熟悉工量刃具材料的选择方法

【情境导入】

请讨论：如图4-17所示，游标卡尺测量精度较高，设计制造游标卡尺时应如何选材?

图4-17　游标卡尺

对于一种工具，选用什么样的钢材合理，应从工具的工作条件、失效形式及性能要求出发去选择合适的钢种，制订正确的热处理工艺，同时考虑工具钢的工艺性。工量刃具应该如何进行正确选材才能满足其性能要求，有哪些注意事项呢?

【讲一讲】

零件或工具在使用一定时间之后必然会产生失效。所谓失效，是指零件或工具丧失规定的功能的现象。

一、零件的失效

1.零件的失效形式：

·断裂失效：零件完全断裂而无法工作。

·过量变形失效：零件的变形量超过了允许的范围。

·表面损伤失效：零件在工作中，因机械和化学作用，使其表面损伤而造成的失效。

一个零件的失效可能有几种形式，也可以是相互组合而成的联合失效形式，但只有一种起决定性作用。

2.零件的失效原因

·设计原因：对零件的工作条件估计错误，安全系数过小、计算错误等，零件的结构形状、尺寸等设计不合理。

·选材问题：选择材料错误，容易造成所选材料的性能不能满足使用要求；所选材料质量不合格等原因引起零件的失效。

·加工工艺不当：采用的工艺方法、工艺参数、技术措施不正确，可能产生铸造缺陷、锻造缺陷、焊接缺陷、切削加工缺陷和热处理缺陷。

·安装使用不正确：机械在装配、安装过程中不按技术要求，使用过程中不按规程操作、保养、维修，超载使用等。

二、零件的选材

1.选材的基本原则

①材料性能应满足使用要求：选材时，首先要考虑零件在使用中安全可靠。

②材料应有良好的工艺性能：工艺性是指材料是否容易加工成形的性能，包括铸造性、锻压性、可焊性、切削加工性、热处理工艺性等。

③材料的经济性：经济性是指所选材料加工成零件后的成本高低，主要包括材料费用、加工费用、管理费用、运输费、安装费、维修保养费用等。

2.选材的方法

·以综合力学性能为主时的选材：主要失效形式是过量变形，一般可选用中碳钢或中碳合金钢，采用调质处理或正火处理。

·以疲劳强度为主时的选材：主要失效形式是疲劳破坏，对承载较大的零件选用淬透性要求较高的材料。调质钢进行表面淬火、渗碳钢进行渗碳淬火、氮化钢进行氮化以及喷丸、滚压等处理。

·以磨损为主时的选材：常用高碳钢和合金工具钢经淬火和低温回火处理。

三、工量刃具钢的选材

工具钢是用以制造各种加工工具的钢种。根据用途不同，工具钢可分为刃具用钢、模具用钢和量具用钢；按化学成分不同，工具钢又可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。

为了使工具钢尤其是刀具钢具有高的硬度，通常都使其含有较高的碳，以保证淬火后获得高碳马氏体，从而得到高的硬度和切断抗力。此外，高的含碳量还可以形成足够数量的碳化物以保证高的耐磨性。所加入的合金元素主要是使钢具有高硬度和高耐磨性的一些碳化物形成元素如Cr、W、Mo、V等，有时也加入Mn和Si，其目的主要是增加钢的淬透性以达到减少钢在热处理时的变形，同时增加钢回火稳定性。对于切削速度较高的刃具常加入较多的W、Mo、V、Co等合金元素，以提高钢的红硬性。

对于一种工具，选用什么样的钢材合理?首先应从工具的工作条件、失效形式及性能要求出发，然后选择合适的钢种，最后再制订正确的热处理工艺，同时还应考虑工具钢的工艺性能包括热加工性能、切削加工性能和热处理工艺性能，如钢的淬透性、淬硬性、过热敏感性、脱碳倾向性和热处理变形性能等。

1.刃具用钢

刃具钢是用来制造各种切削加工工具的钢种，刃具(图4-18)的种类繁多，如车刀、铁刀、刨刀、钻头、丝锥及板牙等。其中车刀最具有代表性，车刀的工作条件基本能反映各类刃具工作条件的特点。

图4-18　刃具

(1)刃具钢的工作条件

刃具在切削过程中，刀刃与工件表面金属相互作用，使切屑产生变形与断裂，并从工件整体上剥离下来。故刀刃本身不仅承受弯曲、扭转、剪切应力、冲击和振动等负荷作用，同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用。由于切屑层金属的变形以及刃具与工件、切屑层金属的摩擦产生大量的摩擦热，均使刃具温度升高，切削速度越快，则刃具的温度越高，有时刀刃温度可达600℃。

(2)刃具钢的失效形式

有的刀具刀刃处受压弯曲；有的刀具受强烈振动、冲击时崩落一块(即崩刃)；有的小型刃具整体折断等。这些情况毕竟比较少见，刃具较普遍的失效形式是磨损，当刃具磨削到一定程度后就不能正常工作了，否则会影响加工质量。

