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1、机械工程材料学第二篇第七章1、工艺性能、工艺性能可锻性、可锻性、切削加工性及热处理工艺性能切削加工性及热处理工艺性能机器零件的生产工艺机器零件的生产工艺型材型材改锻改锻毛坯热处理毛坯热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理精加工精加工使用性能使用性能1、常温及温度波动不大条件下承受动载荷、常温及温度波动不大条件下承受动载荷机器零件用钢应具有机器零件用钢应具有较高的疲劳强度较高的疲劳强度。2、需要承受短时间过载、需要承受短时间过载机器零件用钢应具有机器零件用钢应具有高的抗塑变能力和抗断裂能力高的抗塑变能力和抗断裂能力。3、零件相互间产生摩擦、零件相互间产生摩擦机器零件用钢应具有一定的机器零件用
2、钢应具有一定的耐磨性耐磨性。4、零件结构复杂，具有不同形式缺口，易产生应、零件结构复杂，具有不同形式缺口，易产生应力集中力集中机器零件用钢具有机器零件用钢具有较高的韧性及较低的缺口敏感性较高的韧性及较低的缺口敏感性。抗疲劳强度和耐磨性更为重要。抗疲劳强度和耐磨性更为重要。机器零件用钢的使用状态一般是淬火机器零件用钢的使用状态一般是淬火+回火，称为回火，称为强化状态强化状态。根据强化范围分为根据强化范围分为整体强化整体强化和和表面强化表面强化。机器零件用钢是不同含碳量的碳钢和合金钢。机器零件用钢是不同含碳量的碳钢和合金钢。根据含碳量分：根据含碳量分：0.2%左右、左右、0.4%左右、左右、0.5
3、%0.6%左右和左右和1%左右。左右。合金元素总质量分数一般在合金元素总质量分数一般在3%5%，最多不大于，最多不大于10%。影响机器零件力学性能的主要因素有三方面：影响机器零件力学性能的主要因素有三方面：(1)碳含量；碳含量；(2)淬火后的回火温度；淬火后的回火温度；(3)合金元素种合金元素种类和数量。类和数量。第二节第二节轴类零件用钢轴类零件用钢根据轴的工作状态：根据轴的工作状态：(1)不传递动力，只承受弯矩起支撑作用的心轴；不传递动力，只承受弯矩起支撑作用的心轴；(2)通过旋转运动来传递力矩的传动轴。通过旋转运动来传递力矩的传动轴。工作条件：工作条件：承受交变应力；相对滑动产生摩擦；承受
4、交变应力；相对滑动产生摩擦；承受一定的冲击载荷；缺口（台阶等）承受一定的冲击载荷；缺口（台阶等）螺钉、螺栓、连杆等与轴的工作条件近似，统称轴螺钉、螺栓、连杆等与轴的工作条件近似，统称轴类零件。类零件。性能要求性能要求1、高的疲劳极限（利于承受交变应力）、高的疲劳极限（利于承受交变应力）多数轴类零件通过建立多数轴类零件通过建立疲劳与普通拉伸性能疲劳与普通拉伸性能之间的之间的经验公式加以解决。经验公式加以解决。钢的钢的塑变抗力塑变抗力指标指标(b、s)越高，疲劳极限越高。越高，疲劳极限越高。疲劳裂纹的形成还与疲劳裂纹的形成还与异相质点的形状与数量异相质点的形状与数量有关。有关。2、良好的冲击韧性、
5、良好的冲击韧性(利于承受一定的冲击载荷利于承受一定的冲击载荷)和和塑性塑性轴上面存在台阶、键槽及油孔等，为减少应力集中轴上面存在台阶、键槽及油孔等，为减少应力集中效应以减轻缺口效应，要求具有效应以减轻缺口效应，要求具有良好的抗冲击韧性、良好的抗冲击韧性、断裂韧性及塑性断裂韧性及塑性。3、轴的表面或局部表面有一定的耐磨性、轴的表面或局部表面有一定的耐磨性(利于承受利于承受摩擦摩擦)通过热处理强化使轴类零件获得良好的通过热处理强化使轴类零件获得良好的综合性能综合性能。一般采用一般采用淬火加回火工艺处理。淬火加回火工艺处理。二、二、含碳量、回火温度含碳量、回火温度对淬火钢机械性能的影响对淬火钢机械性
6、能的影响低、中、高碳钢随回火温度的升高，强度低、中、高碳钢随回火温度的升高，强度(b、s)不断下降、塑性不断下降、塑性(、)不断上升，弹性极限不断上升，弹性极限(e)先先升后降。升后降。(一一)淬火回火钢的淬火回火钢的拉伸性能拉伸性能原因：碳化物聚集长大，滑移阻力减少。原因：碳化物聚集长大，滑移阻力减少。(二二)淬火回火钢的淬火回火钢的断裂抗力断裂抗力用冲击韧性用冲击韧性(k)、断裂韧性、断裂韧性(KIC)及极限塑性及极限塑性(k、k)衡量衡量淬火状态下，钢的韧性和塑性均较低，脆性大。随淬火状态下，钢的韧性和塑性均较低，脆性大。随含碳量的增加，脆性增加含碳量的增加，脆性增加(C%0.4%，无颈
