碳素工具钢

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碳素模具钢系列之碳素工具钢的一般特性

    碳素模具钢:由于碳素模具钢具有加工性能好、价格便宜、原料来源方便等优点,广泛地用于制造形状简单的小型模具或精度要求不高、使用寿命不需要很长的模具。对于冷作模具钢,一般采用含碳量在0.7%~1.3%的高碳碳素模具钢(即碳素工具钢)制造;对于塑料模具,一般采用含碳量为0.4%~0.6%的碳素塑料模具钢制造,下面分别叙述。
 
    碳素工具钢的一般特性:碳素工具钢的含碳量在0.7%~1.3%范围内。其主要的特点是热处理后可得到高硬度和高耐磨性;退火硬度低、加工性能良好;生产成本低、原材料来源方便,因此被广泛采用制造模具。但是,这类钢的红硬性差,当工作温度高于250℃时,钢的硬度和耐磨性急剧下降。而使模具失去工作能力。另外,其淬透性低,较大的模具不能淬透,如有效厚度大于15mm的模具,水淬只能使表面层得到高硬度,而且由于表面与中心部分之间的硬度相差很大(淬硬层 60~65HRC,中心部分40~45HRC),模具淬火时容易形成裂纹。工具钢的淬火温度范围窄,淬火变形大,因此在热处理操作中要严格控制温度,以防止过热、脱碳和变形。因此,较大的模具采用碳素工具钢来制造是不适宜的。
    当钢中碳含量在 0.6%以上时,随着含碳量的增加,淬火硬度较缓慢地增加。对于有效厚度为1~5mm 的模具,水淬后,当含碳量为0.6%~0.7%时,硬度可达到 62~63HRC。但对于尺寸较大的模具,要获得同样高的表面硬度,必须使碳含量增加到 0.8%~0.9%,这是由于截面大的模具冷速较低,冷却时奥氏体中有少量的渗碳体析出,从而减少马氏体中的碳含量所致,当钢中碳含量增加到0.9%~1.0%以上时,硬度可提高到 65HRC。
    碳素工具钢大多在低温回火后使用,回火时硬度有所降低,下降趋势亦与碳含量有关,碳含量较高的钢,回火时硬度降低较少,这是由于钢中析出的碳化物颗粒较多而阻止硬度的下降。硬度与耐磨性有很大的关系,实践表明,工具钢的硬度在 60~62HRC 以下时,耐磨性急剧降低。除了硬度之外,工具钢的耐磨性还与显微组织中的残余碳化物数量的多少、大小、形状和分布有关,例如,在硬度基本相同的情况下,碳含量为1.1%的过共析碳素工具钢的耐磨性就比碳含量为0.8%的共析碳素工具钢来得好,T12 钢也应该比 T10 钢的耐磨性稍高。但是,碳含量过高时,由于渗碳体量增多,渗碳体颗粒可能变得粗大和分布不均匀,当受摩擦时,易使这些渗碳体从金属基体中剥落。
    碳含量对于经淬火及低温回火后钢的强度和塑性也有影响,对于亚共析钢而言,随着碳含量的增加,淬火后钢的强度增加,到碳含量为0.6%~0.7%时,达到最大值;随后则降低,接近共析成分时为最低。当碳含量超过1.15%时,由于渗碳体分布不均匀,强度又下降总的说来,随着碳含量的增加,钢的韧性逐渐下降。
    碳素工具钢通常用电弧炉或平炉进行冶炼。由于钢中的碳含量较高,导热性较差,在热加工时,钢锭或大型钢坯加热时的装炉温度不宜过高,升温速度(尤其是在低温下)不宜过快,以免产生过大的热应力而造成裂纹。加热时必须保证钢材烧透;但是,在高温停留时间不宜过长,以免造成严重脱碳。热加工(锻、轧)时,要保证热加工后钢中网状碳化物能够大部分被破碎。因为钢中存在不均匀或粗大碳化物,会使钢材质量变坏,切削加工变得困难、模具在热处理时容易开裂、热处理后的硬度不均匀、使用时易崩刃。因此,锻、轧热加工碳素工具钢时,必须要有适当的压缩比(一般大于 4);对于碳含量高的T12 及T13 钢,有时还须采用镦粗拔长的方法来进行锻造,以使钢中的碳化物均匀细化。碳素工具钢的终锻、终轧温度一般以 800℃左右为宜,锻、轧加工后应迅速冷至 650℃,然后进行缓冷,以免析出粗大或网状的碳化物。
