碳素工具钢及其牌号与性能解析

为了了解各种牌号工具钢的特性，就必须以碳素工具钢作为参照物。因此，各种工具钢，都将在钢中加入少量的合金元素或不加合金元素来讨论其性能。GB/T 1298—2008《碳素工具钢》规定了8个牌号：T7、T8、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13。而美国（AISI）将碳素工具钢分成四个系列：

1）钢中碳、硅、锰含量均为常量（110系）。

2）含有少量的钒（质量分数为0.10%～0.50%）（120系）。

3）含有少量的铬（质量分数为0.10%～0.50%）（130系）。

4）含有少量的铬（质量分数为0.35%）和钒（质量分数为0.20%）（140系）。

美国的110系和120系是碳素工具钢中应用最多的两种，其碳含量范围很宽（质量分数为0.65%～1.35%）。碳是决定钢性能的主要元素，也是最重要的元素，即使微量的变化也会引起钢性能较大的变化。硅和锰含量基本不变。

在碳素工具钢冶炼时，硅主要用作还原剂。在碳素工具钢中硅的质量分数≤0.35%，当其质量分数超过0.50%时，才影响到钢的性能。当然硅含量较高时，若含量达到上限值，将会出现耐磨性升高而韧性下降的现象；当硅含量高以及碳的质量分数≥1.0%时，则易出现石墨化，降低钢的淬硬性。

碳素工具钢中的锰比硅更重要。锰会影响钢的淬透性，增加淬硬深度，其作用比硅在碳素工具钢中的影响大得多；然而当硅的质量分数接近于1.0%时，硅的作用恰巧与锰相似。在标准碳素工具钢热处理温度下处理时，高锰含量的钢由于临界点Ac₁低，因而延长加热时间会使晶粒变粗。在这些钢中，若锰的质量分数≥0.4%，水淬的开裂概率大大增加，推测这是由于马氏体点低，以及由于迅速冷却通过这个温度范围时，钢不能承受由此而产生的高应力的缘故。在锰含量高的钢中，由于获得较深的淬硬层，也很难承受由此而产生的应力。在制订热处理工艺时，选好用好淬火冷却介质显得尤为重要。

按品质分，碳素工具钢分为优质钢和高级优质钢（如T10A）两类。碳素工具钢中S、P的质量分数通常都不大于0.03%，它们对钢的性能影响不太大；但当超标时，P会使钢产生冷脆，S会使钢产生热脆。除了化学成分外，其他因素也有影响，如晶粒度、网状碳化物、非金属夹杂物等。

碳素工具钢生产成本较低，原材料来源方便，易于冷热加工，在热处理后可获得相当高的硬度，在工件受热较低的情况下耐磨性较好，因而得到广泛的应用。其中，高级优质碳素钢韧性较高，磨削时可获得较低的表面粗糙度值，适宜制作形状复杂、精度较高的工具。但是，该钢热硬性较差，工作温度超过250℃以后，硬度和耐磨性迅速下降；淬透性也差，当工具的有效直径>15mm时，水淬后只有表面很浅的一层得到高硬度，故不能制作大尺寸的工具。这类钢淬火温度范围窄，易过热，畸变大，淬裂现象时有发生，易产生软点、软块。

碳素工具钢适宜制造手工和低速切削的刀具、冷作模具、夹具、量具及五金工具等。

1.碳素工具钢的锻造

碳素工具钢是工具钢中最容易锻造的钢种，锻造温度为980～1060℃。因加热温度高及成分的关系，组织中不含有降低可锻性的过剩碳化物，不需要像锻造高速工具钢那样小心谨慎，但也应尽量避免在锻造温度下延长加热时间，以减少表面氧化和脱碳。每一个牌号都有具体的锻造温度范围。最佳的锻造温度取决于钢中的碳含量，碳含量越低，锻造温度越高。终锻温度与碳含量之间有着相似的关系，即碳含量越低，终锻温度越高。锻后一般采用堆积式空冷或自然冷却。

