刃具钢是用来制造各种切削加工工具的钢种。刃具的种类繁多，如车刀、铣刀、钻头、丝锥等。

刃具工作时，主要承受压应力、弯曲应力、扭转应力，还会受到冲击、振动等作用，同时受工件及切屑的强烈摩擦作用。摩擦产生的大量热量使刃具温度升高。切削速度越快，刃具温度越高。有时刀刃温度可达600 °C。

刃具较普遍的失效形式是磨损；有时会有崩刃和折断的现象。

刃具钢的性能要求是：高硬度，足够的耐磨性；足够的塑、韧性和强度；高的红硬性。

“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的性能。

合金刃具钢按成分特点可以分为低合金工具钢和高速工具钢。下面分别介绍它们的牌号、成分、性能、热加工及热处理的特点。

6.3.1.1　低合金工具钢

低合金工具钢的牌号及化学成分见表6.16。

表6.16　合金工具钢的牌号、化学成分及退火态硬度（摘自GB/T 1299—2014）

从表6.16中可见合金工具钢的成分特点为：含碳0.75%～1.5%；合金元素总量＜5%，在低合金范围；主要加入的合金元素有铬、硅、锰、钨等，它们的主要作用是提高钢的淬透性，同时强化马氏体基体，提高回火稳定性；铬、锰等可溶入渗碳体，形成合金渗碳体，有利于提高钢的耐磨性；钨还有细化晶粒的作用。

与碳素工具钢相比，淬透性较好，热处理变形和开裂倾向小；耐磨性和红硬性也较高。但淬火温度较高，脱碳倾向较大。

合金工具钢热加工时，锻压比一般要大于4，终锻温度在Acm以下，以800 °C较适宜。热加工后应快速冷至600～700 °C后再缓冷，以避免析出粗大或网状碳化物。

合金工具钢的预先热处理一般采用球化退火，最终热处理为淬火低温回火。只是淬火温度比碳钢高，范围较宽，时间稍长，一般采用油冷或熔盐冷却，回火温度也偏高一点。合金工具钢的热处理参数见表6.17。

表6.17　合金工具钢的热处理参数

合金工具钢中最常用的钢种是 9SiCr。9SiCr 的　Ac1=770～ 780 °C，Acm=910～930 °C ，Ar1=730 °C ，Ms=170 °C 。9SiCr 适宜作形状复杂、变形小的刃具，特别是薄刃刀具，如板牙、丝锥（见图6.10）、钻头等。

图6.10　丝锥

9SiCr丝锥刀刃的硬度要求为60～63 HRC。其球化退火工艺曲线见图6.11，淬火回火工艺曲线见图6.12。

图6.11　9SiCr钢的等温球化退火工艺曲线

图6.12　9SiCr钢的淬火、回火工艺曲线

6.3.1.2　高速钢

在高速切削过程中，刃具的刃部温度可达 600 °C以上，合金工具钢刃具已不能满足这种要求。较好的9SiCr在工作温度高于300℃时，硬度便降到60 HRC以下。必须选用合金元素含量高的高速钢，它在600 °C时，仍能使硬度保持 60 HRC以上，从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀具的切削速度比碳工钢和合工钢刀具增加1～3倍，而耐磨性增加7～14倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛采用。

常用高速钢的牌号及化学成分见表6.18。从表6.18中可见高速钢的成分特点为：高速钢是一种高碳且含有大量碳化物形成元素的高合金钢。

碳的作用：保证马氏体的含碳量，以及形成足够数量的碳化物。淬火加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，保证马氏体的含量。正常淬火时基体含碳量要达到0.5%，既提高钢的淬透性，又可获得高碳马氏体。获得高碳马氏体，可提高硬度，还可在回火时析出足够数量的细小弥散的碳化物，以产生二次硬化效应，提高钢的红硬性。另一部分未溶碳化物，可防止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。

表6.18　高速工具钢的牌号和化学成分（摘自GB/T 9943—2008）

合金元素的作用如下：

W：造成高速钢红硬性的主要元素之一，W在钢中能生成大量M6C型[（Fe，W）6C]，淬火加热时，7%～8%的 W 溶入奥氏体，强化马氏体基体，提高回火时马氏体的稳定性，11%～12%的W留在碳化物中，防止奥氏体晶粒长大；高温回火时，大量析出W2C引起硬化，W2C不易聚集，使高速钢有高的红硬性。

V：与W相同，与C的亲和力比W大，V溶于M6C型碳化物中，淬火加热时随碳化物溶入奥氏体中。在高温回火时，析出细小的V4C3质点，其弥散度比W2C还高，且不易聚集长大，对马氏体产生弥散硬化作用，以提高红硬性。V还有细化晶粒的作用。

Cr：淬火加热时，全部溶入奥氏体，以提高钢的淬透性和基体中的碳含量，从而提高淬硬性。含量 4%最好，若大于此值，则会使残余奥氏体量增多，稳定性增加，需增加回火次数来消除残余奥氏体。(www.daowen.com)

Mo：1.0%Mo代替1.6%～2.0%W时，钢的组织与性能很相似，但有其特点：含Mo碳化物比含W碳化物细小，分布较均匀；Mo在奥氏体中的溶解量较多，以提高马氏体的合金化程度；含Mo高速钢的塑性良好，韧性也较高；适宜的淬火温度低60～70 ℃，劳动条件改善，设备寿命长；密度小，价格便宜。

