合金工具钢中加入适量的Si有益

在碳素工具钢的基础上加入W、Mo、Cr、V、Si、Mn等合金元素，从而使钢的淬透性和热硬性提高的工具钢称为合金工具钢。按合金元素含量总量又可以分为低合金工具钢、中合金工具钢和高合金工具钢。低合金工具钢多用于制造刀具。

1.合金元素在低合金工具钢中的作用

（1）钨（W）W是较强的碳化物形成元素，很少溶于铁素体，在渗碳体中溶解度也很小。在w（C）为1%的钢中，当w（W）超过1%时，开始形成M₂₃C₆型碳化物，而当w（W）超过5%后，将出现M₆C型碳化物。这些碳化物具有高的硬度，而淬火加热时不容易溶入奥氏体，使奥氏体晶粒保持细小，增加淬火钢的硬度，提高钢的耐磨性。在w（C）为1%的钢中，加入w（W）为1.0%～2.0%时，钢的硬度可达66HRC；在w（C）为1.4%～1.5%的钢中，加入w（W）为1.4%～1.50%时，硬度可提高到68HRC。因此，这些钢可制造加工硬材料的刀具。为了使工具表面获得均匀的高硬度，应在水中淬火。还应指出，w（W）超过1.20%～1.50%的工具钢，经长时间退火，会使后续的淬火最高硬度下降。

（2）钼（Mo）Mo在钢中的许多作用与W相似，w（Mo）>0.50%时，就能形成含Mo的复杂碳化物（M₂₃C₆型、M₆C型）。Mo加入量不多[w（Mo）为0.2%～0.4%]时，可细化碳化物，阻止晶粒长大。在工具钢中，Mo能比较有效地提高淬透性。Mo使钢的脱碳敏感性增加，尤其在钢中又含有Si时。

（3）铬（Cr）低合金工具钢中w（Cr）不超过3%，形成的合金渗碳体（Fe、Cr）3C₇部分溶入铁素体。Cr既可阻止渗碳体型碳化物的聚集，又提高了马氏体的分解温度，从而提高了钢的耐回火性。Cr能提高渗碳体的稳定性，使其在加热时溶解缓慢；Cr又能提高钢的临界点，使淬火温度升高。例如：在w（C）为1%的钢中，加入w（Cr）为0.65%，油淬，能获得最高硬度的淬火温度是800～810℃；如加入w（Cr）为1.5%，淬火温度为840～850℃；加入w（Cr）为3%，淬火温度则升至870～890℃。Cr还能提高钢的淬透性，但作用逊色于Si和Mn。Cr能使钢的Ms降低，这是因为增加了淬火后残留奥氏体量。此外，Cr和Mn一样，还能防止w（C）>0.7%硅钢的石墨化倾向。通常加入w（Cr）或w（Mn）为0.60%～1.0%就能达到目的。在一般低合金刀具钢中，w（Cr）在2.0%以下时，Cr含量高些，将增加碳化物的不均匀性。

（4）钒（V）在钢中加入质量分数为0.1%～0.2%的钒，就可形成VC，在加热到1000℃时，VC也很少溶解。因此，钒比其他元素能更有效地阻止奥氏体晶粒的长大，降低过热敏感性。钒使过共析钢不易生成渗碳体网。但钒降低钢的淬硬性及淬透性，且钢中的碳含量越低降低得越强烈。在一般低合金工具钢中，w（V）约为0.15%～0.40%。

（5）锰（Mn）Mn大部分溶入基体，少部分溶于渗碳体形成（Fe、Mn）₃C。含Mn的工具钢加热时晶粒容易长大，因此很少用单独加Mn的工具钢，一般加入w（Cr）为0.5%～0.8%或w（V）为0.1%～0.2%，以消除Mn的不良影响。Mn增加钢的淬透性，还使钢的临界点降低。Mn使残留奥氏体量增加，相应减少了内应力和畸变；但残留奥氏体过多时，将减少塑性变形抗力，使淬火后硬度降低。刀具用合金钢中w（Mn）一般为0.8%～1.2%。

（6）硅Si是非碳化物形成元素，在钢中溶入固溶体，能显著提高过冷奥氏体在珠光体区和贝氏体区的稳定性，因而有效地提高了钢的淬透性。Si由于能阻碍马氏体第二阶段的分解和渗碳体的聚集，故可以增加耐回火性，在w（Si）为0.6%～0.8%时已显示其作用，若将w（Si）提高到1.3%以上，耐回火性增加甚微。因此，含Si钢制刀具可以适当提高切削速度。Si不降低Ms点，故不增加残留奥氏体量。有些资料报导，加入Si使工具钢的某些工艺性变坏。由于Si强化铁素体的作用显著，使退火钢的强度增加，故增加了切削加工的难度。加入Si使钢的临界点提高，淬火加热温度也高。综上所述，在合金工具钢中，加入质量分数为1%左右的Si有益，并非多多益善，加多了，可能有害无益。

2.低合金工具钢的锻造

由于含碳及合金元素相对比较低，无论自由锻还是模锻，难度都不太大。加热温度为1130～1150℃，锻造温度为980～1093℃，在这个区间，钢的热塑性较好，无需采取特别的预防措施。锻后可以空冷、堆积式冷却，也可埋入砂坑中缓冷。

3.低合金工具钢的退火

退火工艺有普通退火和球化退火，常用球化退火：加热温度为800～850℃，保温3～4h，炉冷至720～740℃，保温3h后炉冷至550℃出炉空冷。(https://www.xing528.com)

4.低合金工具钢的淬火与回火

尽管真空炉及其他加热炉发展迅速，合金钢制作的各种刀具大多在盐浴炉中加热。盐浴炉必须进行充分的脱氧捞渣，通常将氧化物的质量分数控制在0.30%以下，如果淬螺纹刀具时控制还要严格些，以防工具在加热时产生氧化脱碳。

在淬火之前，一定要选好夹具。实践证明，有些刀具质量不好，往往是淬火夹具不合理。

对于形状复杂的刀具，预热是不能略去的工序，一般在600～620℃的中性盐中预热，或在400～500℃的电炉中预热，预热时间通常为加热时间的2～3倍。

淬火加热温度的选择应视刀具的形状、尺寸、原始组织、装夹数等诸多因素综合考虑。如果没有十分把握，可以通过试淬确认。

在空气炉中加热时，加热温度应比盐浴炉提高15～20℃。

淬火冷却介质也影响加热温度的选择。采用油或硝盐淬火的工具，可比采用水溶液淬火的加热温度高15～20℃，采用等温淬火或分级淬火时可选上限加热温度。

淬火加热时间的长短与工具的尺寸大小、钢材的种类、炉子的功率、控制因子等多种因素有关，这是一个很复杂的问题，书本上往往说不清楚，应根据现场情况而变。通常以工具的有效厚度乘以加热系数来确定，其中牵涉到加热时间、升温时间、保温时间（也有称透烧时间）等多个概念，不同的单位掌握的尺度是不同的，工艺上往往指总的加热时间。

在选定的加热温度下，保温时间的长短必须以奥氏体均匀化为标准，可以通过淬火后的金相组织及硬度验证，但常以刀具的寿命及质量作为衡量标准。

低合金工具钢制作的刀具一般均为低温回火，贝氏体等温淬火的工具可用下限回火温度。在硝盐、油中回火时，回火时间为1.5～2h，工件尺寸较大或装炉量多者应适当延长回火时间。在空气炉中回火最好为两次，回火后空冷。