钢的加工工艺路线如下：

下料→锻造→球化退火→机加工→淬火＋回火→喷砂→磨削

（3）性能及应用。高速钢与其他工具钢相比的突出特点是高的热硬性，它可使刀具在高速切削、刃部温度升高到600℃时硬度仍能维持在55～60HRC。高速钢还具有高硬度和高耐磨性，使切削时刀刃保持锋利，因此高速钢也称为 “锋钢”。高速钢的淬透性优良，甚至在空气中冷却也能得到马氏体，故又称 “风钢”。高速钢广泛应用于制造尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速切削刀具，如图6-27和图6-28所示。

图6-27 高速钢制造的丝锥

图6-28 高速钢铣刀

（4）常用钢种。常用高速钢的牌号、热处理及应用见表6-12。W18Cr4V钢是我国发展最早、应用最广的一个钢种，它的特点是热硬性高、加工性好。目前应用较广的还有W6Mo5Cr4V2等钨钼系高速钢，这类钢的耐磨性、热塑性和韧性都优于W18Cr4V钢，而且价格相对较低，但其脱碳倾向较大，热加工时应注意。

表6-12 常见高速钢的牌号、热处理及应用

材料史话

高速钢

1898年，美国机械与管理工程师泰勒 （Taylor F.W.）和冶金学家怀特 （White M.）研制发明了高速钢，并做了系统切削试验。当时他们确定的高速钢成分为C0.67％， W18.91％，Cr5.47％，Mn0.11％，V0.29％，F余量，与后来的W18Cr4V成分很接近。高速钢刀具可用30m／min的速度切削钢材，其效率比过去用的碳素工具钢和合金工具钢提高了好几倍，为美国当时的机械工业生产赢得了巨大的经济效益。

合金模具钢

模具是用于压力加工的工具，模具的品种不同，性能要求也不同，用作模具的材料也不同，碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、滚动轴承钢等都可用于制造模具。根据模具的工作条件不同，模具钢可分为冷作模具钢和热作模具钢。

1.冷作模具钢

冷作模具钢的典型钢号为碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬的Cr12型模具钢。主要应用于冲孔模具（图6-29）、冷冲模（图6-30）、冷挤压模、拉丝模（图6-31）等。

（1）成分。含碳量较高，为0.85％～2.3％，以保证高硬度；常加入铬、钨、锰、钼等合金元素提高淬透性、耐磨性等。

图6-29 冲孔模具的冲头

图6-30 冷作模具钢——冷冲模

图6-31 冷作模具钢——拉丝模

（2）热处理方法及组织。预先热处理为球化退火以软化材料，方便切削加工；最终热处理为淬火和较低温度回火，以提高硬度及耐磨性。

（3）性能及应用。冷作模具钢具有高的硬度和良好的耐磨性以及足够的强度和韧性，还具有较高的淬透性。用于制造使金属在较低温度下变形的模具，如冷冲模、冷镦模、拉丝模等。

（4）冷作模具加工工艺路线。Cr12MoV钢制冲孔模具的工艺路线如下：

下料→锻造→球化退火→切削加工→淬火＋回火→磨削加工或电火花加工

（5）常用钢种。尺寸较小的轻载模具，可采用T10A、9SiCr、9Mn2V等一般刃具钢来制造。尺寸较大的重载模具或要求精度较高、热处理变形小的模具，一般采用Cr12型钢如Cr12、Cr12MoV等。Cr12型钢的化学成分、热处理及应用见表6-13，这类钢含有高碳和高铬，其组织中有较多铬的碳化物，耐磨性好。Cr12MoV钢的含碳量低于Cr12钢，故其碳化物不均匀性较Cr12钢有所减轻，因此强度和韧性较高。钼能减轻碳化物偏析，并能提高淬透性。钒可细化钢的晶粒，增加韧性。

表6-13 Cr12型钢的化学成分、热处理及应用

2.热作模具钢

热作模具钢用于制造使金属热成型的模具，如热锻模 （图6-32）、热挤压模、压铸模 （图6-33）等，其工作部分的温度会升高到300℃～400℃ （热锻模）、500℃～800℃（热挤压模），甚至达到1000℃ （钢铁压铸模），工作时承受较大冲击、摩擦、反复的热循环、热应力。

图6-32 热作模具钢——热锻模

图6-33 热作模具钢——压铸模

（1）成分。含碳量为0.3％～0.6％，在中碳范围，保证较高的韧性、强度、硬度、导热性；常加入Cr、Ni、Mn、Si等合金元素以提高淬透性、高温强度、抗热疲劳能力等。