7、缩，无颈缩)。低温回火低温回火(5%；k20%；k不做要求。不做要求。二、弹簧用钢二、弹簧用钢(一一)碳素弹簧钢的特点碳素弹簧钢的特点碳量较高的钢具有较高的碳量较高的钢具有较高的弹性极限和疲劳极限弹性极限和疲劳极限，而而含碳量过高，则疲劳强度较低含碳量过高，则疲劳强度较低。碳含量控制在碳含量控制在0.6%-0.9%最终热处理为最终热处理为淬火淬火+中温回火中温回火，钢可获得最高的弹，钢可获得最高的弹性极限和疲劳极限；性极限和疲劳极限；弹簧钢需用优质钢，保证其疲劳寿命；弹簧钢需用优质钢，保证其疲劳寿命；小型弹簧可用碳素钢（淬透性低）；而大型弹簧需小型弹簧可用碳素钢（淬透性低）；而大型弹簧需用合金
8、钢。用合金钢。(二二)合金弹簧钢的特点合金弹簧钢的特点碳质量分数碳质量分数0.5-0.7%之间。之间。为为提高淬透性和回火稳定性提高淬透性和回火稳定性，加入，加入Mn、Si、Cr和和V等元素。等元素。Mn提高淬透性；但增加晶粒尺寸，一般控制在提高淬透性；但增加晶粒尺寸，一般控制在1%以下。以下。Si提高淬透性，强化铁素体基体，提高弹性极限和提高淬透性，强化铁素体基体，提高弹性极限和疲劳极限；提高回火稳定性、硬度和强度。疲劳极限；提高回火稳定性、硬度和强度。但但Si增加表面脱碳倾向增加表面脱碳倾向，降低疲劳强度；，降低疲劳强度；促进出现促进出现石墨而降低强度石墨而降低强度。加入。加入Cr和和V替
9、代替代Mn、Si。两位数字（表示平均含碳量的万分之几）两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元合金元素符号素符号+该元素百分含量数字该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.503.49%时，在相应的合金时，在相应的合金元素符号后标元素符号后标2、3等数字。等数字。高级优质钢在牌号后加字母高级优质钢在牌号后加字母A，如，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母特级优质钢在牌号后加字母E，如，如30CrMnSiE。(三三)弹簧钢的
10、牌号、性能及用途弹簧钢的牌号、性能及用途编号方法与轴类用钢相同编号方法与轴类用钢相同。可分为五类：可分为五类：1、碳素弹簧钢、碳素弹簧钢淬透性差，适于小截面弹簧，线径小于淬透性差，适于小截面弹簧，线径小于12-15mm，一般制成，一般制成冷拔钢丝冷拔钢丝后用后用冷成型冷成型法制法制弹簧，如坐垫弹簧。弹簧，如坐垫弹簧。2、锰弹簧钢，如、锰弹簧钢，如65Mn与碳素弹簧钢强度相当，但淬透性高，有与碳素弹簧钢强度相当，但淬透性高，有过过热倾向热倾向。适于制造截面尺寸小于。适于制造截面尺寸小于15mm的中的中小型低应力弹簧。小型低应力弹簧。3、硅锰弹簧钢，如、硅锰弹簧钢，如60Si2MnA淬透性淬透性(
11、油淬油淬25-30mm)、回火抗力和弹性极、回火抗力和弹性极限高于限高于65Mn。但。但存在脱碳、石墨化倾向存在脱碳、石墨化倾向。适。适于机车车辆等的板状弹簧及耐热弹簧于机车车辆等的板状弹簧及耐热弹簧(可在可在250oC左右下工作左右下工作)。4、铬钒弹簧钢，如、铬钒弹簧钢，如50CrVA淬透性高于淬透性高于60Si2MnA(油淬油淬50mm)，弹性极，弹性极限、韧性和强度较高，不易脱碳和石墨化。限、韧性和强度较高，不易脱碳和石墨化。适于大截面，应力较高的螺旋弹簧和工作在适于大截面，应力较高的螺旋弹簧和工作在300oC以下的弹簧。以下的弹簧。5、硅铬弹簧钢，如、硅铬弹簧钢，如60Si2CrA淬
12、透性与淬透性与50CrVA相当，过热敏感性小。主要相当，过热敏感性小。主要用于承受高应力的弹簧和耐热低于用于承受高应力的弹簧和耐热低于300-350oC的受冲击载荷弹簧。的受冲击载荷弹簧。不锈耐酸钢、耐热钢和高速工具钢等也常用不锈耐酸钢、耐热钢和高速工具钢等也常用来制造弹簧。来制造弹簧。三、弹簧的制造工艺三、弹簧的制造工艺弹簧尺寸较小时，采用常温成型，称为弹簧尺寸较小时，采用常温成型，称为冷成冷成型型；弹簧尺寸较大时，采用加热后成型，称为弹簧尺寸较大时，采用加热后成型，称为热热成型成型。(一一)冷卷螺旋弹簧制造工艺冷卷螺旋弹簧制造工艺原料为：原料为：0.1-12mm的钢丝或圆钢等的钢丝或圆钢等
13、原料状态：硬化状态和退火状态原料状态：硬化状态和退火状态硬化状态硬化状态(1)钢丝经冷拔变形而强化；钢丝经冷拔变形而强化；(2)钢丝冷拔后，再经淬火和回火强化；钢丝冷拔后，再经淬火和回火强化；(3)铅淬冷拔钢丝。铅淬冷拔钢丝。正火正火+酸洗酸洗+Ac3上上80-100oC+550oC铅浴铅浴(S)+多次冷拉拔多次冷拉拔(总变形量总变形量90%左右左右)最后得到强度很高、具有一定塑性的弹簧钢最后得到强度很高、具有一定塑性的弹簧钢丝，又称丝，又称白钢丝或钢琴丝白钢丝或钢琴丝。冷卷后冷卷后不用淬火不用淬火+回火回火，只需，只需去应力回火去应力回火。退火状态退火状态钢丝不具弹性，冷卷后需进行钢丝不具弹
