工具钢基本情况概述
工具钢是用以制造各种加工工具的钢种。根据用途不同。工具钢可分为刃具用钢、模具用钢和量具用钢。按化学成分不同。工具钢又可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。
各类工具钢由于工作条件和用途不同。所以对性能的要求也不同。但各类工具钢除飓有各自的特殊性能之外。在使用性能及工艺性能l也有许多共同的要求。如高硬度、高磨性是工具例最重要的使用性能之一。工具若没有足够高的硬度是不能进行切削加工的 。否则，在应力作用下工具的形状和尺寸都要发生变化而失效。高耐磨性则是保证和提高工具寿命的必要条件。
除了上述共性之外，不同用途的工具钢也有各自的特殊性能要求、例如，刃具钢除要求高硬度。高耐磨性外。还要求红硬性及一定的强度和韧性。冷模具钢要求高硬度、高耐磨性、较高的强度和一定的动化热模具钢则要求高的韧性和耐热疲劳性及一定的硬度和耐磨性。对于量具钢。除要求具有高硬度、高耐磨性外。还要求高的尺寸稳定性。
在化学成分上。为了使工具钢尤其是刀具钢具有高的硬度，通常都使其含有较高的碳(含碳量为0.65% ~1.55% )，以保证淬火后获得高碳马氏体、从而得到高的硬度和切断抗力，这对减少和防止工具损坏是有利的。此外，高的合碳量还可以形成足够数量的碳化物以保证高的耐磨性、所加入的合金元素主要是使钢具有高硬度和高耐磨性的一些碳化物形成元素如cr、w、m。、v等。有时也加入mn和si，其目的主要是增加钢的淬透性以达到减少钢在热处理时的变形。同时增加钢回火稳定性。对于切削速度较高的刃具常加入较多的w、mo、v、co等合金元素。以提高钢的红硬性。
工具钢对钢材的纯洁度要求很严。对s、p含量一般均限制在0.02%~0。03%以下。属于优质钢或高级优质钢。钢材出厂时。其化学成分、脱碳层、碳化物不均匀度等均应符合国家有关标准规定、否则会影响工具钢的使用寿命。
生产实践表明刃具钢理想的淬火组织应是细小的高碳马氏体和均匀细小的碳化物。因此刃具钢在热处理前都应进行球化退火，以使碳化物呈细小的颗粒状。且分布均匀。这不仅对保证钢的优良切削性、耐磨性和韧性有利。而且对热处理工艺(如防止或减轻过热敏感性、变形、淬裂倾向等)亦十分有利。
经球化退火后的组织为铁素体。其基体上分布着细小均匀的粒状碳化物。工具钢因含碳量较高，因此。在热处理淬火加热时应在盐浴炉或保护气氛条件下进行加热。否则易产生氧化脱碳现象。值得注意的是应在淬火后及时进行回火。
对于一种工具。选用什么样的钢材合理。首先应从工具的工作条件、失效形式及性能要求出发，然后选择合适的钢种。最后再制订正确的热处理工艺。同时还应考虑工具钢的工艺性能包括热加工性能、切削加工性能和热处理工艺性能。如钢的淬透性、淬硬性、过热敏感性、脱碳倾向性和热处理变形性能等)。
应该注意至，一种钢可以兼有几种用途。如t8钢既可以用来制造简单模具。也可以制造夹具、木工工具、钳工工具等。这些因素在选用工具钢时。均应予以考已本章主要介绍刃具钢、模具钢的工作条件、失效形式及其性能要求。阐述各类钢种的衍变、选材原则及其发挥材料性能潜力的途径。
刃具钢的工作条件及性能要求
刃具在切削过程中。刀刃与工件表面金属相互作用。使切屑产生变形与断裂。并从工件整体上剥离下来。故刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、振动等负荷作用。同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用。由于切屑层金属的变形以及刃具与工件、切属的摩擦产生大量的摩擦热。均使刃具温度升高一切削速度越快。则刃具的温度越高，有时刀刃温度可达600℃左右。
