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1.2.1 高速钢刀具材料的发展历史3
1.2.2 高速钢的性能分析4
1.2.3 各类高速钢的性质5
1.3 碳素工具钢及合金工具钢6
1.3.1 碳素工具钢的性能及用途6
1.3.2 组织及缺陷8
1.3.3 合金工具钢性能及用途10
1.3.4 合金工具钢分类及特点11
1.4 刀具钢热处理过程中的组织转变11
1.4.1 奥氏体转变12
1.4.2 珠光体转变13
1.4.3 马氏体转变13
1.5 刀具钢中常见的碳化物缺陷14
第2章 碳化物对W18Cr4V钢的性能影响16
2.1 W18Cr4V的简介16
2.1.1 W18Cr4V的成分16
2.1.2 W18Cr4V钢的C曲线及热处理工艺18
2.1.3 W18Cr4V钢中碳化物类型及形状20
2.2 W18Cr4V实验手段和实验设备21
2.2.1 试样准备21
2.2.2 实验仪器21
2.2.3 试样处理和实验方法21
2.3 组织中碳化物分析22
2.3.1 金相组织分析22
2.3.2 扫描电镜和能谱分析28
2.3.3 试样硬度分析36
2.4 本章小结36
第3章 碳化物对9SiCr和T12钢性能影响38
3.1 9SiCr钢和T12钢试样介绍38
3.1.1 9SiCr钢的性能及成分38
3.1.2 板牙、丝锥、齿轮铣刀的热处理工艺38
3.1.3 T12钢的性能及成分39
3.1.4 手工锯条的热处理40
3.2 刀具失效种类及原因40
3.2.1 刀具失效种类40
3.2.2 刀具磨损分析40
3.2.3 刀具断裂分析41
3.3 试样金相组织分析41
3.3.1 齿轮铣刀金相组织41
3.3.2 板牙金相组织43
3.3.3 丝锥金相组织43
3.3.4 手工锯条金相组织44
3.4 刀具中的碳化物剥落44
3.4.1 9SiCr钢和T12钢刀具碳化物剥落情况44
3.4.2 碳化物剥落原因及解决措施46
3.5 本章小结47
结论48
参考文献49
致谢51
第1章 绪论
1.1 刀具和刀具钢的简介
刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。
中国早在公元前28～前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。
战国后期（公元前三世纪），由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。
当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。
然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。
1783年，法国的勒内首先制出铣刀。
1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。
有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产，那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的。
如今刀具钢已经快速的发展，其中包括高速工具钢、碳素工具钢、合金工具钢、硬质合金钢等，其特点一般都是含碳量高，有高的强度硬度和很好的耐磨性。
1.1.1 刀具钢的发展现状
机械制造业是全球经济繁荣最重要的支柱产业。
工具包括刀具、模具等制约着机械制造业劳动生产力的水平和结构件的质量水平，成为整个行业关注的焦点之一。
发展制造业，就必须发展工具，特别是工具中最基础的刀具。