14、性，冷卷后需进行淬火淬火+中温回火中温回火处理。处理。回火温度一般选在回火温度一般选在400-520oC卷簧卷簧热处理热处理端面加工端面加工(二二)热成型螺旋弹簧的制造工艺热成型螺旋弹簧的制造工艺工艺为：下料工艺为：下料加热卷簧成型加热卷簧成型最终热处理最终热处理喷丸强化喷丸强化断面加工断面加工卷簧温度为卷簧温度为950-980oC热处理为：淬火和中温回火热处理为：淬火和中温回火(与退火状态冷卷与退火状态冷卷弹簧一致弹簧一致)。进一步提高疲劳强度采用进一步提高疲劳强度采用喷丸处理。喷丸处理。大型热卷弹簧大型热卷弹簧第五节第五节 滚动轴承用钢滚动轴承用钢圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承自动调心球轴承自动
15、调心球轴承向心球向心球向心球向心球轴承轴承轴承轴承v1内层内层 2外层外层v3 滚动体滚动体 4 保持架保持架v1、2、3均为均为滚动轴承钢滚动轴承钢工作条件工作条件轴承内套与轴紧密配合，轴承内套与轴紧密配合，承受轴的等大小反承受轴的等大小反作用力。作用力。轴承内外套和滚动体周期进入负荷带，轴承内外套和滚动体周期进入负荷带，受交受交变接触应力变接触应力作用。作用。滚动体与内外套及保持架间存在相对滑动，滚动体与内外套及保持架间存在相对滑动，产生相对摩擦，会产生相对摩擦，会产生磨损产生磨损。冲击载荷冲击载荷作用。作用。轴承失效轴承失效的形式与所受的的形式与所受的负荷大小、转速高负荷大小、转速高低低
16、等工作条件及轴承等工作条件及轴承精度精度等级有关。等级有关。对于对于承受负荷较大的轴承承受负荷较大的轴承，主要失效形式是，主要失效形式是滚动体、内外套工作表面上产生麻点剥落，滚动体、内外套工作表面上产生麻点剥落，属属接触疲劳接触疲劳。对于对于精密轴承精密轴承，疲劳前就由于磨损及组织变，疲劳前就由于磨损及组织变化造成化造成尺寸变化而失效尺寸变化而失效(尺寸稳定性尺寸稳定性)。强大的冲击下强大的冲击下，轴承零件可能，轴承零件可能破碎破碎(韧性韧性)。摩擦表面温度过高摩擦表面温度过高而造成而造成表面烧伤表面烧伤(耐高温和耐高温和腐蚀腐蚀)。性能要求性能要求(1)高接触疲劳抗力高接触疲劳抗力即高硬度，
17、即高硬度，HRC61-65。(2)高耐磨性（硬度和碳化物）高耐磨性（硬度和碳化物）(3)良好的尺寸稳定性良好的尺寸稳定性即减少残余奥氏体含量。即减少残余奥氏体含量。(4)具有一定的韧性和良好的冶金质量具有一定的韧性和良好的冶金质量(疲劳寿疲劳寿命命)(5)要求承受高温和腐蚀作用时，具有一定耐要求承受高温和腐蚀作用时，具有一定耐热性和抗蚀性能。热性和抗蚀性能。二、滚动轴承用钢二、滚动轴承用钢铬轴承用钢铬轴承用钢常用钢号应用最广的是常用钢号应用最广的是GCr15成分特点成分特点高碳：高碳：0.91.11%C合金元素：以合金元素：以Cr(0.5%-1.65%)为主，加入为主，加入Mn、Si。Cr、M
18、n、Si的主要作用是的主要作用是提高淬透性提高淬透性；Cr还提高还提高耐磨性耐磨性（形成合金渗碳体）和（形成合金渗碳体）和耐蚀耐蚀性性；且形成的碳化物稳定，可；且形成的碳化物稳定，可细化奥氏体晶细化奥氏体晶粒粒。当当1.65%Cr时，会因时，会因A增加而使硬度和尺寸增加而使硬度和尺寸稳定性下降；同时，由于形成稳定性下降；同时，由于形成碳化物不均匀碳化物不均匀分布分布而影响使用寿命和尺寸稳定性。而影响使用寿命和尺寸稳定性。强化状态：淬火强化状态：淬火+低温回火低温回火三、铬轴承钢制滚动轴承的加工工艺三、铬轴承钢制滚动轴承的加工工艺滚珠采用冷墩成型。滚珠采用冷墩成型。普通轴承套圈加工工艺：普通轴承
19、套圈加工工艺：锻造锻造预备热处理预备热处理(正火正火+球化退火球化退火)切削加切削加工工不完全淬火不完全淬火+低温回火低温回火磨削磨削去应力去应力1、锻造、锻造始锻温度小于始锻温度小于1100oC；终锻温度在终锻温度在800-850oC之间。之间。终锻温度过低：终锻温度过低：(1)两相区，易形成带状组织；两相区，易形成带状组织；(2)如在如在Ar1以下则易因奥氏体分解而造成塑性以下则易因奥氏体分解而造成塑性降低，使锻件出现锻裂。降低，使锻件出现锻裂。锻后采用吹风冷却，锻后采用吹风冷却，防止网状碳化物形成防止网状碳化物形成。2、预备热处理、预备热处理(正火、球化退火正火、球化退火)锻后出现网状碳
