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工具钢的金属成分和生产

时间: 2022-03-17 08:22:54 浏览次数:
工具钢是异常坚硬、坚韧或耐磨的合金。它们的特性来自它们的化学和生产。正如它们的名字所暗示的那样,这些钢材可以进行切割、研磨、钻孔、冲压、敲击或其他艰巨的工作。工具钢必须具有适合其应用的材料特性。例如,钻头和冲头都需要硬度和耐磨性。然而,冲头受到更多冲击,而钻头受到更多剪切。工程师和冶金学家根据工具的用途选择工具钢的类型。

工具钢是异常坚硬、坚韧或耐磨的合金。它们的特性来自它们的化学和生产。正如它们的名字所暗示的那样,这些钢材可以进行切割、研磨、钻孔、冲压、敲击或其他艰巨的工作。工具钢必须具有适合其应用的材料特性。例如,钻头和冲头都需要硬度和耐磨性。然而,冲头受到更多冲击,而钻头受到更多剪切。工程师和冶金学家根据工具的用途选择工具钢的类型。

工具钢都含有产生碳化物的合金元素,碳化物是一种含有金属和碳的密集金属晶格。碳化物是一种耐火材料,这意味着它们可以抵抗压力、化学物质或热的分解。

然而,制造工具钢的不仅仅是化学。工具钢的硬度也来自精确控制的热处理和淬火。

淬火硬化工具钢

淬火是通过改变其微观结构来硬化钢的过程。

首先钢被加热根据混合物中碳的含量,钢合金被加热到不同的温度。其中分子呈不同的形状,这些相取决于整体化学性质。

一旦达到并保持合适的热量,合金就会通过暴露在更冷的气体或液体中进行淬火或冷却。这种淬火使金属迅速冻结。当金属像这样被冲击冷冻时,许多微小的金属晶粒都开始冻结,每个晶粒之间以及它们之间都有很大的位移。将此与很缓慢的冷却进行比较,其中谷物随着时间的推移在较大的圆形花朵中缓慢冷却。当金属受到撞击时,缓慢冷却的金属颗粒可以相互移动,使金属凹陷但不会破坏它。冲击冷冻使分子结构在受到撞击时移动的空间更小,使其更硬,更不容易凹陷。这些结构中的金属晶格称为马氏体,正是马氏体的冲击、锯齿状分子结构赋予了淬火金属特有的硬度。

水淬是最快的淬火方式,空气淬火是最慢的方式。合金能处理什么取决于它的化学性质。如果冷却过快,某些合金可能会开裂或变形,但在温和的空气淬火中会很好地硬化。其他人不会形成坚硬的马氏体层,除非他们对水中那样的巨大温度变化感到震惊。


锯齿状锯齿台锯的特写镜头显示牙齿上有两种不同的金属。


工具钢的类别

工具钢有六大类。四种很常见的是水硬化、冷作、热作和高速工具钢。特殊应用还使用抗冲击和专用工具钢。


  1. 水硬化

    这组工具钢本质上是经过热处理的碳钢。它们含有 0.5–1.5% 的碳。可能存在其他合金元素,因为它们的质量不同,但通常低于 0.5%。这些金属,如镍、钨或钼,价格昂贵。使用较少的昂贵金属可为轻型应用提供价值。

    这组钢需要水淬的极端冲击才能获得坚硬的外层。轻型工具、弹簧等小零件和小型紧固件可能是最终产品。它们不能在极端环境中使用,因为 W 系列钢比其他工具钢更脆。W 系列钢更容易开裂,只能承受 302°F (150°C) 的连续温度。

  2. 冷作工具钢

    冷作工具钢应在“冷”温度下使用——它们坚硬、坚韧且耐磨,但不适用于高温环境。因为切削冷材料比切削热材料承受更大的力,所以冷作工具钢必须具备抗压强度。

    在这种情况下,寒冷并不意味着金属工人是时候穿上毛衣了。392°F (200°C) 及以下被认为是这些工具的冷工作环境。与许多类型的钢不同,石墨通常在冷作钢中形成。这种石墨使这些合金中的许多可加工:石墨提供润滑。

    冷作工具钢的子类别有:

    • 油淬(O 系列):在生产过程中,这些合金在油中淬火。它们含有 0.85–2.00% 的碳,并且通常少于 1% 的其他合金元素。这些元素可以包括锰、硅、钨、铬、钒和钼。

    • 空气淬火(A 系列):在生产过程中,这些合金在空气中淬火。它们的碳含量为 0.05–2.85%。这些钢可以含有高达 5% 的铬。高铬意味着A系列在热处理过程中不会发生尺寸变形。铬产生更小的公差。

    • 高碳铬(D 系列):这些冷作钢的工作温度高达 797°F (425°C)。它们含有 1.4-2.5% 的碳和 11-13% 的铬。根据合金的不同,它们可以进行空气淬火或油淬,并且在任何一种冷却方法中都几乎没有变形。这些合金通常具有很高的耐磨性。



烟雾来自钻入金属的钻孔器。



  1. 热作工具钢

    热作工具钢都含有更高比例的合金元素,以产生更多的碳化物并处理更高的工作温度。热作工具钢可以在高达 1004°F (540°C) 的温度下工作。作为一个群体,大多数人的碳含量很低,低于 0.6%。

    热作工具钢通常用于高温制造,具有金属和玻璃等具有延展性的热材料。模具、冲压机、挤压机和压缩机都可以用热作钢制成。即使在长时间受热的情况下,该工具也必须继续发挥作用。

    根据主要合金元素,热作工具钢分为三种主要类型:铬、钨或钼。少数具有高含量的铬和钨,因此根据制造商分类为钨或铬。主要合金元素产生钢中的碳化物类型,每种碳化物都有不同的优点。

    热作工具钢的子类别有:

    • :铬热作工具钢含有 3–5% 的铬。其他合金元素如钨、钒或钼低于 5%。钒通常用于制造切削工具的钢中。这组合金(特别是 AISI H13)是最常用的热作工具。

    • :这些合金通常不含任何钼或钒。相反,它们含有 9–18% 的钨。大多数钨热作工具钢的铬含量在 2-4% 之间。这并非普遍适用:例如,合金 AISI H23 含有 12% 的铬和 12% 的钨。H23 有时称为铬钢,有时称为钨钢,有时两者兼而有之。钨钢具有出色的耐热性,但很脆;这是通过在使用前预热到工作温度来管理的。

    • :许多铬热作工具钢中都含有少量钼。用于比较恶劣环境的优质热作钢有很多。钼在严苛的热加工应用中产生更高的热稳定性和耐磨性。钼合金 AISI H42 和 H43 通常用作金属轧机中的模具或刀具,以处理切削和锻造的热量和力。

  2. 高速工具钢

    现代生产工艺在一定程度上是这类工具钢的发明的可能。高速运转的切削工具和机床钻头会因摩擦而变热。高速材料创新使机械师能够提高生产率。

    1900年,高速工具钢在巴黎展览会上首次亮相。一群制造商看到顶端由于摩擦而开始发光,但仍在继续工作。1890 年代的切割速度为每分钟 5-30 英尺,到 1905 年,机器以每分钟 150 英尺的速度移动。

    高速工具钢含有 14-18% 的钨、3-5% 的铬、0.6% 的碳和其他元素,具体取决于应用。



生产线上的一系列大型钢制减震弹簧。



  1. 抗震工具钢

    S 组抗冲击工具钢很坚固,具有高抗冲击性。它们的力量不仅仅在于工具的表面或“冲击”层。它们可用于弹簧、凿子、冲压模具和冲头。这组合金通常含有许多合金元素,其中大部分存在于其他工具钢中。然而,这类钢中含有 0.15-3% 的硅。

  2. 特殊用途工具钢

    这组合金是奇怪的鸭子栖息的地方;这些金属用于特定应用,甚至可能由冶金学家为特定制造商制造。该组包括低合金、高铁钢,所有其他合金元素都很少使用。这些比较像廉价的 W 钢,也是水淬的。其他元素的微量添加提高了机械性能,但降低了成本。低碳“模具”钢也在这组特殊用途合金中。这些用于必须耐热和耐磨但不需要高抗冲击性的热塑性塑料成型。


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