据2003年统计，全球切削刀具消耗价值高达110亿美元，是机械制造业产值的10%。
没有先进的刀具材料，就不可能制造出先进的刀具，目前，用于制作切削刀具的材料仍以高速钢及硬质合金为主。
表1.1是各种刀具材料所占的市场份额。
表1.1 各种刀具材料所占份额（%）
按销售统计
高速钢
硬质合金
超硬材料
1979年
66
32
2
1984年
67
33
2003年
40
55
5
由表1.1可见，20世纪80年代以前，高速工具钢处于领先地位，90年
代以后，硬质合金钢超越了高速工具钢，超硬材料（金刚石、立方氮化硼及陶瓷等）所占份额不大[1]。
表1.2是世界金属切削刀具按地域的消费额
表1.2 是世界金属切削刀具按地域的消费额（%）
地域
西欧
北美
其他亚洲国家
日本
独联体及东欧
南美及其他地区
占世界消费份额（%）
2003
25
17
12
10
6
1984
28
26
7
16.5
19.5
3
表1.2中西欧和北美依然是切削刀具消费大区，其它亚洲国家（不包括日本）的刀具消费值已从1984年占世界7％上升到2003年的17％，已超过同年占12％的日本，说明亚洲国家制造业的兴起[2]。
在刀具发展过程中也出现了一些新的技术括新的刀具材料牌号、新型的刀具结构、刀具表面涂层技术和装备、工具系统及刀具装夹技术等，这些产品和技术代表了刀具工业发展的先进水平和刀具切削技术的发展趋势[3]。
在中国，刀具行业面临的状态是刀具行业起步晚，先进的数控刀具仅仅是随着近年来数控机床的发展而发展，因此数控刀具产品发展速度缓慢，基础比较薄弱，竞争力不高。
但是随着制造业在中国的发展，刀具市场的前景肯定是美好的。
1.1.2 刀具钢的种类
刀具钢大体可以分为碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、硬质合金钢。
它们各有个的特点，能应用在不同的场合下。
1.1.3 合金元素在刀具钢中的作用
碳：
存在于所有的钢材，是最重要的硬化元素。
有助于增加钢材的强度。
铬：
增加耐磨损性、硬度，最重要的是耐腐蚀性。
锰：
重要的元素，有助于生成纹理结构，增加坚固性和强度、及耐磨损性。
钼：
碳化作用剂，防止钢材变脆，在高温时保持钢材的强度。
镍：
保持强度、抗腐蚀性和韧性。
硅：
有助于增强强度，和锰一样，硅在钢的生产过程中用于保持钢材的强度。
钨：
增强抗磨损性，将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高速钢。
钒：
增强抗磨损能力和延展性。
1.2 高速工具钢
高速钢自诞生以来，作为机械加工中切削刀具的最基础用材料一直被广泛采用，目前，高速钢刀具仍占据着刀具市场的主导地位。
高速钢是一种多元素的高合金钢，主要的合金元素有钨、钒、铬等。
它的代表成分是W18Cr4V。
为了提高高速钢的性能，有时在其中加入钴、钼等元素，或提高碳、钒元素的含量，而成为钴高速钢、钼高速钢、高碳高钒高速钢。
为了是高速钢易于切屑，可在钢中加入少量的硫（0.10～0.15%）而成为易切屑高硫高速钢。
高速钢刀具中，通用型高速钢制造的刀具比例最大，目前，通用型高速钢产量占全部高速钢总产量的80%以上。
具有百年发展史的W18Cr4V是最早确立成分并最早在世界范围广泛应用的通用型高速工具钢[4]。
1.2.1 高速钢刀具材料的发展历史
1898年，美国机械与管理工程师泰勒（TaylorF.W.）和冶金学家怀特（WhiteM.）研制发明了高速钢，并作了系统切削试验。
当时他们确定的高速钢成分为C-0.67%，W-18.91%，Cr-5.47%，Mn-0.11%，V-0.29%，与后来的W18Cr4V成分很接近。