作为制造工具的材料，为了在退火前获得均匀的组织，锻后可以在稍高于Ac_cm线的温度正火（最好利用锻造余热）。

2.退火

为了保证晶粒细化和改变钢的组织使之适于机械加工和热处理，在锻造和正火后，或者冷加工后，退火是必要的。退火的目的是：

1）使钢软化易于切削加工。

2）改变组织从而改善可加工性。

3）获得有利于淬火的均匀组织。

为了减少钢的氧化和脱碳，退火时应密封在惰性物质（如干砂）中，按各自的退火温度加热。装箱可保证自退火温度缓慢冷却，但由于焦炭、铸铁屑、锯木屑这一类填充材料可能引起轻微的增碳（密封不好也会脱碳），应酌情而用。保温时间应根据钢材截面厚度来决定，截面厚度达1in（25.4mm）的退火保温时间15min就足够了，而一个截面尺寸为8in（203.2mm）的工件保温时间约为2.5h。从退火温度缓慢冷却（冷却速度≤28℃/h）到593℃后，允许以较快的速度冷却。

退火工艺方法有多种，工厂里常用普通退火和等温退火，极少数单位用正火代替退火。不同的软化方法有不同的金相组织，它们决定着工具的可加工性和淬硬性。

应该强调的是，无论正火或退火，如果加热的最高温度不超过Ac_cm，则残留碳化物总会存在；冷却过程中，很难产生层状组织，并且不会形成沿晶粒边界的网状渗碳体。冷却速度只决定球化程度。若加热温度高于Ac_cm，则必须注意防止冷却过程中形成网状渗碳体，并且很可能形成层状组织。

实践证明，球化退火优于其他预备热处理工艺。影响球化退火质量的因素有：

（1）钢材的化学成分 随着碳含量的增加，碳化物的数量增多，可获得球状碳化物的奥氏体化的加热温度范围增宽，这是T12钢比T7钢易于球化的主要原因。因为在同样加热温度下，碳含量较高的钢剩余碳化物质点多，奥氏体成分不均匀性大，有利于球状碳化物核心的形成。

（2）原始金相组织 原始组织越细，在奥氏体化时得到残留碳化物颗粒也越多，冷却时的球化核心也越多，球化效果便越好；反之，球化效果就差。如果原始组织中有网状碳化物，经球化退火后可能变成断续的链状碳化物，需要用正火加以消除。正常锻轧后空冷或正火后的组织都比较细小，是良好的球化退火前的原始组织。

（3）加热温度和加热时间 当加热温度比较低（如略高于Ac₁）且加热时间又短时，原片状珠光体中的碳化物溶解不够充分，退火后将得到细粒状加细片状混合的珠光体组织，通常称为欠热组织。当球化退火温度过高时，碳化物大量溶入奥氏体，残留碳化物数量减少，奥氏体成分趋向均匀，因形成球状碳化物的核心减少，退火后将得到部分或全部粗大的片状珠光体，这就是过热组织。因此，退火温度和加热时间应合理。

（4）冷却速度 在球化的冷却条件下，冷速慢或等温温度高时，碳化物颗粒聚集尺寸增大；冷却快或等温温度低时，因过冷度增大，碳化物形核率增加，加之聚集不充分，所得碳化物的颗粒细小。

3.淬火

碳素工具钢基本上都在淬硬态下使用。淬火是把钢加热到Ac₁以上并淬入冷却介质中去。从铁碳相图不难看出，淬火前是奥氏体加过剩碳化物组织，在控制淬硬性方面，这是极其重要的。奥氏体化后快速投入到盐水或有关淬火冷却介质中，是为了阻止奥氏体向珠光体转变，这一转变在704～482℃之间会很快发生。然而一旦快冷至482℃以下，就不再形成珠光体，到达Ms点后剩下的奥氏体将转变为马氏体。(www.xing528.com)

由于在奥氏体温度下过剩碳化物不能溶解，并且有残留奥氏体，淬硬区的组织不全部是马氏体。要认真对待残留奥氏体，其数量和稳定性对钢的性能将产生很大影响。奥氏体转变成马氏体过程的某种重要特征及应用概述如下：

