工具鋼
基本概念：工具鋼是指用于制造切削工具、量具、模具及抗高溫軟化彈簧、各類軸承和一些耐磨零件等的鋼。通常分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼。
工具鋼的特性
工具鋼具有良好的強度、韌性、硬度、耐磨性和回火穩(wěn)定性等性能。主要用于制造各種切削刀具、成形工具和測量工具。
（1）硬度
工具鋼制成工具經(jīng)熱處理后具有足夠高的硬度，如用于金屬切削加工的工具一般在HRC60以上，工具在高的切削速度和加工硬材料所產(chǎn)生高溫的受熱條件下，仍能保持高的硬度和良好的紅硬性。碳素工具鋼和合金工具鋼一般在180℃-250℃、高速工具鋼在600℃左右的工作溫度下，仍能保持較高的硬度。紅硬性對熱變形模具和高速切削刀具用鋼是非常重要的性能。
（2）耐磨性
工具鋼具有良好的耐磨性，即抵抗磨損的能力。工具在承受相當(dāng)大的壓力和摩擦力的條件下，仍能保持其形狀和尺寸不變。
（3）強度和韌性
工具鋼具有一定的強度和韌性，使工具在工作中能夠承受負荷、沖擊、震動和彎曲等復(fù)雜的應(yīng)力，以保證工具的正常使用。
（4）其他性能
由于各種工具的工作條件不同，工具用鋼還具有一些其他性能，如模具用鋼還應(yīng)具有一定的高溫力學(xué)性能、熱疲勞性能、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性能等。
工具鋼除了具有上述使用性能外，還應(yīng)具有良好的工藝性能。
（1）加工性
工具鋼應(yīng)具有良好的熱壓力加工性能和機械加工性能，才能保證工具的制造和使用。鋼的加工性取決于化學(xué)成分、組織和質(zhì)量。
（2）淬火溫度范圍
工具鋼的淬火溫度范圍應(yīng)足夠?qū)挘詼p少過熱的可能性。
（3）淬硬性和淬透性
淬硬性是鋼在淬火后所能達到最高硬度的性能。淬硬性主要與鋼的化學(xué)成分特別是碳含量有關(guān)，碳含量越高，則鋼的淬硬性越高。 淬透性表示鋼在淬火后從表面到內(nèi)部的硬度分布狀況。淬透性的高低與鋼的化學(xué)成分、純潔度、晶粒度有關(guān)。
根據(jù)用于制造不同的工具，對這兩種性能各有一定的要求。
（4）脫碳敏感性
工具表面發(fā)生脫碳，將使表面層硬度降低，因此要求工具鋼的脫碳敏感性低。在相同的加熱條件下，鋼的脫碳敏感性取決于其化學(xué)成分。
（5）熱處理變形性
工具在熱處理時，要求其尺寸和外形穩(wěn)定。
（6）磨削性
對制造刀具和量具用鋼。要求具有良好的磨削性。鋼的磨削性與其化學(xué)成分有關(guān)，特別是釩含量，如果釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于0.50％則磨削性變壞。
工具鋼的分類
一、碳素工具鋼
碳素工具鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在0.65-1.35％之間，按其組織屬于亞共析、共析或過共析鋼。碳素工具鋼熱處理后表面可得到較高的硬度和耐磨性，心部有較好的韌性；退火硬度低（不大于HB207），加工性能良好。但其紅硬性差，當(dāng)工作溫度達250℃時，鋼的硬度和耐磨性急劇下降，硬度下降到HRC60以下、這類鋼的淬透性低。較大的工具不能淬透（水中淬透直徑為15mm），水淬時表面淬硬層與中心部位硬度相差很大。使工具在淬火時易產(chǎn)生變形。或形成裂紋此外，其淬火溫度范圍窄，在淬火時應(yīng)嚴(yán)格控制溫度。防止過熱、脫碳和變形。
碳素工具鋼的硬度與鋼中的碳含量和工具的尺寸有關(guān)，其硬度和力學(xué)性能除與碳含量有關(guān)外，還與淬火和回火的溫度有關(guān)。過高或過低的淬火溫度同樣對碳素工具鋼的力學(xué)性能和耐磨性都是不利的，碳素工具鋼淬火后必須進行低溫回火，以使淬火后的殘余應(yīng)力得到部分消除，避免因產(chǎn)生過大應(yīng)力而開裂或變形，并且在不降低或稍許降低硬度的情況下，提高其強度和塑性。 碳素工具鋼中的碳含量對經(jīng)淬水及低溫回火的強度和塑性有影響。亞共析鋼強度隨著碳含量增加而增加，到0.60-0.70％時達最大值，其后強度隨著碳含量的增加而降低，至接近共析鋼成分時強度最低，之后，其強度又隨碳含量增加而增加，當(dāng)碳含量大于0.15％時，強度又隨碳含量增加而下降。
可以看出，亞共析成分的鋼，如T7、T7A，具有較好的塑性和強度，適于制造受沖擊負荷的工具和切削軟材料的刀具；共析成分的鋼，如T8、T8A、T9、T9A，其強度和塑性較低，加熱時容易過熱，變形較大，不適用于制造受沖擊大的工具，但熱處理后具有較高的硬度和耐磨性；過共析成分的鋼，如T10、T10A、T11、T11A，具有較好的綜合力學(xué)性能，如硬度、耐磨性和韌性等，主要用于制造不受突然震動的工具；如T12、T12A，具有高的硬度和耐磨性，但韌性低，用于不受震動和沖擊的工具。 用碳素工具鋼制造的工具，其工作條件不同要求也不同。刃具鋼要求高的硬度、耐磨性和紅硬性；量具鋼除要求高的硬度、耐磨性外，還要求高的尺寸穩(wěn)定性和足夠的韌性；冷作模具鋼除要求高的硬度、耐磨性外，還要求高的強度、足夠的韌性和良好的工藝性能。