(3)刃具钢的性能要求

①为了保证刀刃能切削工件并防止卷刃，必须使刃具具有高于被切削材料的硬度(一般应在60HRC以上，加工软材料时可为45～55HRC)，故刃具钢应是以高碳马氏体为基体的组织。

②为了保证刃具的使用寿命，应当要求有足够的耐磨性。高的耐磨性不仅决定于高硬度，同时也决定于钢的组织。在马氏体基体上分布着弥散的碳化物，尤其是各种合金碳化物能有效地提高刃具钢的耐磨损能力。

③由于在各种形式的切削加工过程中，刃具承受着冲击、振动等作用，应当要求刃具有足够的塑性和韧性，以防止使用中崩刃或折断。

④为了使刃具能承受切削热的作用，防止在使用过程中因温度升高而导致硬度下降，应要求刃具有高的红硬性。钢的红硬性是指钢在受热条件下，仍能保持足够高的硬度和切削能力，这种性能称为钢的红硬性。红硬性可以用多次高温回火后在室温条件下测得的硬度值来表示，所以红硬性是钢抵抗多次高温回火软化的能力，实质上这是一个回火抗力的问题。

上述4点是对刃具钢的一般使用性能要求，而视使用条件的不同可以有所侧重。例如，锉刀不一定需要很高的红硬性；而钻头工作时，其内部热量散失困难，所以对红硬性要求很高。

2.刃具钢的钢种衍变

通常按照使用情况及相应的性能要求不同，将刃具钢分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢三类。

(1)碳素刃具钢

碳素刃具钢具有高硬度和高耐磨性。高硬度是保证进行切削的基本条件；高耐磨性可保证刃具有一定的寿命，即耐用度。其含碳量范围为0.65%～1.35%，属高碳钢，包括亚共析钢、共析钢和过共析钢。

常用的碳素刃具钢的成分、性能和用途如下所示。

·T7/T7A：承受冲击，韧性较好，硬度适当的工具，如扁铲、手钳、大锤、木工工具。

·T8/T8A：承受冲击，韧性较好，硬度适当的工具，如扁铲、手钳、大锤、木工工具。

·T8Mn/T8MnA：承受冲击，韧性较好，硬度适当的工具，如扁铲、手钳、大锤、木工工具，但淬透性较大，可制断面较大的工具。

·T9/T9A：韧性中等、硬度高的工具，如冲头、木工工具、凿岩工具。(www.xing528.com)

·T10/T10A：不受剧烈冲击，高硬度耐磨的工具，如车刀、刨刀、丝锥、钻头、手锯条。

·T11/T11A：不受剧烈冲击，高硬度耐磨的工具，如车刀、刨刀、丝锥、钻头、手锯条。

·T12/T12A：不受剧烈冲击，高硬度耐磨的工具，如锉刀、刮刀、丝锥、精车刀、量具。

·T13/T13A：不受冲击，高硬度耐磨的工具，如锉刀、刮刀、丝锥、精车刀，量具要求更高耐磨的工具，如刮刀、锉刀。

碳素工具钢淬透性低、红硬性差、耐磨性不够高，所以只能用来制造切屑量小、切削速度较低的小型刃具，常用来加工硬度低的软金属或非金属材质。对于重负荷、尺寸较大、形状复杂、工作温度超过200℃的刃具，碳素刃具钢就满足不了工作的要求，在制造这类刃具时应采用合金刃具钢，但碳素刃具钢成本低，在生产中应尽量考虑选用。

(2)合金刃具钢

合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加入某些合金元素而发展起来的。其目的是克服碳素刃具钢的淬透性低、红硬性差、耐磨性不足的缺点。合金刃具钢的含碳量为0.75%～1.5%，合金元素总量则在5%以下，所以又称低合金刃具钢。加入的合金元素为Cr、Mn、Si、W和V等。其中Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬造性，同时强化马氏体基体，提高回火稳定性；W和V还可以细化晶粒； Cr、Mn等可溶入渗碳体，形成合金渗碳体，有利于钢耐磨性的提高。

合金刃具钢的特点有：淬透性较碳素刃具钢好，淬火冷却可在油中进行，放热处理变形和开裂倾向小，耐磨性和红硬性也有所提高。但合金元素的加入，提高了钢的临界点，故一般淬火温度较高，使脱碳倾向增大。

合金刃具钢主要用于制作：

①截面尺寸较大且形状复杂的刃具。

②精密的刀具。

③切削刃在心部的刃具，此时要求钢的组织均匀性要好。

④切削速度较大的刃具等。

合金刀具钢分为两个体系

·提高钢的淬透性的要求，发展了Cr、Cr2、9SiCr和CrWMn等钢。其中9SiCr钢在抽中淬火淬造直径可达40～50mm，适宜制造薄刃或切削刀在心部的工具，如板牙、滚丝轮、丝锥等。