1）淬火时，当达到Ms点（碳的质量分数为1.0%的钢，788℃奥氏体化，Ms点大约为204℃）时，马氏体开始形成，继续降低温度则进一步发生马氏体转变；如果是连续冷却，当冷到大约-157℃时，还有1%（体积分数）奥氏体被保留下来。Ms点主要取决于淬火前奥氏体的合金含量。因此，Ms点是随钢的具体成分、奥氏体化温度和奥氏体化时间而变化的。合金含量高的钢，Ms点低些，并且转变曲线水平移向低温。显然，高的合金含量、高的奥氏体化温度以及长的奥氏体化时间，通常将导致在淬火状态组织中会保留大量的残留奥氏体。冷处理可以减少残留奥氏体并增加淬火态硬度。

2）若淬火在室温停顿下来，奥氏体转变成马氏体的过程并不立即停止，在等温保持时还会继续少量转变。鉴于此，淬火后的工件不宜在室温下搁置太久，应尽快回火，否则有置裂危险。如果在室温停顿后重新继续冷却，则马氏体转变并不立即进行，直到达到适当低的某一温度时才重新开始，随着在室温停留时间的增加，Ms点降低。在Ms以下重新开始马氏体转变，其转变曲线从连续冷却曲线向下垂直移动，其数值由在室温下停留时所产生的奥氏体的“稳定化”的量衡量。“稳定化”也可以发生在高于室温的某一温度，且导致在回火前产生大量的残留奥氏体，甚至在通过奥氏体转变为马氏体的温度范围时冷却速度也将影响“稳定化”。冷却越慢，产生残留奥氏体量越多。

如果冷却不当，可能产生马氏体+奥氏体的混合组织，其硬度是碳含量的函数。只要碳的质量分数≥0.60%，任何一种钢通常可获得所能达到的最高硬度。因此，若能以适当的速度冷却，所有的碳素工具钢都很容易淬硬到最高的硬度值。若残留奥氏体量超过正常值，则会稍稍降低硬度，然而这种降低有限，一般不超过3HRC。

通过等温淬火，碳素工具钢也可获得中等硬度的贝氏体组织，当在高温形成时则基本呈“羽毛”状，而在Ms点附近则形成针状。要在碳钢中形成贝氏体比较难，必须在高温区（即珠光体可能形成的范围）快冷，超过临界冷却速度，然后停止冷却或者大大降低冷却速度，这样等温转变可以在530℃和Ms点之间的范围内发生。显而易见，形成贝氏体组织的能力主要地取决于钢的淬透性，因而碳素工具钢形成贝氏体的能力很差。某些碳素工具钢制工具，若非要施行等温淬火，建议向钢厂专门订货，在钢中适当增加能提高淬透性的合金元素的含量，但只适合小截面工具。

4.碳素工具钢的淬透性问题

碳素工具钢虽然连中等尺寸的截面都不能淬透，但它仍是用途很广的工具钢之一。因为它有一个硬度高的马氏体表面层，同时伴有一个韧性较好的珠光体心部。钢的淬硬层深度决定于淬透性。钢的化学成分（尤其是合金元素含量）、淬冷前奥氏体晶粒大小、残留碳化物的存在、淬火加热前钢的原始组织，以及淬火加热速度等，都是影响淬透性的因素。

碳素工具钢淬透性的影响通常被其他因素掩盖着。随着钢中碳含量的增加，即使对过共析钢，若钢的晶粒大小相同并且没有未溶碳化物存在，钢的淬透性也会连续不断地增加。但实际上在过共析钢中这种情况是决不会出现的，而且当从相同的淬火温度淬火时通常会发现，共析钢比过共析钢的淬透深度深些，在过共析钢中过剩碳化物的存在和细的晶粒通常有助于这种现象的出现。

除钴以外，所有的合金元素对提高钢的淬透性都是有益的，由于它们缓和了奥氏体转变为珠光体反应的速度，所以能提高淬透性。实践充分表明，Mn、Mo、Cr溶解在奥氏体中时，能显著增加钢的淬硬层深度，而Ni、Si、W的作用相对小些。

