工具钢之低合金钢号的分析

工具钢之低合金钢号的分析
9SiCr
9SiCr钢含0.85%~95%C、1.20%~0.60%Si、0.95%~1.25%Cr。属于过共析钢。
9SiCr是低合金刃具用钢,但也常常制作冷作模具。该钢号最早引自苏联9XC,过去曾称作9CrSi钢,成分与性能和9XC(ГOCT)完全一样,在我国已有很长的应用历史。外国同类钢号仅有德国的90CrSi5(DIN)、瑞典的2092(SS)和SR1855(UHB、Bofors)及DF-1(ASSAB)。其他国家未见有相似钢号。
9SiCr钢由于Si、Cr的共同作用,使钢具有较高的淬透性,油淬临界直径在25~43mm之间,¢50~60mm的工具,在硝盐中可以淬硬,¢70~80mm的工具可在中淬硬。
由于Si在钢中是非碳化物形成元素,所以,此钢碳化物数量较少,且比较均匀、细小,适宜制造丝锥、板牙、搓丝板、滚丝模等刃具和冷作模具,使用时不易崩刃。
由于Si的作用,使钢具有脱碳敏感性。
由于Si、Cr提高钢的临界点,9SiCr钢正常淬火加热温度为850~870℃,比GCr15钢和CrWMn钢都高,淬火后硬度可达HRC63~65。
由于Si、Cr的作用,使钢的回火稳定性增加,在200℃回火后硬度仍可保持在HRC62左右。
9SiCr钢的淬透性较好,适宜等温淬火。例如,用9SiCr钢制造螺栓十字槽冲模,经900℃加热,260~280℃等温30min,可获得体积分数为35%左右的下贝氏体组织(余下的为马氏体、残余奥氏体及剩余细小碳化物),硬度为HRC57~59,强韧性很好,使模具寿命比常规处理的冲模提高3倍。
另外,9SiCr钢中的碳化物带状偏析和液析相对GCr15和CrWMn钢较轻。
CrWMn
CrWMn钢含碳0.9%~1.05%,含铬0.90%~.20%,含钨1.20%~1.60%,含锰0.80%~1.10%。属于过共析钢,其过共析程度大于9SiCr。
此钢引自苏联的XBГ(ГOCT),YB-1959纳入标准,在我国有较长的应用历史,应用广泛。
国外同类型的钢号有日本SKS31(JIS),韩国的STS31(KS),德国的105WCr6(DIN),法国的105WCr5(NF)。美国的O1(AISI)是介于9CrWMn和CrWMn之间的钢,O1钢的主要合金元素Cr、W的含量比CrWMn低,但含有0.20%的V,性能不如CrWMn。
CrWMn钢的淬透性比GCr15及9SiCr好,直径¢40~50mm的工模具可在硝盐中淬透。因为钨的碳化物比较稳定,淬火加热时不易溶解,阻碍晶粒长大,因此,奥氏体晶粒较细。又因有锰的存在,使淬火后有较多的残余奥氏体,因而淬火畸变小,习惯上称为微变形钢。钨、铬都是较强的碳化物形成元素,锰是弱碳化物形成元素,加之钢的含碳量都很高,钢材中有较多的碳化物,经淬火、回火后的组织同样有较多的剩余碳化物,硬度高,耐磨性好。但是,其碳化物不均匀性也较严重,大直径钢材的中心区域很难避免二次网状碳化物、碳化物带状偏析和液析。碳化物带状偏析和液析都比GCr15钢和9SiCr钢严重,常常是工模具脆断、崩刃、剥落的主要原因。
因CrWMn钢易出现二次碳化物网,因此,在球化退火前应应加一道较高温度(960~980℃)的正火工序,其正火的冷却速度也应快些,以防止二次碳化物重新析出。
CrWMn钢正常淬火加热温度为830~840℃,可采用油淬、热油淬、硝盐分级或硝盐等温淬火等方法。
CrWMn钢回火稳定性比较高,在260℃以下回火,硬度仍可大于HRC60。在250~300℃区间内回火时,有第一类回火脆性发生。
CrWMn钢淬透性好,是适宜等温淬火的低合金工具钢之一。由于等温淬火可获得较多的下贝氏体组织及较多的残余奥氏体,因此,淬火畸变很小。据文献介绍,CrWMn钢中的下贝氏体量的体积分数在50%左右时,各项力学性能指标最好。CrWMn钢的Ms点约在250℃左右,等温温度可选择在260~300℃之间(常用280℃),等温时间不超过1h。常规淬火、回火工艺和等温淬火工艺处理试样的力学性能对比见表2-18。由表可知,具有体积分数为50%的下贝氏体的等温淬火工艺,其强韧性优于常规淬火、回火工艺。
表2-18  常规淬火、回火工艺和常规淬火工艺处理的试样性能对比
热处理工艺 硬度HRC 抗拉强度Rm/MPa 屈服强度ReL/MPa 静弯断裂负荷/N 挠度f/mm 断裂韧度KIc(Mpa/m3/2)
860℃加热,油冷,0250℃回火 60.5 1887 1566 6321 0.165 19.3
860℃加热,260℃等温1h 60
50%B下 2021 1573 6752 0.172 20.8