20、化物锻后出现网状碳化物或或终锻温度过高形成粗终锻温度过高形成粗大奥氏体大奥氏体时，需要使用正火。时，需要使用正火。目的：消除网状二次渗碳体目的：消除网状二次渗碳体细化晶粒细化晶粒若锻造规范合理，锻后组织若锻造规范合理，锻后组织为为S+细小弥散分布的二次细小弥散分布的二次渗碳体，则不需要正火渗碳体，则不需要正火。为为使钢易于切削，减小淬火时的变形、开裂使钢易于切削，减小淬火时的变形、开裂及过热倾向及提高接触疲劳强度和耐磨性及过热倾向及提高接触疲劳强度和耐磨性，需要使用需要使用球化退火球化退火工艺。工艺。球化退火目的：降低硬度便于切削；消除内球化退火目的：降低硬度便于切削；消除内应力；获得球状珠光
21、体，为淬火做组织准备。应力；获得球状珠光体，为淬火做组织准备。铬轴承钢铬轴承钢球化退火温度应适中球化退火温度应适中温度过高，得到的是片状产物；退火温度过温度过高，得到的是片状产物；退火温度过低，珠光体中的片状碳化物不能完全溶解，低，珠光体中的片状碳化物不能完全溶解，产物仍存在片状物。产物仍存在片状物。冷速越大弥散程度越高冷速越大弥散程度越高3、切削加工、切削加工影响切削因素：硬度和组织影响切削因素：硬度和组织球化后硬度：一般为球化后硬度：一般为HB179-207组织：球化较差，甚至有片状渗碳体，不利组织：球化较差，甚至有片状渗碳体，不利于切削（于切削（尺寸小且均匀，形状圆且分散好尺寸小且均匀，
22、形状圆且分散好）4、最终热处理、最终热处理目的：获得高硬度、强度和耐磨性目的：获得高硬度、强度和耐磨性工艺：工艺：不完全淬火不完全淬火+低温回火低温回火GCr15淬火后组织为淬火后组织为隐晶马氏体隐晶马氏体,硬度为硬度为HRC63-66铬轴承钢淬火后，铬轴承钢淬火后，若残余奥氏体量过多，需若残余奥氏体量过多，需要冷处理要冷处理。（防止零件尺寸发生变化）。（防止零件尺寸发生变化）最后的最后的精加工过程中，需防止磨削带来的高精加工过程中，需防止磨削带来的高温产生的应力，必要时需要去应力回火温产生的应力，必要时需要去应力回火。第六节第六节易切削钢易切削钢易切削钢易切削钢是在低碳、中碳或高碳的钢中是在
23、低碳、中碳或高碳的钢中加一加一种或几种合金元素种或几种合金元素，通过相应的工艺使其具，通过相应的工艺使其具有有良好的切削加工性能良好的切削加工性能。常加入常加入S、Pb、P及微量及微量Ca等元素改善切削性等元素改善切削性能能(中断钢基体利于排削；减小摩擦中断钢基体利于排削；减小摩擦)。S和和Mn形成颗粒，轧制时形成纤维组织，中形成颗粒，轧制时形成纤维组织，中断了钢基体的连续性，使钢易于切削和排削；断了钢基体的连续性，使钢易于切削和排削；同时硬度和摩擦系数低，减小刀具磨损。同时硬度和摩擦系数低，减小刀具磨损。Pb以以孤立颗粒形式存在孤立颗粒形式存在，中断钢基体而增加，中断钢基体而增加切削性；同时
24、切削产生热量使铅熔化，降低切削性；同时切削产生热量使铅熔化，降低了摩擦，从而提高刀具寿命。了摩擦，从而提高刀具寿命。编号编号Y12、Y40、Y40Mn为保持良好的切削性能，此类钢为保持良好的切削性能，此类钢不能预备热不能预备热处理处理；此类钢成本高。此类钢成本高。模模具具刃具刃具刃具刃具量具量具量具量具第八章第八章工具材料工具材料按工作条件和用按工作条件和用途工具钢分为途工具钢分为:刃具钢刃具钢；模具钢；模具钢；量具钢量具钢制造工具的材料：制造工具的材料：工具钢工具钢、硬质合金及陶瓷材料、硬质合金及陶瓷材料第一节第一节刃具钢刃具钢第二节第二节高速钢高速钢第三节第三节模具钢模具钢第四节第四节量具
25、钢量具钢第五节第五节硬质合金硬质合金刃具钢：用来制造各种切削刀具的钢种。刃具钢：用来制造各种切削刀具的钢种。第一节第一节刃具钢刃具钢一、刃具的工作条件及性能要求一、刃具的工作条件及性能要求刀刃具有足够的刀刃具有足够的硬度硬度能犁入金属，大的能犁入金属，大的切削压力切削压力，可能导致车刀可能导致车刀变形和断裂变形和断裂；与工件、切屑间的与工件、切屑间的摩擦摩擦，可能导致，可能导致刃口磨损刃口磨损；切削产生的热量使刀具切削产生的热量使刀具温度升高温度升高，可高达，可高达500oC；零件组织和尺寸的不均等，刀具受一定的零件组织和尺寸的不均等，刀具受一定的冲击载荷冲击载荷。失效形式：卷刃、失效形式：卷