在碳素工具钢中没有规定添加大量的合金元素，可以用调节化学成分的方法，即在狭窄的范围内调节控制允许存在的非主要元素的办法来成功地控制钢的淬透性。如果不严加控制，非主要元素也会使淬透性发生重大的变化。例如，磷的质量分数从0.013%～0.018%增加到0.04%时，淬透性会大大提高。碳素工具钢虽然是低档的工具材料，也应该分炉号管理，化学成分虽然都符合相关标准，但碳及微量元素肯定有差异，这会影响到钢的淬透性。

控制奥氏体晶粒度对控制淬透性是非常有效的，这个事实早已在高碳工具钢淬硬深度试验中得到了证实。由于高碳工具钢在热处理淬火温度下总是有过剩碳化物存在，提供了珠光体形核的核心，减少了淬硬深度，因而在断口晶粒大小和淬透性之间的真实关系是难于获得的。提高淬火温度时，碳化物溶解而同时奥氏体晶粒也增大，区分这两个因素是极其困难的。有研究得出，晶粒大小只要变化一级，淬透性改变大约10%（理想临界直径）。对于碳的质量分数为1.0%的普通碳素工具钢，当淬火温度高于Ac_cm时，淬透性随断口晶粒大小而变化。晶粒大小除了对淬透性有很大影响外，对淬裂危险性也很敏感，保持细小的奥氏体晶粒可避免淬裂。

原始组织为球状碳化物淬火试样和原始组织为珠光体的淬火试样的比较，揭示了过共析钢淬火加热前组织对淬透性的影响。这些组织用正火的和退火的试样来代表，与正火和退火后再于871℃油淬的试样比较，前者会获得很深的淬硬层（较好的淬透性）。残留碳化物的分布和数量以及奥氏体晶粒大小的变化，可以说明原始组织对淬透性的影响。在淬火温度低于Ac_cm时，原始组织为珠光体的试样的组织形态为奥氏体加上许多细小的碳化物质点，而原始组织为球状组织的试样的组织形态为奥氏体加上较大的和少量的碳化物质点。细小的碳化物质点淬火时有很大的珠光体生核倾向，因而降低了淬透性。在细珠光体试样中也可能呈现较细的晶粒，应该认为是它起了促进作用。若试样仅仅只进行短时间加热时，原始组织的作用在高温下可能会颠倒过来。在更高温度下，平衡状态要求均匀奥氏体，细小珠光体原始组织中碳化物由于细小而均匀，会更容易溶解，这种组织具有较高的淬透性。

加热速度对淬透性也有影响，这往往被人们所忽视。若试样进行“零保温”淬火，则盐浴炉加热的试样和空气炉加热的试样相比，前者超过临界温度的有效时间较短，实际操作时由于这种作用而使淬硬深度稍有降低。若是考虑到在临界温度以上的总时间，碳的质量分数为1.0%～1.10%的碳素工具钢在常规淬火温度下淬火处理，这种作用可以忽略不计。慢的加热速度致使较长时间的加热，碳化物溶解充分，因而有较高的淬透性。加热速度对碳的质量分数为1.0%的碳素工具钢晶粒大小的作用是一种次要影响，但事实上这种作用无疑是存在的。

5.回火

碳素工具钢的正常淬火组织为隐晶或细针马氏体+均匀分布的细粒状碳化物+少量的残留奥氏体。淬火组织中存在较大的应力，在回火时这些应力被消除，碳化物析出，韧性提高，硬度下降。同时，钢的电导率和热导率增加（阻力减少），体积逐渐减小，耐蚀性下降。用X衍射、电子衍射和膨胀法测定的结果表明，回火过程分为三个阶段。回火三个阶段的近似温度范围在回火温度与硬度的关系曲线上有部分是重叠的，如图1-1所示。

第一阶段——马氏体分解为低碳马氏体（碳的质量分数为0.25%）和ε碳化物（近似成分为Fe_2.4C）。ε碳化物以薄膜的形式在马氏体中的亚晶粒上析出，直径为100～200μm。当钢中碳的质量分数>0.80%时，第一阶段的开始部分反应结果是稍稍提高硬度，然而在这个阶段的后面部分硬度随之降低。在这个阶段比体积变小。