刀刃温度的升高(△t)与切削速度(v)、走刀量(s)和切削进对深度(t)之间有如下经验关系
公式 △t=c·va·sb·tc
式中a、b、c、c均为随刃具与工件材料而异的常数。其中对对对温度升高的影响以切削速度(v)的影响最大。
刀刃的失效形式有多种。有的刀具刀刃处受压弯曲有的刀具受强烈振动、冲击时崩落一块(即崩刃)有的小型刃具整体折断等等。但这些情况毕竟比较少见，刃具较普遍的失效形式是磨损，当刃具磨削到一定程度后就不能正常工作了。否则会影响加工质量。
由上述可知。刃具钢应具有如下使用性能
(1)为了保证刀刃能犁人工件并防止卷刃必须使刃具具有高于被切削材料的硬度(一般应在hrc60以上，加工软材料时可为hrc45~55)故刃具钢应是以高碳马氏体为基体的组织。
(2)为了保证刃具的使用寿命。应当要求有足够的耐磨性。高的耐磨性不仅决定于高便度，同时也决定于钢的组织。在马氏体基体上分布着弥散的碳化物。尤其是各种合金碳化物能有效地提高刃具钢的耐磨损能力
(3)由于在各种形式的切削加工过程中。对具承受着冲击、振动等作用，应当要求对具有足够的塑性和韧性。以防止使用中崩刃或折断。
(4)为了使刃具能承受切削热的作用。防止在使用过程中因温度升高而导致硬度下降。应要求刃具有高的红硬性。钢的红硬性是指钢在受热条件下。仍能保持足够高的硬度和切削能力，这种性能称为钢的红硬性。红硬性可以用多次高温回火后在室温条件下测得的硬度值来表示。所以红硬性是钢抵抗多次高温回火软化的能力，实质上这是一个回火抗力的问题。
应当指出。上述四点是对刃具钢的一般使用性能要求。而视使用条件的不同可以有所侧重。如挫刀不一定需要很高的红硬性。而钻头工作时。其对部热量散失困难。所以对红硬性要求很高。
此外，选择刃具钢时。应当考虑工艺性能的要求。例如。切削加工与磨削性能好。具有良好的淬透性。较小的淬火变形、开裂敏感性等各项要求都是刀具钢合金化及其选材的基本依据。
刃具钢的钢种衍变
通常按照使用情况及相应的性能要求不同。将刃具钢分为：碳素工具钢、合金工具钢和高速钢三类。衡量一个国家工具材料的水平常以高速钢为标准。故重点讨论之。
1.碳素刃具钢
刃具钢最基本的性能要求是；高硬度高耐磨性。高硬度是保证进行切削的基本条件，高耐磨性可保证刃具有一定的寿命。即耐用度。针对上述两个要求。最先发展起来的是碳素刃具钢。其合碳量范围在0.65%~1。35%，属高碳钢。包括亚共析钢、共析钢和过共析钢。
碳素刃具钢的热处理工艺为淬火+低温回火。一般亚共析钢采用完全淬火。淬火后的组织为细针状马氏体。过共析钢采用不完全淬火。淬火后的组织为隐晶马氏体十位溶碳化物。且由于未溶碳化物的存在，使钢的韧性较低。脆性较大。所以在使用中脆断倾向性大。应予以充分注意。
在碳素刃具钢正常淬火组织中还不可避免地会有数量不等的残余奥氏体存在。
①淬火后硬度不是指用途举例中各种工具的硬度，而是指碳素工具钢材料在淬火后的最低硬度。
碳素刃具钢在性能上有两个缺点、一个不足。即淬透性低。工具断面尺寸大于15mm时。水淬后只有工件表面层有高硬度。故不能做形状复杂、尺寸较大的刀具；红硬性差。当工作温度超过250℃，硬度和耐磨性迅速下降。而失去正常工作的能力；碳素刃具钢从成分上看，不含有合金元素。淬火回火后碳化物属于渗碳体型。硬度虽然可达hrc62但耐磨性不足。