26、刃、刃口崩断、刃口磨刃口崩断、刃口磨损、整体断裂等，损、整体断裂等，以磨损为主以磨损为主。切削加工的基本形式切削加工的基本形式性能要求性能要求1、高硬度、高硬度(HRC60),犁入工件，防止卷刃犁入工件，防止卷刃(含碳量高；淬火含碳量高；淬火+低温低温回火回火)。2、高耐磨性、高耐磨性靠高硬度和析出细小均靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。匀硬碳化物来达到。3、高红硬性、高红硬性即即高温下保持高硬度的高温下保持高硬度的能力能力。4、足够的韧性、足够的韧性以防止脆断和崩刃。以防止脆断和崩刃。取决于取决于Cr、W、Mo和和V等等的含量和回火时析出碳化的含量和回火时析出碳化物的类型和分布。物的类型
27、和分布。(1)Cr、W、Mo和和V能阻碍能阻碍马氏体中碳的扩散，钢马氏体中碳的扩散，钢的回火抗力高的回火抗力高；(2)这些元素含量高时，能这些元素含量高时，能析出相应的碳化物，有析出相应的碳化物，有二次硬化二次硬化的效果。的效果。(二二)工艺性能工艺性能锻造锻造预备热处理预备热处理机械加工机械加工淬火淬火+回火回火精加工精加工较宽的锻造温度范围，较宽的锻造温度范围，锻裂、冷裂、析出网锻裂、冷裂、析出网状碳化物倾向低状碳化物倾向低；球化退火后硬度低球化退火后硬度低，形成珠光体倾向低；，形成珠光体倾向低；良好的淬透性和淬硬性，淬后变形、开裂倾良好的淬透性和淬硬性，淬后变形、开裂倾向小；高温时，不易
28、过热和脱碳；向小；高温时，不易过热和脱碳；抗磨裂性好。抗磨裂性好。制造刃具钢的钢种：制造刃具钢的钢种：碳素刃具钢、低合金刃碳素刃具钢、低合金刃具钢和高速钢具钢和高速钢。二、碳素刃具钢二、碳素刃具钢(一一)碳素刃具钢使用性能特点碳素刃具钢使用性能特点马氏体中碳质量分数在马氏体中碳质量分数在0.6%以上时，具有以上时，具有较较高硬度；高硬度；组织中的多余碳化物组织中的多余碳化物可提高耐磨性；可提高耐磨性；过多的含碳量影响淬火后钢的过多的含碳量影响淬火后钢的强度和韧性。强度和韧性。综合考虑硬度、耐磨性、强度和韧性，碳素综合考虑硬度、耐磨性、强度和韧性，碳素刃具钢碳含量在刃具钢碳含量在0.65%-1.
29、35%范围内。范围内。碳素刃具钢包括：碳素刃具钢包括：亚共析钢、共析钢和过共析钢。亚共析钢、共析钢和过共析钢。碳素刃具钢的缺陷（限制了其使用范围）：碳素刃具钢的缺陷（限制了其使用范围）：1、高碳片状马氏体中含有较多碳化物，使高、高碳片状马氏体中含有较多碳化物，使高碳钢韧性降低，碳钢韧性降低，脆性增加脆性增加。2、高于、高于250oC回火后碳的析出使硬度显著降回火后碳的析出使硬度显著降低，导致其低，导致其红硬性较低红硬性较低。(二二)碳素刃具钢工艺性能的特点碳素刃具钢工艺性能的特点(过共析钢过共析钢)工艺：下料工艺：下料锻造锻造预处理预处理机械加工机械加工淬淬火、回火火、回火精加工精加工过共析钢
30、的锻造目的：过共析钢的锻造目的：与被加工工件相近的尺寸和形状；与被加工工件相近的尺寸和形状；使碳化物分布均匀使碳化物分布均匀(与亚共析钢的差别与亚共析钢的差别)。过共析钢始锻温度比亚共析钢低过共析钢始锻温度比亚共析钢低60-70oC，应应防止过烧防止过烧；终锻温度也不能过高，；终锻温度也不能过高，防止网防止网状碳化物析出状碳化物析出。过共析钢始既有冷裂倾向过共析钢始既有冷裂倾向(不易过快不易过快)，又易析，又易析出网状碳化物出网状碳化物(不易过慢不易过慢)。球状珠光体球状珠光体预备热处理预备热处理正火正火+球化退火球化退火正火目的：消除网状碳正火目的：消除网状碳化物化物(球化退火无法实现球化退
31、火无法实现)球化退火目的：球化退火目的：1、降低硬度、降低硬度,便于加工便于加工;2、细化组织为淬火作、细化组织为淬火作组织准备组织准备;3、消除应力。、消除应力。碳化物球化程度越碳化物球化程度越高，越利于切削。高，越利于切削。T12钢正常淬火组织钢正常淬火组织热处理：淬火热处理：淬火+低温回火低温回火淬火目的：提高硬度和耐淬火目的：提高硬度和耐磨性。磨性。使用状态下的组织：使用状态下的组织：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A回火目的：消除内应回火目的：消除内应力，降低脆性。力，降低脆性。温度为温度为150-180oC。对于对于亚共析钢亚共析钢采用采用完全淬火完全淬火，得到组织为得到组织为细
32、针状马氏体细针状马氏体。对于对于过共析钢过共析钢采用采用不完全淬不完全淬火火，最后组织为，最后组织为隐晶马氏体隐晶马氏体和未溶碳化物。和未溶碳化物。碳素钢淬透性低，碳素钢淬透性低，采用水冷采用水冷木木工工凿凿手锤手锤手锤手锤木工钻木工钻T+数字数字(含碳量的千分之几含碳量的千分之几)+A(高级优质钢高级优质钢)亚共析刃具钢亚共析刃具钢(T7、T7A)：良好的强韧性，：良好的强韧性，制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。凿子、锤子等。共析刃具钢共析刃具钢T8、T8A：良好的淬透性，无网状碳化物析：良好的淬透性，无网状碳化物析出，可制造大截面刃具