二、合金工具鋼
合金工具鋼的淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高，按用途大致可分為刃具、模具和量具用鋼3類。其中碳含量高的鋼（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.80％）多用于制造刃具、量具和冷作模具，這類鋼淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足夠的耐磨性；碳含量中等的鋼（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35％-0.70％）多用于制造熱作模具，這類鋼淬火后的硬度稍低，為HRC50-55，但韌性良好。
（一)刃具用鋼 刃具在工作條件下產(chǎn)生強烈的磨損并發(fā)熱，還有震動和承受一定的沖擊負荷。刃具用鋼應(yīng)具有高的硬度、耐磨性、紅硬性和良好的韌性。為了保證其具有高的硬度，滿足形成合金碳化物的需要，鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.80％-1.45％，鉻是這類鋼的主要合金元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.50％-1.70％，有的鋼還含有鎢，以提高切削金屬的性能。這類工具鋼因含有合金元素，因此淬透性比碳素工具鋼好，熱處理產(chǎn)生的變形小，具有高的硬度和耐磨性。常用的鋼類有鉻鋼、硅鉻鋼和鉻鎢錳鋼等。
（二）模具用鋼
模具大致可分為冷作模具、熱作模具和塑料模具3類，用于鍛造、沖壓、切料、壓型、壓鑄等，由于各種模具用途不同，工作條件復(fù)雜，因此對模具用鋼的性能要求也不同。 冷作模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲板、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應(yīng)具有高的硬度、強度、耐磨隆，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用于這類用途的合金工具鋼一般屬于高碳合金鋼，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.80％以上，鉻是這類鋼的重要合金元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常不大于5％。但對于一些耐磨性要求很高，淬火后變形很小的模具用鋼，最高鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)町達13％，并且為了形成大量碳化物，鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也很高，最高可達2.0％-2.3％。冷作模具鋼的碳含量較高，其組織大部分屬于過共析鋼或萊氏體鋼。常用的鋼類有高碳低合金鋼、高碳高鉻鋼、鉻鉬鋼、中碳鉻鎢釧鋼等。 熱作模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型，包括熱鍛模、壓力機鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具用于使熱態(tài)金屬或液態(tài)金屬獲得所需要的形狀，制成所需要的產(chǎn)品。這種模具在工作中除要承受巨大的機械應(yīng)力外，還要承受反復(fù)熱和冷卻的作用，而引起很大的熱應(yīng)力。熱作模具鋼除應(yīng)具有高的硬度、強度、紅硬性、耐磨性的韌性外，還應(yīng)具有良好的高溫強度、熱疲勞穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個截面具有一致的力學(xué)性能。