CrWMn钢碳化物偏析和二次碳化物网易于形成,常常导致断裂、崩刃。为了改善CrWMn钢中的碳化物的粒度和分布,减轻,甚至消除碳化物带状偏析和液析的恶劣影响,推荐采用碳化物超细化工艺或双细化处理工艺。
 9Mn2V
9Mn2V含碳量为0.85%~0.95%,含锰量为1.70%~2.00%,含钒量为0.10%~0.25%。
9Mn2V钢是利用我国丰富的锰、钒资源研制出来的不含铬的低合金工具钢。
国外同类型的钢号有90Mn2V(ISO),美国为O2(AISI),欧共体的90Mn2V8(EN),英国的B02(BS),法国的90MnV8(NF),德国的90MnCrV8(DIN)(此钢含有0.20%~0.50%的铬)。
9Mn2V钢适宜制作碳素工具钢不能满足要求的冷作模具和塑料模具。
9Mn2V钢中含有质量分数高达1.70%~2.00%的锰,主要是为了提高钢的淬透性。加热时,锰的碳化物(Fe、Mn)3C易于溶解,晶粒易于长大,增加了钢材的过热敏感性。加入钒可以起到抑制晶粒长大的作用,细微的VC质点能有效地细化晶粒,也能抑制二次碳化物网的析出,可使大断面的模具中心碳化物网一般小于2级。总的来说,碳化物量比CrWMn钢要少,但碳化物的颗粒度较大,因此,耐磨性不及CrWMn钢,但仍比T10钢的耐磨性要高6~7倍。钢的碳化物不均匀性一般较好,是最容易锻造和机械加工的工模具钢。锰有促进树枝状偏析的倾向,轧制成材后有时出现骨骼状分布的碳化物堆积,是促成工模具开裂失效的内在因素,但出现的几率不是很高,应加强对轧后钢材的质量检验。
锰使钢的Ms点下降,因此,淬火后残余奥氏体量较多,尤甚于CrWMn钢,因此,淬火畸变比CrWMn钢要小,但尺寸稳定性不及CrWMn钢。9Mn2V钢的淬透性接近9SiCr钢,低于CrWMn钢;回火稳定性甚差,几乎与碳素工具钢相近。
9Mn2V钢的球化退火多采用等温退火工艺,即加热温度760~780℃,保温2~4h,然后降温至680~700℃,等温5~6h。退火后的硬度小于等于HBS229。正常的淬火加热温度为780~820℃,低于前面介绍的9SiCr和CrWMn,可采用油冷淬火或硝盐分级淬火。油冷淬火的临界直径为30mm左右,与9SiCr钢相近。
9Mn2V钢的回火稳定性较差,200℃回火后硬度就可降至HRC60以下。因此,一般采用160~180℃回火,而且在200~230℃之间回火有回火脆性发生。250℃回火后硬度已下降到HRC57左右。
 Cr2、9Cr2、Cr06
⑴Cr2钢含0.95%~1.10%C,1.30%~1.65%Cr。
Cr2钢是在碳素工具钢T0A的基础上添加一定量的铬,因此,钢的淬透性提高,硬度、耐磨性及接触疲劳强度等均比碳素工具钢高。淬火畸变小。该钢在成分上与滚动轴承钢GCr15相同,但Cr2是量具刃具钢,GCr15是轴承钢,各有特点,不能等同。另外,Cr2钢在淬火、回火时尺寸变化不大。由于这些特点,Cr2钢广泛应用于量具,如样板、卡板、样套、量规、块规、环规、螺纹塞规和样柱等,也可以用于制造拉丝模和冷镦模等冷作模具。Cr2钢还可以用地低速的刀具,切削不大硬的材料,还可作为冷轧辊用钢。
Cr2钢球化退火温度为770~790℃,退火后的硬度为HBS187~229。正火温度为930~950℃,用于消除网状碳化物。正常淬火温度为830~850℃,油淬,硬度为HRC62~65。硝盐分级淬火后硬度为HRC61左右。150~170℃回火后硬度为HRC60~62,170~190℃回火后硬度为HRC58~60,显然,回火稳定性不高。
⑵9Cr2含0.80%~0.95%C,1.30%~1.70%Cr。含碳量比Cr2钢下降了0.15%,韧度和碳化物不均匀性优于Cr2,淬透性几乎与Cr2钢相等。此钢主要用于制造冷轧辊。
此钢球化退火温度为770~790℃,退火后硬度为HBS179~229。常用淬火温度为820~850℃,油淬,硬度HRC62左右。回火温度160~250℃,硬度为HRC62~68。
⑶Cr06钢含1.30%~1.45%C,0.50%~0.70%Cr。
此钢含碳量很高,含铬量低,显然钢中含有大量的过剩碳化物,材料脆性较大,耐磨性好,淬透性较低,可用水淬。
Cr06钢主要用于制作薄刃、不受冲击的刃具,如刮脸刀片、剃头刀等。
Cr06钢球化退火温度为780~800℃,退火后的硬度为HBS241~187。水淬淬火加热温度为780~800℃,硬度为HRC65~62,油淬淬火加热温度为800~820℃,硬度HRC65~62。常用回火温度为180~200℃,硬度为HRC63~62。
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