33、。出，可制造大截面刃具。丝锥丝锥锉刀锉刀手锯条手锯条钻钻头头过共析刃具钢过共析刃具钢T10T11：制造硬度和耐磨性较高的切削工制造硬度和耐磨性较高的切削工具具，如钻头、丝锥、车刀等。，如钻头、丝锥、车刀等。T12T13：韧性低，不易受冲击韧性低，不易受冲击，制造耐磨，制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。工具，如锉刀、锯条等。低合金工具钢制品低合金工具钢制品三、低合金工具钢三、低合金工具钢由碳素工具钢基础上由碳素工具钢基础上加入少量合金元素加入少量合金元素(35)形成。形成。克服了碳素刃具钢的克服了碳素刃具钢的低淬透性和低红硬性低淬透性和低红硬性的缺点的缺点。合金元素作用合金元素作用提高淬透性提高淬透
34、性:Cr、Mn、Si提高耐回火性及耐提高耐回火性及耐磨性磨性：Cr、Mn、V、Si细化晶粒细化晶粒:W、V锻造锻造中除中除防网、条状状碳化物防网、条状状碳化物外，还要外，还要使莱使莱氏体均匀分布氏体均匀分布。Cr、Si、W、V缩小缩小区，从而析出莱氏体，区，从而析出莱氏体，若分布不均会导致脆性增加，并且莱氏体无若分布不均会导致脆性增加，并且莱氏体无法通过热处理消除。法通过热处理消除。低合金刃具钢低合金刃具钢导热性低，加热需缓慢导热性低，加热需缓慢，防温，防温度不均产生应力而开裂度不均产生应力而开裂。严格控制锻后冷却速度，严格控制锻后冷却速度，过快则出现冷裂，过快则出现冷裂，过慢则析出网状渗碳体
35、过慢则析出网状渗碳体。工艺性能工艺性能丝丝锥锥板牙板牙低合金工具钢扳手低合金工具钢扳手淬火选用缓和冷却介质，淬火选用缓和冷却介质，防止变形和开裂。防止变形和开裂。淬火淬火介质为油介质为油(碳素工具钢为碳素工具钢为水水)。使用状态下的组织为：使用状态下的组织为：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A根据淬透性低合金刃具根据淬透性低合金刃具钢分为钢分为低淬透性和高淬低淬透性和高淬透性透性两类。两类。高速钢冷轧钢带高速钢冷轧钢带高速钢形材高速钢形材第二节第二节高速钢高速钢俗称风钢，制造高速切削刃具用钢。俗称风钢，制造高速切削刃具用钢。性能特点性能特点:高红硬性高红硬性(600)、高淬透性、高淬透性成分
36、特点成分特点高碳高碳:0.701.5%C合金元素合金元素提高淬透性：提高淬透性：Cr提高红硬性：提高红硬性：W耐磨性耐磨性:W、Mo、V W18Cr4V(又称又称18-4-1)w(C)=0.7-0.8%;w(W)=17.5-19%;w(Cr)=3.8-4.4%;w(V)=1-1.4%。W以以Fe4W2C形式存在。形式存在。1、加热时，、加热时，部分溶于奥氏体部分溶于奥氏体，起稳定作用，起稳定作用(淬透性淬透性)；淬火后存在于马氏体，；淬火后存在于马氏体，强化马氏强化马氏体和提高马氏体回火稳定性体和提高马氏体回火稳定性。钢回火时钢回火时(560oC左右左右)，W2C析出并弥散分布，析出并弥散分布
37、，产生产生二次硬化二次硬化效果。效果。2、另一部分、另一部分Fe4W2C不溶于奥氏体，不溶于奥氏体，可防奥可防奥氏体长大，提高钢耐磨性氏体长大，提高钢耐磨性。Cr与碳结合成与碳结合成Cr23C6，奥氏体化时分解奥氏体化时分解，Cr溶入奥氏体溶入奥氏体中，中，增加淬透性增加淬透性；强碳化物形成元素强碳化物形成元素V，以，以V4C3形式存在，硬形式存在，硬度高，奥氏体化时度高，奥氏体化时部分分解溶入奥氏体部分分解溶入奥氏体中；中；另一部分仍以碳化物形式存在另一部分仍以碳化物形式存在，可细化晶粒，可细化晶粒，从而增加韧性，同时起到弥散强化的作用，从而增加韧性，同时起到弥散强化的作用，增加耐磨性。增加
38、耐磨性。0.7-0.8%质量分数的质量分数的碳碳即能保证即能保证马氏体中马氏体中含含有足够的有足够的过饱和碳过饱和碳，且能为，且能为碳化物形成碳化物形成提供提供碳。碳。W18Cr4V钢的铸态组织钢的铸态组织高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由织，由鱼骨状莱氏体与树枝状鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成组成。二、二、W18Cr4V的铸态组织的铸态组织莱氏体中碳化物含量为莱氏体中碳化物含量为27-28%碳化物分布不均：碳化物分布不均：钢的抗弯强度与塑钢的抗弯强度与塑性显著降低；机械性显著降低；机械性能和热处理后的性能和热处理后的变形呈各向异性；变形呈各向异