高速钢刀具可用30m/min的速度切削钢材，其效率比过去用的碳素工具钢和合金工具钢提高了好几倍，为美国当时的机械工业生产赢得了巨大的经济效益[5]。
20世纪中叶以后，科学技术迅速发展，各种难加工材料不断涌现，通用高速钢的性能已不复使用，于是高性能高速钢和粉末冶金高速钢相继出现，使高速钢刀具材料的性能得到了很大提高。
因为高速钢刀具的综合性能好，可加工性优于其他刀具材料，各种刀具都可用高速钢制作，加上它的性能不断提高，故至今仍是用得最多的刀具材料之一。
20世纪后期，中国在熔炼高性能高速钢的研制和应用方面已有很大进展，不仅仿制了国外的优秀钢种，如M42、M35等，还研制开发了具有中国特色的无钴含铝、少钴含硅、无钴高钒含氮等高性能高速钢种，性能很好。
由于当时的客观状况，产量和应用都受到限制。
1.2.2 高速钢的性能分析
高速钢以能进行高速切屑而得名。
由于它是一种高合金钢，含有较多的钨、铬等元素，能保证热处理后获得高的淬透性和热硬性。
切屑时刀具温度虽高至600℃左右时，硬度尚无明显的下降。
热硬性试验表明：
钢在600℃加热1小时后空冷，连续4次处理后的硬度仍高达HRC62～63：
而一般高碳工具钢及合金钢当切屑温度达200～300℃时，硬度即显著降低。
所以高速钢广泛用于制造在繁重条件下工作的重型或高速切屑的刀具。
1、硬度
通用型高速钢在淬火并回火后的硬度可达HRC63～66,超硬型高速钢的硬度可达HRC67～70[6]。
钢的硬度及耐磨性主要取决于钢的含碳量，高速钢的硬度与回火析出碳化物的分散度及数量有关。
碳化物数量越多，分散越细硬度就越高。
淬火回火组织中的残余奥氏体硬度较低，如果残余奥氏体量超过10～12%，就会显著影响硬度，因此高速钢都需要经过多次回火，以减少残余奥氏体量。
提高高速钢的硬度可以提高其耐磨性和持久极限。
将钢的硬度提高至HRC60以上，有利于在较高压力下，特别是在高硬度磨料磨损条件下提高刀具的耐磨性，高硬度高速钢经过适当的磨削及研磨后，可以获得较小的表面粗糙度。
此外，高速钢的抗压屈服极限与硬度成正比增加。
因此，硬度即使稍有降低，在低应力下也会引起塑性变形。
对于某一种高速钢，要提高其硬度，常常伴随着韧性的下降。
2、强度和晶粒度
高速钢的强度和韧性是现有刀具中较高的，如W18Cr4V钢的抗弯曲强度可达3200MPa，W6Mo5Cr4V2钢的强度更高，可达3500～4000MPa。
因此，高速钢刀具能承受比较大的冲击载荷，这是高速钢仍然被广泛使用的主要原因。
高速钢的强度与其晶粒度、碳化物分布、残余应力大小及奥氏体数量有关。
晶粒度和碳化物分布对钢的强度影响极大，随着晶粒长大和碳化物分布不均匀性增加，钢的强度成比例降低。
W18Cr4V钢的晶粒度粗一级，在碳化物分布相同的情况下强度要下降200～300MPa。
因此细晶粒是材料得到高强度必不可少的前提。
W18Cr4V钢的带状碳化物增加一级时，其强度要降低200～400MPa。
碳化物的不均匀分布容易引起刀具崩刃，这时对高压动载荷下使用的刀具的耐用度影响很大（降低50～75%）；
而对较低单位负荷下使用的、形状比较简单的刀具的耐用度影响较小[7]。
表1.3 W18Cr4V钢中不同碳化物级别的机械性能和热硬性
碳化物不均匀性级别
回火硬度（HRC）
抗弯强度MPa（kgf/mm2）
扭转强度MPa（kgf/mm2）
冲击韧性MJ/m2（kgf.m/cm2）
热硬性
600℃
625℃
650℃
65.2
3660
2340
0.288
61.3
59.2
51.1
4
64.5
3410
2170
0.222
61.0
59.0
50.6
65.0
3170
0.169
58.9
50.1
1.2.3 各类高速钢的性质
1、高碳高速钢
