低合金工具鋼的合金化
碳素工具鋼淬透性差，淬火畸變大，耐磨性、強(qiáng)韌性和回火穩(wěn)定性都差，因此，不能用來(lái)制造形狀復(fù)雜、精度要求高、承受力較大的工模具。
為適應(yīng)工模具的性能需要而發(fā)展起來(lái)的高碳低合金工具鋼，是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素，如Cr、Mn、Si、Mo、W、V等冶煉而成的。合金元素總量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般小于5%。合金元素的加入提高了鋼的淬透性，因而，可用油冷淬火取代水冷淬火，油冷淬火的臨界直徑可達(dá)15~36mm，淬火內(nèi)應(yīng)力小，降低了工模具的畸變和開裂傾向。馬氏體在回火時(shí)不易分解，分解后析出的碳化物也不易聚集長(zhǎng)大，回火穩(wěn)定性有所上升，有利于工模具在一定升溫的工況下服役。低溫回火后的工模具有較高的強(qiáng)韌性和耐磨性，使用壽命可有較大幅度的提高。
量具刃具鋼和冷作模具鋼的含碳量：碳素工具鋼最適宜的含碳量為1.1%~1.2%。在合金工具鋼中，如果加入的合金元素(碳化物形成元素)為1%~2%，則最適宜的含碳量一般為1.0%~1.1%；若合金元素量為3%~4%較適宜。此時(shí)，碳化物分布比較均勻，強(qiáng)度較好。含碳量增加時(shí)，耐磨性增加，但碳化物分布將變得不均勻，易出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物、帶狀組織和碳化物液析。
下面分別敘述各種合金元素在低合金工具鋼中的作用。
⑴鉻。大部分工具鋼中都含有鉻。根據(jù)鐵-鉻-碳三元系在700℃的等溫截面圖可知，當(dāng)碳含量在1%左右，鉻含量在3%以下時(shí)，鋼中的平衡相為α+(Fe、Cr)3；鉻含量在3%~5%時(shí)，平衡相為α+(Fe、Cr)3+(Cr、Fe)7C3；鉻含量為5%~10%時(shí)，平衡相為α+(Cr、Fe)7C3；當(dāng)鉻含量更高時(shí)，將出現(xiàn)(Cr、Fe)23C6相。低合金工具鋼中的鉻含量不超過(guò)3%，因此，只形成合金滲碳體(Cr、Fe)C3，且部分溶入鐵素體中。因而，鉻既可阻止?jié)B碳體型碳化物的聚集，又提高了馬氏體的分解溫度，從而提高了鋼的回火穩(wěn)定性。鉻提高滲碳體的穩(wěn)定性，使其在加熱時(shí)溶解緩慢；鉻又提高鋼的臨界點(diǎn)，使淬火溫度升高。例如在含1%C的鋼中，加入0.65%Cr，油中淬火，能獲得最高硬度的淬火溫度為800~810℃，加入1.5%Cr時(shí)為840~850℃，加入3%Cr時(shí)則為870~890℃。鉻能提高鋼的淬透性，但作用不如硅和錳強(qiáng)烈。鉻還使鋼的Ms點(diǎn)降低，因而增加了殘余奧氏體量。此外，鉻和錳一樣，還能防止含碳量大于0.7%的硅鋼的石墨化傾向，通常加入0.6%~1.0%Cr(或Mn)就可達(dá)到目的。一般在低合金工具鋼中，鉻含量在1.7%以下，含鉻更高時(shí)，將增加碳化物分布的不均勻性。
⑵硅。硅是促進(jìn)高碳鋼石墨化傾向的元素，故不能單獨(dú)加入，需和其他元素一起使用。硅在鋼中不形成碳化物，而只溶入固溶體中，能顯著提高過(guò)冷奧氏體在珠光體區(qū)和貝氏體區(qū)的穩(wěn)定性，因而有效地提高了鋼的淬透性。硅由于能阻礙馬氏體第二階段的分解和滲碳體的聚集，故可以增加回火穩(wěn)定性，在含0.6%~0.8%Si時(shí)已顯示其作用，硅進(jìn)一步提高到1.2%~1.6%時(shí)，回火穩(wěn)定性的增加已不多。因此，含硅的鋼制造的切削工具的允許切削速度可以提高。硅不降低Ms點(diǎn)，故不增加殘余奧氏體量。加入硅使工具鋼的某些工藝性能變壞。由于硅強(qiáng)化鐵素體的作用顯著，使退火鋼的強(qiáng)度增加，故增加了切削加工的困難。硅提高鋼的臨界點(diǎn)，使淬火加熱溫度提高，例如在含1%C的鋼中加入1.2%~1.6%Si時(shí)，使淬火溫度提高了30~40℃。硅增加鋼的脫碳敏感性，見表2-17。在過(guò)共析鋼中，適宜的硅含量為不超過(guò)0.6%~1.0%，在亞共析鋼中，硅含量可以適當(dāng)增加。