·提高耐磨性的要求，发展了Cr06、W、W2及CrW5等钢。其中CrW5又称钻石钢，在水中冷却时，硬度可达67～68HRC，主要用于制作截面尺寸不大(5～15mm)、形状简单又要求高硬度、高耐磨性的工具，如雕刻工具及切削硬材料的刃具。

由此可知，合金刃具钢解决了淬透性低、耐磨性不足等缺点，由于合金刃具钢所加合金元素数量不多，仍属于低合金范围，其红硬性虽比碳素刃具钢高，但仍满足不了生产要求，故发展了高速钢。

(3)高速钢

高速钢是一种高碳且含有大量W、Mo、Cr、V、Co等合金元素的合金刃具钢。

高速钢经热处理后，在600℃以下仍然保持高的硬度，可达60HRC以上，故可在较高温度条件下保持高速切削能力和高耐磨性。同时具有足够高的强度，并兼有适当的塑性和韧性，这是其他超硬工具材料所无法比拟的。高速钢还具有很高的淬透性，中小型刃具甚至在空气中冷却也能淬透，故有风钢之称。

同碳素刃具钢和合金刃具钢相比，高速钢的切削速度可提高2～4倍，刃具寿命提高8～15倍。

高速钢的化学成分大致范围为C 0.7%～1.65%、W 0%～12%、Mo 0%～10%、Cr约4%、V 1%～5%及Co 0%～12%，高速钢中也往往含有其他合金元素如Al、Nb、Ti、Si及稀土元素，总量小于2%。

高速钢广泛用于制造尺寸大、切削速度快、负荷重及工作温度高的各种机加工工具，如车刀、刨刀、拉刀、钻头等。此外，高速钢还可应用在模具及一些特殊轴承方面。总之，由于高速钢在硬度、耐磨性、红硬性等方面的优异性能，现代工具材料高速钢仍占刃具材料总量的65%以上，而产值则占70%左右。所以高速钢自问世以来，经百年使用而不衰。

3.量具用钢

量具(图4-19)是用来度量工件尺寸的工具，如卡尺、块规、塞规及千分尺等。

(1)量具的工作条件

量具在使用过程中经常受到工件的摩擦与碰撞，必须具备非常高的尺寸精确性和恒定性。

(2)量具钢的性能要求

①高硬度和高耐磨性。以此保证在长期使用中不致被很快磨损，而失去其精度。

②高的尺寸稳定性。以保证量具在使用和存放过程中保持其形状和尺寸的恒定。

③足够的韧性。以保证量具在使用时不致因偶然因素——碰撞而损坏。

④在特殊环境下具有抗腐蚀性。

(3)常用量具用钢

根据量具的种类及精度要求，量具可选用不同的钢种。

图4-19　量具

·形状简单、精度要求不高的量具：可选用碳素工具钢，如T10A、T11A、T12A。由于碳素工具钢的淬透性低，尺寸大的量具采用水淬会引起较大的变形。因此，这类钢只能制造尺寸小、形状简单、精度要求较低的卡尺、样板、量规等量具。

·精度要求较高的量具：如块规、塞规料通常选用高碳低合金工具钢，如Cr2、CrMn、CrWMn及轴承钢GCr15等。由于这类钢是在高碳钢中加入Cr、Mn、W等合金元素，故可以提高淬透性、减少淬火变形、提高钢的耐磨性和尺寸稳定性。

·形状简单、精度不高、使用中易受冲击的量具：如简单平样板、卡规、直尺及大型量具，可采用渗碳钢15、20、15Cr、20Cr等。但量具须经渗碳、淬火及低温回火后使用，经上述处理后，表面具有高硬度、高耐磨性、心部保持足够的韧性。也可采用中碳钢50、55、60、65制造量具，但须经调质处理，再经高频淬火、回火后使用，亦可保证量具的精度。

·在腐蚀条件下工作的量具：可选用不锈钢4Cr13、9Cr18制造。经淬火、回火处理后可使其硬度达到56～58HRC，同时可保证量具具有良好的耐腐蚀性和足够的耐磨性。

·若量具要求特别高的耐磨性和尺寸稳定性：可选渗氮钢38CrMoAl或冷作模具钢Cr12MoV。

3CrMoAl钢经调质处理后精加工成形，然后再氯化处理，最后需进行研磨。Cr12MoV钢经调质或淬火、回火后再进行表面渗氮或碳、氮共渗。两种钢经上述热处理后，可使量具具有高耐磨性、高抗蚀性和高尺寸稳定性。

【议一议】

活动一：记一记零件常见的失效形式。

【做一做】

简答题

1.列举3种量具钢材料。

2.对比分析工刃量具钢对材料性能要求的区别。

【评一评】

试用量化方式(评星)评价本节学习情况，并提出意见与建议。

学生自评：______________________________

小组互评：______________________________

老师点评：______________________________