39、性；易崩刀，易引起奥易崩刀，易引起奥氏体变大，增大淬氏体变大，增大淬火应力。火应力。碳化物的均匀分布无法通过热处理实现，只碳化物的均匀分布无法通过热处理实现，只能通过热加工改善。能通过热加工改善。锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。均匀分布于基体中。锻造开始下压量要小，保证碳化物铸件破碎，锻造开始下压量要小，保证碳化物铸件破碎，防止钢开裂；且大型刃具需反复镦拔。防止钢开裂；且大型刃具需反复镦拔。加工工艺路线：下料加工工艺路线：下料锻造锻造退火退火机加工机加工淬火淬火回火回火磨削磨削W18Cr4V钢的退火组织钢的退火组织退火目的：降低硬度
40、，便于切削加工；为淬退火目的：降低硬度，便于切削加工；为淬火作组织准备，火作组织准备，采用球化退火采用球化退火。退火后组织：退火后组织：S+颗粒状碳化物颗粒状碳化物W18Cr4VW18Cr4V钢的淬火组织钢的淬火组织Fe77W18Cr4V1C相图相图淬火目的淬火目的:获得高获得高合金元素含量的马合金元素含量的马氏体。氏体。淬火后组织：淬火后组织：M+未溶碳化物未溶碳化物(10%)+A(30%)淬火工艺：加热温度远淬火工艺：加热温度远大于大于Ac1，1280oC过低无法实现各种碳化过低无法实现各种碳化物溶解；物溶解；过高奥氏体急剧长大，过高奥氏体急剧长大，还容易过烧还容易过烧硬度与回火温度关系硬
41、度与回火温度关系回火目的：回火目的：主要为减少主要为减少A。消除内应力、稳定组织。消除内应力、稳定组织。残余奥氏体中，碳及残余奥氏体中，碳及合金元素含量下降，合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，点上升，回火冷却时，A转变为转变为M，称，称二次淬火二次淬火。每次回火加热都使前一次每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。的淬火马氏体回火。常用常用560三次回火。三次回火。回火时的组织变化：回火时的组织变化：析出弥散小的析出弥散小的W、Mo、V的碳化物，产生的碳化物，产生二次硬化二次硬化。W18Cr4V钢热处理工艺示意图钢热处理工艺示意图W18Cr4V钢淬火、回火后的组织钢淬火、回火后的组织使
42、用状态下组织：使用状态下组织：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)不同状态下W18Cr4V的组织铸态铸态淬火回火态淬火回火态淬火态淬火态退火态退火态车刀车刀铣刀铣刀高速钢铣刀高速钢铣刀常用钢号为常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。钻头等。Mo的存在降低碳化物偏析程度，的存在降低碳化物偏析程度，提高热塑提高热塑性性，为热成型创造条件；另外碳化物分布，为热成型创造条件；另外碳化物分布不均性小，不均性小，提高了最后的强度和韧性提高了最后的强度和韧性，其，其碳
43、化物在奥氏体中的溶解性好于碳化物在奥氏体中的溶解性好于W，因此，因此淬火不需要过高的温度淬火不需要过高的温度。第三节第三节 模具钢模具钢模具钢：用于制作模具的钢材。模具钢：用于制作模具的钢材。按照被加工毛坯状态分：按照被加工毛坯状态分：冷作模具钢冷作模具钢和和热作热作模具钢模具钢。一、冷作模具钢一、冷作模具钢加工方式的差别导致工作条件各异。加工方式的差别导致工作条件各异。冲裁模：冲裁模：工作中应保持工作中应保持刃口的完整锐利，不变形，不刃口的完整锐利，不变形，不易磨损易磨损；刃口具有刃口具有高硬度高硬度、良好耐磨性良好耐磨性和和强韧性强韧性。镦锻模和挤压模：镦锻模和挤压模：工作中模具工作中模具
44、冲头受很大的压力，而凹模受张冲头受很大的压力，而凹模受张力力；且金属流到导致模具受到；且金属流到导致模具受到摩擦摩擦并产生热并产生热量。量。应具有应具有高硬度高硬度，好的，好的强韧性强韧性和高的和高的断裂抗力断裂抗力和和高耐磨性高耐磨性。其他冷作模具工作条件介其他冷作模具工作条件介于冲裁和冷镦、冷挤压模于冲裁和冷镦、冷挤压模之间之间冷作模具在工作条件上与刃具类似，一般可冷作模具在工作条件上与刃具类似，一般可用刃具用钢制造冷作模具。用刃具用钢制造冷作模具。差别：差别：1、冷作模具钢热处理后变形尽量小；、冷作模具钢热处理后变形尽量小；2、红硬性要求不高，但对强韧性、耐磨性、红硬性要求不高，但对强韧