碳素刃具钢在热处理时须注意以下几点①碳素工具钢淬透性低，为了淬火后获得马氏体组织。淬火时工件要在强烈的淬火介质(如水、盐水、碱水等)中冷却。因而淬火时产生的应力大。将引起较大的变形甚至开裂。故而淬火后应及时回火②碳素刃具钢在淬火前经球化退火处理，在退火处理过程中。由于加热时间长、冷却速度慢，会有石墨析出使钢脆化(称为黑脆)。③碳素刃具钢由于含碳量高。在加热过程中易氧化脱碳。所以加热时须注意保护。一般用盐浴炉或在保护气氛条件下加热。
综上所述，由于碳素工具钢淬透性低、红硬性差、耐磨性不够高。所以只能用来制造切屑量小、切削速度较低的小型刃具。常用来加工硬度低的软金属或非金属材制。对于重负荷、尺寸较大、形状复杂工作温度超过200℃的刃具。碳素刃具钢就满足不了工作的要求、在制造这类刃具时应采用合金刃具钢、但碳素刃具钢成本低，在生产中应尽量考虑选用。
2.合金刃具钢
合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加入某些合金元素而发展起来的。其目的是克服碳素刃具钢的淬透性低、红硬性差、耐磨性不足的缺点。合金刃具钢的合碳量在0.75%~1.5%合金元素总量则在5%以下。所以又称低合金刃具钢。加入的合金元素为cr、mn、si、w和v等。其中cr、mn、si主要是提高钢的淬造性。同时强化马氏体基体，提高h回火稳定性；w和v还可以细化晶粒； cr、 mn等可溶入渗碳体。形成合金渗碳体，有利于钢耐磨性的提高。
另外，si使钢在加热时易脱碳和石墨化。使用中应注意。如 si、 cr同时入钢中则能降低钢的脱碳和石墨化倾向。
合金刃具钢有如下特点；淬透性较碳素刃具钢好，淬火冷却可在油中进行，放热处理变形和开裂倾向小，耐磨性和红硬性也有所提高。但合金元素的加入，提高了钢的临界点，故一般淬火温度较高。使脱碳倾向增大。
合金刃具钢主要用于制作：①截面尺寸较大且形状复杂的刃具：②精密的刀具；③切削刃在心部的刃具，此时要求钢的组织均匀性要好：④切削速度较大的刃具等。
crwmn钢是最常用的合金刃具钢。经热处理后硬度可达hrc64-66且有较高的耐磨性。crwmn钢淬火后。有较多的残余奥氏体，使其淬火变形小。故有低变形钢之称。生产中常用调整淬火温度和冷却介质配合，使形状复杂的薄壁工具达到激变形或不变形。这种钢适于做截面尺寸较大、要求耐磨性高、淬火变形小。但工作温度不高的拉刀、长丝锥等。也可作量具、冷变形模具和高压油泵的精密部件(柱塞)等。
针对提高耐磨性的要求，发展了cr06、w、w2及crw5等钢。其中crw5又称钻石钢。在水中冷却时，硬度可达hrc67-68。主要用于制作截面尺寸不大(5~15mm)、形状简单又要求高硬度、高耐磨性的工具，如雕刻工具及切削硬材料的刃具。
合金刃具钢的热处理与碳素刃具钢基本相同，也包括加工前的球化退火和成形后的淬火与低温回火。回火温度一般为160-200℃。合金刃具钢为过共析钢一般采用不完全淬火。淬火加热温度要根据工件形状、尺寸及性能要求等选定并严格控制。以保证工件质量。另外。合金刃具钢导热性较差。对于形状复杂、截面尺寸大的工件，在淬火加热前往往先在600-650℃左右进行预热，然后再淬火加认一般采用油淬、分级淬火或等温淬火。少数淬透性较低的钢(如cr06。crw5等钢)采用水淬。
合金刃具钢解决了淬透性低、耐磨性不足等缺点。但由于合金刃具钢所加合金元素数量不多。仍属于低合金范围。故其红硬性虽比碳素刃具钢高。但仍满足不了生产要求。如回火温度达到250℃时硬度值已降到hrc60以下。因此要想大幅度提高钢的红硬性，靠合金刃具钢难以解决，故发展了高速钢。
3.高速钢