高速钢的含碳量不算太高，但合金元素含量很高，使E点严重左移。铸造后，钢中出现鱼骨状的莱氏体组织，属莱氏体钢。

铸锭缓慢冷却后的平衡组织应为：莱氏体＋珠光体＋碳化物。

实际铸锭条件下，合金元素来不及扩散，形成的铸态组织为：鱼骨状莱氏体、中心黑色δ-共析体以及白亮的马氏体及残余奥氏体（见图6.13）。

图6.13　高速钢的铸态组织

高速钢的铸态组织中，碳化物含量多达18%～27%，且分布极不均匀，必须经过热加工，把莱氏体打碎，使其均匀分布在基体内。钢厂供应的高速钢钢材，虽经开坯轧制破碎了粗大的莱氏体，但其碳化物分布仍然不佳，往往呈严重带状、网状、大颗粒、大块堆集等，仍然需要经过反复锻粗和拔长，以改善碳化物分布的均匀性。总锻造比一般为10。

高速钢锻后须进行球化退火，返修工件二次淬火前也须球化退火。

W18Cr4V的Ac1=820～840 °C ，退火温度通常为860～880 °C，保温时间 2～3 h。常用工艺有普通的缓冷球化法及等温球化法。缓冷球化法是在保温后以 15～20 °C/h的速度，冷至500～550 °C后，出炉空冷；等温球化法是在保温后打开炉门冷至740～750 °C，保温4～6 h，再炉冷至 600～650 °C，出炉空冷。等温球化法可缩短退火时间。球化退火后的组织为：索氏体＋粒状碳化物，硬度为207～255 HB。此时的碳化物类型有M6C型[（Fe，W）6C]、M23C6型（Cr23C6）、MC型（VC）及M7C3型（Cr7C3）。

常用高速钢的热处理参数见表6.19。图6.14是W18Cr4V钢的热处理工艺曲线。

表6.19　常用高速钢的热处理参数

图6.14　W18Cr4V钢的热处理工艺曲线

从图6.14中可以看出高速钢淬火加热的特点，即淬火温度相当高，且要预热。

高速钢淬火加热的温度相当高：W18Cr4V 加热温度范围为 1 260～1 300 °C，最适宜温度1 280 °C；W6Mo5Cr4V2加热温度范围为 1 200～1 240 °C，最适宜温度1 220 °C。采用如此高的淬火加热温度，主要是为了使碳及合金元素充分溶入奥氏体，淬火后得到含碳量及合金度很高的马氏体，在随后的回火中才能析出足够的特殊碳化物，使高速钢具有良好的红硬性和耐磨性。

高速钢退火组织中的碳化物 Cr23C6于 900～1 100 °C 可完全溶解，而 M6C 型[（Fe，W）6C]则在高于1 160 °C时才有较大的溶解度，VC在1 050 °C以上才开始溶解，1 150 °C以上才开始加快溶解。正常淬火后剩余碳化物只有M6C和VC。

高速钢加热到相当高的温度时，晶粒还可以保持细小，这是因为此时还有大量难以溶解的碳化物，能阻碍晶粒的长大。

高速钢淬火加热到一定温度下，有一最合适的时间。加热时间过长或过短，红硬性都会降低。普通高速钢在盐浴中加热的加热系数为8～15 s/mm。

高速钢系高合金钢，导热性差，并且淬火温度相当高，淬火加热时容易脱碳，因此要预热，以减小热应力和减少高温加热时间。形状简单、尺寸较小的工件，于800～850 °C预热一次即可，预热时间为高温加热时间的两倍；凡直径大于30 mm和形状复杂的工具采用两次预热，第一次预热温度为600～650 °C，第二次预热温度为800～850 °C。

高速钢淬透性极好，空冷即可得到马氏体，因此高速钢的淬火冷却方式有多种，常用的有以下几种：

（1）空冷：适用于尺寸为3～5mm的小工件。

（2）油控冷：为避免开裂，直径小于30 mm的工件可采用油冷，但不能在油中直接冷至室温，而是要冷到工件出油时，附在工件表面的油能冒烟着火为宜，此时工件在200 °C以上。

（3）分级淬火：形状较复杂的工件可采用580～620 °C的中性盐浴冷却，此种冷却方式应用较广。

（4）二次分级；直径大于40 mm或形状更复杂的工件，在580～620 °C的中性盐浴保温一段时间后，再转入350～400 °C硝盐中冷却，缓冷至150 °C应及时回火。

（5）等温淬火：有内孔的工件或尺寸在 60 mm 以上的工件等，可于 260～280 °C等温处理，得到下贝氏体，以提高钢的强度和韧性。

（6）冷处理：在－70～80 °C 进行冷处理，可减少残余奥氏体量，减少回火次数。冷处理应在淬火后立即进行，淬火后的停留时间不能超过60 min。

高速钢淬火组织为 60%～65%的马氏体＋25%～30%的残余奥氏体＋10%的碳化物，见图6.15。

为了消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量，达到所需要的性能，高速钢一般要进行三次560 °C保温1 h的回火处理。

550～570 °C回火时，淬火马氏体和残余奥氏体中将弥散析出W2C、Mo2C、VC等碳化物，使钢的硬度达到最大值，即出现二次硬化现象。残余奥氏体中析出部分碳化物后，合金元素及碳含量减少，Ms点回升，在回火冷却中将转变为马氏体，即出现二次淬火现象，但此时仍有 10%左右的残余奥氏体未转变，需经两次回火后，才能使其低于 5%。再需进行第三次回火，以消除第二次回火冷却时产生的淬火应力。高速钢的回火组织为60%～65%的回火马氏体＋5%的残余奥氏体＋20%～25%的碳化物，见图6.16。

图6.15　高速钢的淬火组织

　图6.16　高速钢的回火组织