    热加工后的碳素工具钢具有珠光体组织,硬度较高,而且其组织也不符合最终热处理的要求。为了改善钢材的切削加工性能和为最终热处理作组织准备,需要进行球化退火,退火后的组织和硬度应符合 GB 1298—2008 的要求;在钢中不允许有连续网状的碳化物存在,破碎的网状碳化物按 GB 1298—2008 标准所附的第二级别图评定。
    淬火后得到马氏体组织,使模具钢具有高硬度和耐磨性。淬火后不可避免地存在一定数量的残余奥氏体和粗大的马氏体,降低钢材的机械强度并增加脆性,故对于用高碳钢制造的模具淬火马氏体级别有一定的限制。否则模具使用时易发生脆性损坏。碳素工具钢的淬火加热温度一般根据钢的临界点来选择,取A,以上 30~50℃,但A.点高的钢,淬火温度也可以高一些。为了提高尺寸较大模具的表面硬度,可考虑采用较高的淬火温度。小尺寸的模具,可以选择较低的淬火温度以得到良好的力学性能。为了减少模具的淬火变形及开裂,在尺寸大小或使用条件允许的情况下,应选用冷却能力较缓慢的冷却介质,此时,可采用较高的淬火温度。例如,在油或硝盐中淬火的模具,加热温度比水淬的提高 20℃左右,以便仍能得到较深的淬硬层和较高的硬度。由于提高淬火温度而引起力学性能的降低,可由冷却缓慢使淬火内应力的减少得到一定程度的抵消。若原始组织中为细片状和点状珠光体组织,加热时渗碳体易溶解,应选择较低的加热温度;具有粗球化珠光体组织的钢,可选择较高的淬火加热温度。淬火保温所需要的时间,必须保证模具内部达到淬火温度并形成碳浓度均匀的奥氏体,否则淬火后将不能得到良好的性能。当然,过长的保温时间,也会使模具过热、表面脱碳、浪费能源和降低生产率。在淬火加热时,为了防止模具表面的氧化和脱碳,-般在盐浴中进行加热。因为碳素工具钢淬透性低,对于有效厚度为 5mm 的模具一般用油淬;有效厚度为5~10mm 的模具,可在 150~160℃的硝盐浴中分级淬火;有效厚度为10~ 15mm 的模具,可在 140~160℃的碱浴中分级淬火;有效厚度为 15-~18mm 的模具,在水中可以淬透,但容易产生很大的内应力和变形,因此,碳索工具钢仅适宜制造小截面的模具。碳素工具钢在淬火后具有高硬度,但存在淬火内应力,塑性低、强度也不高,必须经过回火,以改善其力学性能。低温回火时,在钢中s-碳化物(Fe,C)从马氏体中析出,具有很高的弥散度、马氏体中碳含量下降,钢的硬度有点降低,但是强度和塑性提高,从而减少了模具的崩刃现象。随着回火温度的提高,钢中的残余奥氏体量减少,至 250℃基本上分解完毕。高于200℃回火、钢的硬度、强度性能迅速下降。因此,使用碳素工具钢制造的模具,一般采用低温回火(≤200℃),对于制造锻模用的模具钢,为了得到高的韧性,回火温度可提高至 350~450℃。
    亚共析成分的碳素工具钢,如T7 钢具有较好的塑性和强度,适于制作承受冲击负荷的工、模具(如锻模、凿子、锤子等)和切削软材料的刀具(如木工工具)。T8、T9 钢淬火加热时容易过热,但硬度和耐磨性较高,一般用于制造形状简单的模具和切削软金属的刀具和木工工具。过共析成分的碳素工具钢,如碳含量在 0.95%~1.15%之间的 T10、T11 钢,在780~ 800℃加热,仍保持细品粒组织,而且淬火后钢中有未溶的过剩碳化物,有利于耐磨,所以,这种钢应用较广,适宜制造耐磨性要求较高的模具,如冷冲模、拉丝模、切边模等。碳含量在 1.15%-1.35%之间的T12、T13钢,淬火后有较多的过剩碳化物,因此耐磨性和硬度高,韧性低,不宜制造承受冲击载荷的工、模具,而适于制造拉丝模、丝锥、板牙等。
 
 
 


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