多少年来。人们为了提高切削速度。除了改善机床和刀具设计外。刀具材料一直是一个核心问题。前已指出合金刃具钢基本上解决了碳素刀具钢淬透性低、耐磨性不足的缺点，但没有从根本上解决红硬性不高的问题。只有在高速钢问世以后，不但保证了钢的淬透性和耐磨性，而且红硬性也得到了显著提高。
高速钢是一种高碳且含有大量w、mo、cr、v、co等合金元素的合金刃具钢。
高速钢经热处理后，在600℃以下仍然保持高的硬度。可达hrc60以上故可在较高温度条件下保持高速切削能力和高耐磨性。同时具有足够高的强度，并兼有适当的塑性和韧性，这是其他超硬工具材料所无法比拟的。高速钢还具有很高的淬透性。中小型刃具甚至在空气中冷却也能淬透，故有风钢之称。
同碳素刃具钢和合金刀具钢相比，高速钢的切削速度可提高2~4倍，刃具寿命提高8-15倍。
高速钢广泛用于制造尺寸大、切削速度快、负荷重及工作温度高的各种机加工工具。如车刀、刨刀、拉刀、钻头等。此外。还可应用在模具及一些特殊轴承方面。总之。现代工具材料高速打仍占对具材料总量的65%而产值则占70%左右。所以高速钢自问世以来。经百年使用而不衰。
(l)高速钢的化学成分。高速钢是含有大量w、mo、cr、v及co的高碳高合金钢。高速钢成分大致范围如下c0.7%一1.65%、w0%一12%、mo0%~10%、约cr4%、v1%~5%及co0%~12%%5，高速钢中也往往含有其它合金元素如al、nb、ti、si及稀土元素、总量小于2%。
①碳的作用。碳在淬火加热时溶入基体a相中，提高了基作中碳的浓度，这样既可提高钢的淬透性，又可获得高碳马氏体，进而提高了硬度。高速钢中碳与合金元素cr、w、mo、v等形成合金碳化物，可以提高硬度、耐磨性和红硬化高速钢中合碳量必须与合金元素相匹配，过高过低都对其性能有不利影响。每种钢号的合碳量都限定在较窄的范围。所以有人提出平衡碳理论，认为高速钢中含磷量应该满足下式
c=0.033w+0.063mo+0.060cr+0.200v
此式称为g。steven的平衡碳计算式。式中化学符号代表1／100含量，如w1%(质量)要求有0.033%的碳与之相匹配。v1%(质量)要求有)2%的碳相匹配。以下如此类推。
②合金元素的作用。高速钢的合金代主要是围绕提高红硬性这~中心环节而展开的。加入会金元素cr、w、mo、v等。以形成大量细小、弥散、坚硬而又不易聚集长大的合金碳化物。以造成二次硬化效应。通常所形成的强化相有m2c型(如w2c、mo2c)、mc型碳化物(如 vc)、 m23c6型碳化物(如 cr23c6)等。这些碳化物硬度很高。如 vc的硬度可高达hv2700~2990，并且在高温下不易发生聚集长大。另外、w的存在可提高马氏体的高温稳定优w系高速钢在450~60℃还能保持马氏体晶格特征，以维持高的硬度。同时也使w的碳化物在560℃仍保持极为细小的尺寸。于是提供了二次硬化的能力。
由于对具进行高速切削时，使用温度大体在500-600℃还以上，故高速钢实际上是一种热强钢，即高速钢基体有一定的热强性，而合金元素cr、w、mo在高温下固溶强化效果显著，使基体有一定的热强性。这便是高速钢含有大量的cr、w、mo等合金元素的目的。
此外，也应指出，cr的良好作用在于提高钢的淬透性与耐磨性。cr还能使高速钢在切削过程中的抗氧化作用增强。形成较多致密的氧化股。并减少粘刀现象，从而使刃具的耐磨性与切削性能提高。
有些高速钢中加co元素可显著提高钢的红硬性，如w2mo10cr4co8〔美国m42)钢在650~660℃时还具有很高的红硬性。co虽然不是碳化物形成无氟但在退火状态下大部分co处于a-fe中。在碳化物moc中仍有一定的溶解度；