（2）热处理特点及组织。热处理与调质钢相似，锻造后预先热处理采用退火，最终热处理为淬火＋高温回火，组织为回火索氏体。

（3）性能及应用。具有良好的综合力学性能，如高的热强性和足够高的韧性，高的热硬性和高温耐磨性，高的热疲劳抗力和抗氧化能力，高的淬透性和良好的导热性。用于各种热变形模具。

（4）热作模具制造工艺路线。5CrMnMo钢制热锻模具的工艺路线如下：

下料→锻造→退火→粗切削加工→淬火＋回火→精切削加工（修形或抛光）

（5）常用钢种。典型牌号：热锻模：5CrMnMo，热挤压模或压铸模：3Cr2W8V。常用热作模具钢的牌号、化学成分及应用见表6-14。

表6-14 常用热作模具钢的牌号、化学成分及应用

交流讨论

冷作模具钢和热作模具钢在化学组成上有何区别？

合金量具钢

合金量具钢是制造计量工件尺寸的工具的金属材料。保持尺寸精度 （或尺寸稳定性）是量具最基本的性能要求。

1.成分、性能及应用

量具钢为高碳钢，以保证其工作部分具有高的硬度和耐磨性，在长期使用过程中不因磨损而失去原有的精度。量具钢可用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规、塞规等，如图6-34～图6-36所示。

图6-34 量具——千分尺

图6-35 量具——塞尺

图6-36 量具——块规

2.热处理及组织

量具钢预先热处理为球化退火，最终热处理为淬火＋低温回火。为保证其硬度及尺寸稳定性，量具淬火后应进行-70℃～-80℃的冷处理，使残余奥氏体尽可能地转变为马氏体，然后进行低温回火。精度要求高的量具，淬火回火后，再在120℃～130℃进行几至几十小时的时效处理，以进一步提高其尺寸稳定性。最终组织为回火马氏体及粒状碳化物。

3.量具制造工艺路线

CrWMn钢制块规的工艺路线如下：

下料→锻造→球化退火→粗切削加工→淬火→冷处理→低温回火→粗磨→低温人工时效处理→精磨→去应力回火→研磨

4.常用量具钢

常用量具钢的种类及应用见表6-15。其中最常用的为碳素工具钢和低合金工具钢。

表6-15 常用量具钢的种类及应用

练习与实践

一、填空题

1.制造下列工具，请选用合适的材料。

材料牌号：5CrMnMo 9Cr Si Cr12 W18Cr4V

2.W6Mo5Cr4V2钢中，加入W和Mo的主要作用是提高钢的__________ ，加入Cr的主要作用是提高钢的__________ ，加入V能显著提高钢的__________、__________和__________。

3.高速钢的优良性能必须经反复锻造和正确的热处理后才能达到。与一般工具钢相比，高速钢淬火、回火的特点是：淬火温度__________ ，回火温度__________ ，且__________回火。

4.W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2属于__________钢，该类钢经高温淬火及多次高温回火后具有高的强度、__________和__________ ，红硬性温度达到__________℃，故该类钢主要用于制造切削速度较高的刀具 （如__________、铣刀等）和形状复杂、负荷较重的成形刀具 （如齿轮铣刀、拉刀等）。

5.高速钢刀具在切削温度达600℃时，仍能保持高的__________和__________。

二、选择题

1.可用于制造刀具、冷模具和量具，有 “微变形钢”之称的是 （ ）。

A.T10 B.9Cr Si C.CrWMn D.W18Cr4V

2.W18Cr4V属于 （ ）。

A.低合金刀具钢 B.合金冷模具钢 C.合金热模具钢 D.高速钢

3.（ ）钢都可以用于制作冷模具。

A.Cr12MoV、9Cr Si、9Mn2V B.3Cr2W8V、5CrMnMo、9Cr Si

C.Cr12MoV、5CrMnMo、9Cr Si

三、判断题 （下列说法你认为对的打√，错的打×）

1.30Cr Mn Si和3Cr2W8V含碳量相同，它们都是合金结构钢。 （ ）

2.GCr15是滚动轴承钢，含Cr量为15％，因此它是一种高合金钢。 （ ）

3.40Cr钢比40钢的淬透性好。 （ ）

4.CrWMn钢是一种热处理后硬度高、耐磨性好、尺寸稳定、变形小的合金工具钢，一般用于制作低切削刀具、精密量具和冷模具等。 （ ）

5.冷冲模具工作时受冲击和摩擦，所以应选用低合金钢来制造。 （ ）