第二阶段——残留奥氏体分解为贝氏体。这个温度范围大约在204～304℃。在这个阶段硬度继续降低而比体积增加。

第三阶段——ε碳化物和低碳马氏体（碳的质量分数为0.25%）反应生成铁素体+渗碳体。这个过程伴随着软化。即使ε碳化物完全消失之后，由于渗碳体继续析出，耗尽了铁素体基体中的碳而导致进一步软化。碳化物质点的聚集也有助于这种软化。

图1-1 w（C）为1.00%的碳素工具钢回火温度对硬度的影响

注：1.试样直径为1in（25.4mm），长度为2in（50.8mm）。有效回火时间为0.5～2h。

2.摄氏温度（t，单位为°C）与华氏温度（θθ，单位为°F）换算关系为：

图1-1中影线部分表示在工业生产实践中硬度的波动范围（大约2HRC）。图中适用的回火时间为0.5～2h（常规操作）。若回火的时间超过这个范围，回火后硬度的变化可能会大大超过影线部分所示的区域。结论指出，回火开始0.5h内硬度变化很大，对于高温回火的工件几分钟就会呈现很大的变化。因此，有人建议不用足够长的时间，而用调整温度的办法来获得所需硬度值。本着节能高效的原则，更多的人倾向高温短时工艺，提高50℃可能比延长1h效果好。

6.淬火和回火时尺寸的变化

冷加工应力、热应力及组织应力是导致淬火变形的主要原因。加热时，钢自然膨胀，而淬冷时工件外部忽然收缩，使整个工件产生应力。当这些应力超过该材料在所处温度下的屈服强度时，就会出现塑性变形。

残余内应力的生成是由于淬火时几乎不可避免的不均匀塑性变形所引起的。冷却时，任何不超过材料弹性极限的应力，在冷却过程结束时，即整个试样温度均匀时，将被解除。因此，在各个温度下有高的弹性极限，则可以期望减少残余应力。当然，塑性变形会导致尺寸的变化。然而，组织转变应力是由于奥氏体转变为不同的、比体积较大的铁素体-渗碳体集聚体的缘故。这样会引起在局部区域内由于组织转变而产生忽然膨胀且增大的内应力，引起进一步的塑形变形。热应力和组织应力趋势相反，且在某些情况下，虽然不是在常见的工具钢中，这种相反的作用足够大到使事实上在室温下不产生尺寸变化。这种情况在碳素工具钢中或其他水淬硬型工具钢中是不可能遇到的。影响的因素是试样的尺寸和形状、淬火温度，以及钢的化学成分、夹具及淬火冷却介质等。由于影响因素多，事先很难预测尺寸变化的情况。加热和冷却时引起的变形随加热或冷却速度的增加而增大；随化学成分方面任何引起热导率下降的变化而增大；随任何因素引起的在高温下的弹性极限的提高而减少；夹具不合适变形大；冷却不当变形增大。当组织的任何一部分不产生反应时，组织转变应力产生的变形就会减少。碳素工具钢水淬后变形比较大，应使用现行的合成淬火剂或硝盐水溶液。

然而，淬火钢的变形并没有结束，在回火后还会引起进一步的变形。只要工件整体淬透，回火后总是膨胀的。当在120℃回火时，残留奥氏体转变为贝氏体；在更高一些温度回火，短时间就出现贝氏体而发生膨胀；一直到260℃回火，还不能使残留奥氏体全部转变。

时效是补充回火的特殊方法，它能使尺寸趋于稳定。对于尺寸稳定性居首要地位的精密测量工具，这是非常重要的。常常用提高回火温度的方法来提高尺寸的稳定性，然而这会使硬度和耐磨性下降。有人研究了不同热处理工艺对室温下工具尺寸稳定性的作用，对于要求65HRC的零件，用简单的150℃×1h回火的效果，与包括冷处理和多次回火的复合处理的效果是一致的，并且在某些情况下甚至效果更好。