可提高高速钢的熔点，从而使淬火温度提高，使奥氏体中溶解更多的w、 mo、v等合金元素，可强化基体；co可促进回火对合金碳化物的析比还可以起减慢碳化物长大的作用。因此co可通过细化碳化物而使钢的二次硬化能力和红硬性提高；co本身可形成cow金属间化合物，产生弥散强化效果，并能阻止其它碳化物聚集长大。
(2)高速钢的铸态组织及其压力加工。高速钢在成分上差异较大，但主要合金元素大体相同、所以其组织也很相似。以w18cr4v钢为例，当钢成接近平衡冷却时。其在室温下的平衡组织为荣氏体+珠光体+碳化物。但在实际生产中，高速钢铸件冷却速度较快。得不到上述平衡组织，这样。高速钢的铸态组织由鱼骨状菜氏体、黑色组织δ共析体及马氏体加残余奥氏体所组成。
高速钢的铸态组织中出现莱氏体。故又称高速钢为莱氏体钢。
高速钢铸态组织中的碳化物含量多达18%一27%，且分布极不均匀。虽然铸锭组织经过开还和轧制，但碳化物的不均匀性仍非常显著。这种不均匀性对钢的力学性能和工艺性能及所制工具的使用寿命均有很大影响。
(3)高速钢的热处理。
高速钢的热处理包括：机械加工前的球化退火处理和成形后的淬火回火处理。
①高速钢球化退火。高速钢锻造以后必须经过球化退火。其目的不仅在于降低钢的硬度，以利于切削加工。而且也为以后的淬火做好组织准备。另外，返修工件在第二次淬火前也要进行球化退火。否则，第二次淬火加热时，晶粒将过分长大而使工件变脆。
②高速钢淬火。高速钢的热处理工艺曲线如图所示。高速钢的淬火工艺比较特殊：即经过两次预热、高温淬火，然后再进行三次高温回火。
高速钢淬火时进行两次预热。其原因在于：①高速钢中含有大量合金元素。导热性较差、如果把冷的工件直接放人高温炉中。会引起工件变形或开裂，特别是对大型复杂工件则更为突出。②高速钢淬火加热温度大多数在1200℃以上，如果先预热。可缩短在高温处理停留的时间，这样可减少氧化脱碳及过热的危险性。
高速钢第一次预热温度在600~650℃可烘干工件上的水分。第二次预热温度在800~820℃，使索氏体向奥氏体的转变可在较低温度内发生。
高速钢中含有大量难溶的合金碳化物，淬火加热温度必须足够高才可使合金碳化物溶解到奥氏体中。淬火之后马氏体中的合金元素含量才足够高。而只有合金元素含量高的马氏体才具有高的红硬性。图中已经表示出了淬火温度对奥氏体(或马氏体)内合金元素含量的影响、由此可知，对高速钢红硬性影响最大的合金元素是w、mo及v只有在1000℃以上时。其溶解量才急剧增加。温度超过1300℃时，各元素溶解量虽然还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大。甚至在晶界处发生熔化现象，致使钢的强度、韧性下降。所以在下发生过热的前提下，高速钢淬火温度越高。其红硬性越民在生产中常以淬火状态奥氏体晶粒的大小来判断淬火加热温度是否合适。对高速钢来说。合适的晶粒度为9.5~10.5级。
淬火冷却通常在油中进行。但对形状复杂、细长杆状或薄片零件可采用分级淬火和等温淬火等方法。分级淬火后使残余奥氏体量增加20%~30。
量具用钢情况概述
量具的工作条件及量具用钢的性能要求
量具是用来度量工件尺寸的工具，如卡尺、块规、塞规及千分 尺等。由于量具在使用过程中经常受到工件的磨擦与碰撞，而雨量具本身又必须具备非常高的尺寸精确性和恒定性。因此要求具有以下性能：(1)高硬度和高耐磨性。以此保证在长期使用中不致被很快磨损，而失去其精度。(2)高的尺寸稳定性。以保证量具在使用和存放过程中保持其形状和尺寸的恒定。(3)足够的韧性。以保证量具在使用时不致因偶然因素--碰撞而损坏。(4)在特殊环境下具有抗腐蚀性。
