工具钢的金属成分和生产--昆山捷翔

时间：2024-04-17 07:32:39 来源：企鹅电竞电脑版网址

  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，这些钢材能够直接进行切割、研磨、钻孔、冲压、敲击或其他艰巨的工作。工具钢一定要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，这在某种程度上预示着它们能抵抗压力、化学物质或热的分解。

  然而，制造工具钢的不单单是化学。工具钢的硬度也来自精确控制的热处理和淬火。

  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。铁和碳在不同的“相”中移动，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。将此与非常缓慢的冷却作比较，其中谷物跟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气温变化感到震惊。

  工具钢有六大类。四种最常见的是水硬化、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。

  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。有几率存在其他合金元素，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可以获得坚硬的外层。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。

  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，所以冷作工具钢一定要具有抗压强度。

  在这种情况下，寒冷并不代表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。

  （O 系列）：在生产的全部过程中，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。

  （A 系列）：在生产的全部过程中，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可能会发生尺寸变形。铬产生更小的公差。

  （D 系列）：这些冷作钢的工作时候的温度高达 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，它们能进行空气淬火或油淬，并且在任何一种冷却方法中都就没有变形。这些合金通常有很高的耐磨性。

  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时候的温度。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。

  ：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%。钒通常用来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。钨钢具有非常出色的耐热性，但很脆；这是通过在使用前预热到工作时候的温度来管理的。

  ：许多铬热作工具钢中都含有少量钼。用于非常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耐热性和耐磨性。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。

  现代生产的基本工艺在某些特定的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可提升生产率。

  1900年，高速工具钢在巴黎展览会上首次亮相。一群制造商喘着粗气看到尖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。

  S 组抗冲击工具钢非常坚固，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。

  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，甚至有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。这些最像廉价的 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。