表1硅對(duì)含1%C和1%Cr鋼脫碳層厚度的影響
Si % 脫碳層厚度/mm
 850℃加熱 900℃加熱
0.25 0.27 0.53
0.77 0.38 0.69
1.50 0.46 0.80
注：加熱條件相同，在未脫氧的鹽溶爐中加熱。
⑶錳。在工具鋼中，錳大部分溶于基體，部分溶于滲碳體形成(Fe、Mn)3C。錳溶于滲碳體后，使其在加熱時(shí)溶解。含錳的工具鋼加熱時(shí)晶粒容易長(zhǎng)大，因之很少使用單獨(dú)加錳的工具鋼，一般加入0.5%~0.8%Cr或0.1%~0.2%V，以消除錳鋼的不良影響。錳增加鋼的淬透性，還使鋼的臨界點(diǎn)降低，因此淬火溫度較低，例如，成分為0.9%C、2.0%Mn的鋼，油淬溫度為780~800℃，而含1.0%C、2.0%Cr的鋼的淬火溫度為860~870℃。錳使殘余奧氏體量增加，相應(yīng)地減少了內(nèi)應(yīng)力和畸變，但殘余奧氏體量過(guò)多時(shí)，將減小塑性變形抗力，使淬火后的硬度降低。刃具用低合金工具鋼中的錳加入量一般為0.8%~1.2%。
⑷鎢。鎢是較強(qiáng)的碳化物形成元素，很少溶于鐵素體，在滲碳體中的溶解度也很小(＜2%)。在含1%C的鋼中，當(dāng)鎢含量超過(guò)1%時(shí)，開始形成M23C6型碳化物，而鎢含量超過(guò)5%后，將出現(xiàn)M6C型碳化物。這些碳化物具有高的硬度，而淬火加熱時(shí)易溶解，能使鋼的奧氏體晶粒保持細(xì)小，增加淬火鋼的硬度，提高鋼的耐磨性。含1%C時(shí)，加入1%~2%W，硬度可提高到HRC66；含1.4%~1.5%C時(shí)，加入3%~3.5%W，硬度可提高到HRC68，故可用于加工硬質(zhì)材料。鎢單獨(dú)加入鋼中并不增加淬透性，為了使工具表面獲得均勻的高硬度，應(yīng)在水中淬火。還應(yīng)指出，鎢含量超過(guò)1.2%~1.5%的工具鋼，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間退火后，會(huì)使以后淬火時(shí)的最高硬度降低，這種現(xiàn)象稱為“損壞”，含鎢越多，這種現(xiàn)象越顯著，見圖2-10。高速鋼含鎢較多，這種“損壞”現(xiàn)象較為嚴(yán)重，應(yīng)控制退火加熱時(shí)間。
⑸鉬。鉬在鋼中的情況許多地方與鎢相似，含鉬大約超過(guò)0.5%時(shí)，開始生成鉬的復(fù)雜碳化物。鉬、鎢復(fù)雜碳化物(M23C6、M6C)的性能相近。鉬加入量不多時(shí)(0.2%~0.4%)，可細(xì)化碳化物，阻止晶粒長(zhǎng)大。在工具鋼中，鉬比較有效地提高鋼的淬透性。鉬使鋼的脫碳敏感性增加，尤其是鋼中含有硅時(shí)。
⑹釩。鋼中含有0.1%~0.2%V時(shí)，便可形成VC，在加熱到1000~1100℃時(shí)，VC也溶解很少，故釩比其他元素更能有效地阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，降低過(guò)熱敏感性。釩使過(guò)共析鋼不易生成滲碳體網(wǎng)。但釩降低鋼的淬硬性與淬透性，且鋼中含碳量越低降低得越強(qiáng)烈。一般低合金工具鋼中，含釩量為0.15%~0.40%。
應(yīng)著重指出，合金元素單獨(dú)加入鋼中時(shí)的作用與幾種元素同時(shí)加入時(shí)的作用可能不同，采用“少量多元”的方法比加入單一元素可以更有效地提高淬透性，在含有鉻、錳、硅的條件下，鋼中加入鎢、釩，可進(jìn)一步提高淬透性。
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