常用量具用钢
根据量具的种类及精度要求，量具可选用不同的钢种： (1)形状简单、精度要求不高的量具。可选用碳素工具钢。如t10a、tlla。t12a。由于碳素工具钢的淬透性低，尺寸大的量具采用水淬会引起较大的变形。因此。这类钢只能制造尺寸小、形状简单、精度要求较低的卡尺、样板、量规等量具。
(2)精度要求较高的量具(如块规、塞规料通常选用高碳低合金工具钢。如cr2、crmn、crwmn及轴承钢gcr15等。由于这类钢是在高碳钢中加入cr、mn、w等合金元素，故可以提高淬透性、减少淬火变形、提高钢的耐磨性和尺寸稳定性。
(3)对于形状简单、精度不高、使雨中易受冲击的量具，如简单平样板、卡规、直尺及大型量具，可采用渗碳钢15。 20、15cr、20cr等。但量具须经渗碳、淬火及低温回火后使用。经上述处理后。表面具有高硬度、高耐磨性、心部保持足够的韧性。也可采用中碳钢50、55 、60、65制造量具。但须经调质处理。再经高频淬火回火后使用。亦可保证量具的精度。
(4)在腐蚀条件下工作的量具可选用不锈钢4cr13、9cr18制造。经淬火、回火处理后可使其硬度达hrc56-58，同时可保证量具具有良好的耐腐蚀性和足够的耐磨性。
若量具要求特别高的耐磨性和尺寸稳定性。可选渗氮钢38crmoal或冷作模具钢cr12mov。
3crmoal钢经调质处理后精加工成形，然后再氯化处理。最后需进行研磨。cr12mov钢经调质或淬火、回火后再进行表面渗氮或碳、氮共渗。两种钢经上过热处理后。可使量具具有高耐磨性、高抗蚀性和高尺寸稳定性。
量具钢的热处理
量具钢热处理的主要特点是在保持高硬度与高耐磨性的前提下，尽量采取各种措施使量具在长期使用中保持尺寸的稳定。量具在使用过程中随时间延长而发生尺寸变化的现象称为量具的时效效应。这是因为。①用于制造量具的过共析钢淬火后含有一定数量的残余奥氏体，残余奥氏体变为马氏体引起体积膨版。②马氏体在使用中继续分解，正方度降低引起体积收缩③残余内应力的存在和重新分布，使弹性变形部分地转变为塑性变形引起尺寸变化。因此在量具的热处理中。应针对上述原因采用如下热处理措施：
(1)调质处理。其目的是获得回火索氏体组织，以减少淬火变形和提高机械加工的光洁度。
(2)淬火和低温回火。量具钢为过共析钢。通常采用不完全淬火加低温回火处现在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度并进行预热，以减少加热和冷却过程中的温差及淬火应力。量具的淬火方式为油冷(20~30℃)不宜采用分级淬火和等温淬火。只有在特殊情况下才予以考虑。一般采用低温回火，回火温度为150~160℃，回火时间不应小于4~5h.
(3)冷处理。高精度量具在淬火后必须进行冷处理。以减少残余奥氏体量。从而增加尺寸稳定性。冷处理温度一般为一70-－80℃并在淬火冷却到室温后立即进行，以免残余奥氏体发生陈化稳定。
(4)时效处理。为了进一步提高尺寸稳定性，淬火、回火后。再在120~150℃进行24~36 h的时效处理，这样可消除残余内应力，大大增加尺寸稳定性而不降低其硬度。总之。量具钢的热处理为除了要进行一段过共析钢的正常热处理(不完全淬火+低温回火)之外。还需要有三个附加的热处理工序。即淬火之前进行调质处理、正常淬火处理之间的冷处理、正常热处理之后的时效处理。