對于壓鑄模用鋼，還應(yīng)具有表面層經(jīng)反復(fù)受熱和冷卻不產(chǎn)生裂紋，以及經(jīng)受液態(tài)金屬流的沖擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬于中碳合金鋼，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.30％-0.60％，屬于亞共析鋼，也有一部分鋼由于加入較多的合金元素（如鎢、鉬、釩等）而成為共析或過共析鋼。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。 塑料模具包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性和耐蝕性等性能。此外，還要求具有良好的工藝性能，如熱處理變形小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度高、導(dǎo)熱性好和工作條件下尺寸和形狀穩(wěn)定等。一般情況下，注射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼；熱固成形和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。
（三）量具用鋼
量具應(yīng)具有良好的尺寸穩(wěn)定性、高耐磨性、高硬度和一定的韌性。因此，量具用鋼應(yīng)具有硬度高、組織穩(wěn)定、耐磨性好，以及良好的研磨和加工性能、熱處理變形小、膨脹系數(shù)小和耐蝕性好。這類鋼一般屬于過共析鋼。加入的合金元素有鉻、錳、鎢、鉬等。常用的鋼類有鉻鋼、鉻鎢錳鋼、錳釩鋼等。
三、高速工具鋼
高速工具鋼主要用于制造高效率的切削刀具，由于其具有紅硬性高、耐磨性好、強度高等特性，也用于制造性能要求高的模具、軋輥、高溫軸和高溫彈簧等。高速工具鋼經(jīng)熱處理后的使用硬度可達HRC63以上，在600℃左右的工作溫度下仍能保持高的硬度，而且其韌性、耐磨性和耐熱性均較好。退火狀態(tài)的高速工具鋼還具有較好的機械加工性能，可制造各種形狀復(fù)雜的精密工具。高速工具鋼的主要合金元素有鎢、鉬、鉻、釩，還有一些高速工具鋼中加入了鈷、鋁等元素。這類鋼屬于高碳高合金萊氏體鋼，其主要的組織特征之一是含有大量的碳化物。鑄態(tài)高速工具鋼中的碳化物是共晶碳化物，經(jīng)熱壓力加工后破碎成顆粒狀分布在鋼中，稱為一次碳化物；從奧氏體和馬氏體基體中析出的碳化物稱為二次碳化物。這些碳化物對高速工具鋼的性能影響很大，特別是二次碳化物，其對鋼的奧氏體晶粒度和二次硬化等性能有很大影響。碳化物的數(shù)量、類型與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關(guān)。鎢、鉬是高速工具鋼的主要合金元素，對鋼的二次硬化和其他性能起重要的作用。鉻對鋼的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用，對二次硬化也有一定的作用。
釩對鋼的二次硬化和耐磨性起重要作用，但降低可磨削性。鈷是非碳化物形成的元素，可以改善鋼的二次硬化和耐熱性能，鋁可改善鋼的切削性能。 高速工具鋼的淬火溫度很高，接近熔點，其目的是使合金碳化物更多地溶入基體中，使鋼具有更好的二次硬化能力。高速工具鋼淬火后溫度升高，此為第一次硬化，但淬火溫度越高，則回火后和強度和韌性越低。淬火后在350℃以下低溫回火硬度下降，在350℃以上溫度回火硬度逐漸提高，至520-580℃范圍內(nèi)回火（化學(xué)成分不同，回火溫度不同）出現(xiàn)第二次硬度高峰，并超過淬火硬度，此為二次硬化。這是高速工具鋼的重要特性。 高速工具鋼除了具有高的硬度、耐磨性、紅硬性等使用性能外，還具有一定的熱塑性、可磨削性等工藝性能。 鎢系高速工具鋼的主要合金元素是鎢，不含鉬或含少量鉬。其主要特性是過熱敏感性小，脫碳敏感性小、熱處理和熱加工溫度范圍較寬，但碳化物顆粒粗大，分布均勻性差，影響鋼的韌性和塑性。 鎢鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鎢和鉬。其主要特性是碳化物的顆粒度和分布均優(yōu)于鎢系高速工具鋼，脫碳敏感性和過熱敏感性低于鉬系高速工具鋼，使用性能和工藝性能均較好鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鉬，不含鎢或含少量鎢。其主要特性是碳化物顆粒細，分布均勻、韌性好，但脫碳敏感性和過熱敏感性大、熱加工和熱處理范圍窄。 含鈷高速工具鋼是在通用高速工具鋼的基礎(chǔ)上加入一定量的鈷，可顯著提高鋼的硬度、耐磨性和韌性。 粉末高速工具鋼是用粉末冶金方法生產(chǎn)的。首先用霧化法制取低氧高速工具鋼預(yù)合金粉末，然后用冷、熱靜壓機將粉末壓實成全致密的鋼坯，再經(jīng)鍛、軋成材。粉末高速工具鋼的碳化物細小、分布均勻，韌性、可磨削性和尺寸穩(wěn)定性等均很好，可生產(chǎn)用鑄錠法個可能生產(chǎn)的更高的合金元素含量的超硬高速工具鋼。
粉末高速工具鋼可分為3類，第一類是含鈷高速工具鋼，其特點是具有接近硬質(zhì)合金的硬度，而且還具有良好的可鍛性、可加工性、可磨性和強韌性。第二類是無鈷高鎢、鉬、釩超硬高速工具鋼。第三類是超級耐磨高速工具鋼。其硬度不太高，但耐磨性極好，主要用于要求高耐磨并承受沖擊負荷的工作條件。