合金刃具钢

8.4.1　合金刃具钢

1．用途

合金刀具钢用于制造车刀、铣刀、钻头等各种切削刀具。

2．性能特点

（1）高硬度、高耐磨性　切削加工时刀具的刃部与工件之间发生强烈摩擦，故一般要求硬度大于60HRC。

（2）高热硬性（又称红硬性）　热硬性是指钢在高温下仍能维持高硬度的能力。热硬性的高低与回火稳定性和碳化物的弥散沉淀等有关。要求高的热硬性是为了防止刀具在高速切削时因摩擦升温而软化。

（3）具有一定的强度、韧性和塑性　以免刃具在冲击、振动载荷作用下崩刃或断裂。

3．化学成分特点

（1）低合金刃具钢

①高碳　Wc＝0.9%～1.1%，保证形成足够数量的合金碳化物。

②合金元素　主加元素Cr、Mn、Si，目的是提高淬透性和回火稳定性，强化铁素体；W、V形成合金碳化物，细化晶粒，提高硬度、耐磨性。

（2）高速工具钢

①高碳　Wc＝0.7%～1.5%，保证马氏体硬度和形成合金碳化物，碳含量过高，会使碳化物偏析严重，降低钢的韧性。

②合金元素　加入Cr，提高淬透性，空冷可获得马氏体组织。加入大量的W、Mo、V提高热硬性，因为含有W、Mo和V的马氏体回火稳定性很强，且在500℃～600℃析出弥散分布的特殊化合物（如W₂C、Mo₂C）而产生二次硬化现象。此外V可形成高硬度碳化物，可显著提高硬度和耐磨性。

4．常用钢种

（1）低合金刃具钢

典型钢号为9SiCr和CrWMn等，主要用于制造300℃以下低速切削刃具，如板牙、丝锥、铰刀等；也常作量具钢和冷作模具钢使用。

（2）高速工具钢

高速钢的热硬性高达500℃～600℃，能制造高速切削刃具。其主要有两种：一种为钨系W18Cr4V；另一种为钨—钼系W6Mo5Cr4V2。前者的热硬性高，过热倾向小；后者的耐磨性、热塑性和韧性较好，适于制作要求耐磨性与韧性配合良好的薄刃细齿刃具。

5．热处理特点

（1）低合金刃具钢

刃具毛坯锻造后硬度较高，应进行球化退火。最终热处理采用淬火＋低温回火，热处理后的组织为回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体，硬度在60HRC以上。

（2）高速工具钢

由于合金元素含量高，淬火温度高、回火温度高且次数多。

高速钢的加工工艺路线为：

下料→锻造→退火→机加工→淬火+回火→喷砂→磨削加工。

①锻造　高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状的马氏体和托氏体组成（如图8-8所示），这种组织脆性大且无法通过热处理改善。因此，需要通过反复锻打来击碎鱼骨状碳化物，使其均匀地分布于基体中。可见，对于高速钢而言，锻造具有成型和改善组织的双重作用。

②退火　高速钢的预备热处理是球化退火，其目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火做组织准备。退火后组织为索氏体加细颗粒状碳化物，如图8-9所示。

图8-8　W18Cr4V钢的铸态组织400×

图8-9　W18Cr4V钢的退火组织400×

③淬火　高速钢的导热性较差，故淬火加热时应在600℃～650℃和800℃～850℃预热两次，以防止变形与开裂。高速钢的淬火温度高达1280℃，以使更多的合金元素溶入奥氏体中，达到淬火后获得高合金元素含量马氏体的目的。淬火温度不宜过高，否则易引起晶粒粗大。淬火冷却多采用盐浴分级淬火或油冷，以减少变形和开裂倾向。淬火后的组织为隐针马氏体加颗粒状碳化物和较多的残余奥氏体（约30%），如图8-10所示。硬度为61～63HRC。

④回火　高速钢淬火后通常在550℃~570℃进行三次回火，其主要目的是减少残余奥氏体量，稳定组织，并产生二次硬化。在回火过程中，随温度升高，大量细小弥散的W、Mo、V碳化物从马氏体中析出，使钢的硬度不仅不降，反而明显提高；同时由于残余奥氏体中的碳和合金元素含量下降及所受马氏体的压力降低，M_S点上升，在回火冷却时转变为马氏体，也使硬度提高，产生二次硬化。W18Cr4V钢的硬度与回火温度关系如图8-11所示。

采用多次回火是为了逐步减少残余奥氏体量，同时每次回火加热都使前一次回火冷却

图8-10　W18Cr4V钢的淬火组织400×

时产生的淬火马氏体回火。经淬火和三次回火后，高速钢的组织为回火马氏体、细颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（＜3%），如图8-12所示。

如图8-13所示为W18Cr4V钢热处理工艺示意图。

图8-11　W18Cr4V钢的硬度与回火温度的关系

图8-12　W18Cr4V钢淬火、回火后的组织 400×

图8-13　所示为W18Cr4V钢热处理工艺示意图

常用低合金刃具钢和高速钢的化学成分、热处理及用途分别如表8-8和表8-9所示。