在W18Cr4V基础上增加0.2%含碳量，形成95W18Cr4V，根据化学平衡碳理论，可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳量，加强回火时的弥散硬化作用，从而提高了常温和高温硬度。
与W18Cr4V相比95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相当。
这个钢种的切削性能虽不及高钴、钒高速钢，但价格便宜，切削刃可以刃磨得很锋利，故有应用价值。
2、钨系高速钢
钨系高速钢是应用最早和使用最广泛的钢种。
钨又是各类高速钢的基本成分，一般含钨量在12～18%之间。
钨是造成高速钢热硬性的一个主要元素，淬火后，钨存在于马氏体及碳化物中，增加了碳原子的结合力，提高了马氏体分解的稳定性，当受热至600～625℃时也难分解，所以使钢具有高的硬度和热硬性[4]。
3、钴系高速钢
高速钢中加入5～15%的钴，热处理后硬度可达HRC68～70，切屑性能及热硬性均大大提高，所以被认为是切屑性能特高的一种钢。
它的缺点是脆性较大，容易脱碳。
钴不是碳化物形成元素，因此它的加入并不改变碳化物的成分及数量。
钴在钢中作用可以促进回火时从马氏体中析出钨、钼碳化钨，提高弥散硬化效果，并提高热稳定性，故能提高常温、高温硬度及耐磨性。
增加钴含量还可改善钢的导热性，降低刀具、工件间的摩擦系数。
1.3 碳素工具钢及合金工具钢
碳素工具钢的含碳量较高，经过淬火后的硬度较高，可达60～65HRC，耐磨性较好，冶炼方法简单，价格便宜，广泛用于制造各种工具级零件。
碳素工具钢的主要缺点是淬透性较小，因而其使用范围受到一定的限制。
1.3.1 碳素工具钢的性能及用途
1、性能
碳素工具钢由于含碳量较高，具有较多的碳化物，经热处理后具有高的硬度，制成的刀具具有较好的耐磨性和一定的切屑能力。
但与合金工具钢相比，碳素工具钢的热硬性差，当刀具的切屑温度高于200～250℃时，其硬度及耐磨性即急剧下降，这是它的主要缺点。
此外，热处理时变形较大及淬透性较小也都是碳素工具钢不足的地方。
表1.4 碳素工具钢力学性能[8]
钢号
硬度
特性
退火后≤
淬火℃
淬火后HRC≥
T7
T7A
187
（800～820）℃水
62
具有较好的塑性和强度，能承受振动和冲击负荷，硬度适中时有较大的韧性。
T8
T8A
（780～800）℃水
淬火加热时容易过热，变形也大，塑性及强度也比较低，但热处理后有较高的硬度及耐磨性。
T8Mn
T8MnA
T9
T9A
192
（760～780）℃水
性能同T8，但因碳含量较高一些，故硬度和耐磨性较高，韧性较差一些。
T10
T10A
197
韧性较小，有较高的耐磨性，在淬火加热时不易过热，仍保持细晶粒。
韧性尚可，强度及耐磨性均较T7-T9高些，但热硬性低，淬透性仍然不高，淬火变形大。
T11
T11A
207
具有较好的综合力学性能，如硬度、耐磨性及韧性等，
T12
T12A
韧性不高，具有较高的耐磨性和硬度，
T13
T13A
217
是碳工钢中碳含量最高的钢种，耐磨性最高，也最脆。
2、用途
广泛用于制造各种轻型切屑工具，如操作时刀刃受热程度较低的手用刀具、低速及小进刀量之机用工具等，此外也用于制造部分量具及模具。
表1.5 碳素工具钢的用途
用途
T7T7A
常用于制造能承受振动和撞击，要求较高韧性，但切削性能要求不太高的工具，如凿子、冲头等小尺寸风动工具，木工用锯和凿，简单胶木模、锻模、剪刀
、手锤、镰刀等。
制造锉刀、手锯、锯条等
T8T8A
常用于不受大冲击，需要较高硬度和耐磨性的工具，如简单的模子和冲头、切削软金属的刀具、木工用的铣刀和斧、凿、錾、圆锯片以及钳工装配工具、虎钳钳口等。
T9T9A