45、性、耐磨性、淬透性较高。淬透性较高。二、热作模具钢二、热作模具钢与冷作模具比，最大差别为：与冷作模具比，最大差别为：工作温度较高，如机锻模在工作温度较高，如机锻模在700oC以上，需以上，需要冷却。要冷却。受力为受力为机械作用力机械作用力和和循环热应力循环热应力。曲轴模具曲轴模具曲轴模具曲轴模具热模锻曲轴毛坯热模锻曲轴毛坯性能要求：性能要求：1、高的变形抗力（反应模具抗坍塌能力）、高的变形抗力（反应模具抗坍塌能力）具有较高的硬度，回火抗力、热稳定性和高具有较高的硬度，回火抗力、热稳定性和高温硬度。温硬度。2、良好的断裂抗力、良好的断裂抗力较高的抗拉强度、断裂韧性及冲击韧性较高的抗拉强度、断裂韧
46、性及冲击韧性失效形式：塑性变形、断裂、磨损、失效形式：塑性变形、断裂、磨损、热疲劳热疲劳。热疲劳由循环热应力导致，裂纹不深，但加热疲劳由循环热应力导致，裂纹不深，但加速磨损。速磨损。4、良好的淬透性、良好的淬透性热作模具较大，因此需要好的淬透性。热作模具较大，因此需要好的淬透性。为保证良好的综合性能使用为保证良好的综合性能使用调质处理调质处理。3、高的热疲劳抗力、高的热疲劳抗力碳量不易过高碳量不易过高(0.5%-0.6%)，保证高导热能力，保证高导热能力和热疲劳抗力。和热疲劳抗力。W和和Mo只增加热强性，但降低热疲劳抗力只增加热强性，但降低热疲劳抗力W量量5%时，增加时，增加Cr可显著提高可显
47、著提高热疲劳抗力。热疲劳抗力。第四节第四节 量具钢量具钢卡尺卡尺塞规塞规千分尺千分尺精密块规精密块规制造各种量具用钢。制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块如千分尺、卡尺、块规、塞规等。规、塞规等。量具在使用过程中与被测零件接触，承受量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩摩擦擦，还存在，还存在时效效应时效效应。时效效应：由于时效效应：由于组织和应力组织和应力上的原因，会引上的原因，会引起量具在长期使用或存放中尺寸精度的变化。起量具在长期使用或存放中尺寸精度的变化。原因原因：(1)残余奥氏体转变为马氏体，发生膨胀；残余奥氏体转变为马氏体，发生膨胀；(2)马氏体分解，体积收缩；马氏体分解，体积收缩；
48、(3)残余应力变化及重新分布引起塑性变形。残余应力变化及重新分布引起塑性变形。性能要求性能要求高硬度和耐磨性高硬度和耐磨性(淬火淬火+低温回火低温回火)；高高的尺寸稳定性。的尺寸稳定性。足够的韧性。足够的韧性。常用钢种常用钢种碳素工具钢碳素工具钢如如T10A，适宜制造精度不很高的量具，如量，适宜制造精度不很高的量具，如量规等。规等。高碳合金工具钢高碳合金工具钢如如GCr15，用于制造高精度量具，如块规等。，用于制造高精度量具，如块规等。渗碳钢渗碳钢如如15、15Cr，用于制造长形或平板型量具，用于制造长形或平板型量具，如卡规、直尺等。如卡规、直尺等。量具钢的热处理工艺：淬火量具钢的热处理工艺：
49、淬火+低温回火低温回火附加热处理：附加热处理：(1)淬火前调质处理淬火前调质处理得到与马氏体体积相当的回火索氏体，降低得到与马氏体体积相当的回火索氏体，降低淬火应力，减少时效效应的影响。淬火应力，减少时效效应的影响。(2)常规处理之间的冷处理常规处理之间的冷处理使残余奥氏体转变为马氏体，增加稳定性。使残余奥氏体转变为马氏体，增加稳定性。(3)常规处理后的时效处理常规处理后的时效处理稳定磨削后的二次淬火层组织。稳定磨削后的二次淬火层组织。硬质合金硬质合金是将一些是将一些难熔的化合物粉末和粘结难熔的化合物粉末和粘结剂剂混合，加压成型，再经烧结而成的一种粉混合，加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材
50、料。末冶金材料。硬质合金的特点：硬质合金的特点：硬度高、热硬性好、耐磨性优良硬度高、热硬性好、耐磨性优良。切削速切削速度可比高速钢提高度可比高速钢提高47倍，刀具寿命可提高倍，刀具寿命可提高580倍倍。硬质合金的分类：硬质合金的分类：金属陶瓷硬质合金金属陶瓷硬质合金，钢钢结硬质合金结硬质合金第五节第五节硬质合金钢硬质合金钢金属陶瓷硬质合金金属陶瓷硬质合金：将一些将一些难熔的金属碳化物粉末难熔的金属碳化物粉末（如（如WC、TiC等等)与与粘结材料粘结材料(Co、Ni等等)混合加压成型，再混合加压成型，再经烧结而成的粉末冶金材料。经烧结而成的粉末冶金材料。（1）钨钴类）钨钴类：YG3、YG6、YG