常用作硬度较高，有一定韧性，但不受剧烈震动冲击的工具，如冲模、冲头、木工切削工具以及饲料机刀片、凿岩石凿子等。
T10T10A
适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具，如车刀、刨刀、钻头、丝锥、扩孔刀具、螺丝板牙、铣刀手锯锯条、小尺寸冷切边模及冲孔模，低精度而形状简单的量具（如卡板等），也可用作不受较大冲击的耐磨零件
T12T12A
用作不受冲击的各种工具和耐磨零件，如车刀、铣刀、丝锥、扳牙、锉刀、刮刀、以及小的冷切边模、冲孔模等。
T13T13A
用途与T12基本相同
1.3.2 组织及缺陷
1、退火状态的组织及缺陷
退火状态的正常组织为分布均匀的球状珠光体。
当钢被加热至稍高于Ac1温度并缓慢冷却时，奥氏体发生分解而形成球状组织。
所形成组织的弥散程度随钢的加热温度、停留时间和冷却速度而不同。
较慢的冷却或在高温度下的等温停留，可获得较粗大的球状珠光体。
退火过程中所造成的缺陷主要有下列几种
（1）片状和点状珠光体
片状和点状珠光体的产生，主要是由于退火不良。
当退火加热温度或冷却速度较大，形成点状珠光体。
如退火加热温度过高，则由于溶解了大部分碳化物，减少了作为结晶核心的质点数量，所以在冷却过程中形成片状组织，此时硬度较高，可切屑性较差，淬火过热敏感性大，工具热处理后的变形量也大。
（2）网状碳化物
由于热加工终止温度过高，冷却速度较小，或退火温度过高，冷却过于缓慢，则会引起钢的晶粒长大。
在冷却过程中，一部分在高温加热时溶入奥氏体中的二次碳化物将沿晶界析出而形成网状碳化物，网状碳化物降低钢的机械性能，特别是冲击韧性的显著降低，使刀具在使用过程中易造成崩刃现象。
（3）石墨碳
石墨碳是指在钢的显微组织中出现的灰黑色点状或片状的石墨夹杂物，在钢的断口上表现为黑色或深灰色。
在下列情况下常会引起石墨碳的析出：
热压力加工终止与高温（约1000℃），而随后又进行缓慢冷却，在750～850℃下进行长时间的停留，或在700～720℃间进行长时间的退火。
此外，如退火工艺不正确、多次退修退火也会产生石墨碳。
石墨碳的存在对钢的基体起着分割的作用，降低了钢的强度，增加了钢的脆性。
石墨碳出现在切屑刃处会引起工具刃口的剥落，降低工具的耐用度。
（4）脱碳
钢在退火过程中，由于加热温度过高和保温时间过长，会引起表面的脱碳。
脱碳层之最严重部分为铁素体组织，其次是铁素体加片状珠光体、片状珠光体加球状珠光体。
当脱碳程度不很严重时，表面不出现单纯的铁素体组织。
2、淬火和回火状态的组织缺陷
碳素工具钢由于淬透性较差，一般应在水中淬火才能保证工具获得高的硬度和一定的淬透深度。
但是为了减少工具淬火时的变形，也可采用先水后油的双液淬火，或用低温熔盐（150～200℃）淬火。
经淬火后正常的组织为针状马氏体、碳化物和残留奥氏体。
截面较大的工具，虽在水中冷却，但只有表面层获得马氏体，而心部则为马氏体-屈氏体，有时为100%的屈氏体。
如果加热保温时间太短，有时还可能存在为转变的原始珠光体组织。
碳素工具钢在淬火和回火后产生的缺陷主要有下列方面：
（1）过热
过热是由于淬火温度过高或保温时间过长，而导致钢的组织粗大，工厂中判定淬火过热的方法是观察马氏体的针叶的长度。
针叶越长则过热越严重。
（2）裂纹
裂纹大都发生在用水淬火的工具，出现裂纹的原因主要是淬火温度选择不当、加热或冷却速度过大、淬火时间冷却不均匀等
（3）回火不足
由于回火（150～220℃）加热时间不足，产生回火不足现象，其特征是磨面不易侵蚀，在显微组织中存在有未回火的针状马氏体。
正常的回火后的
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