工具钢包括碳素工具钢和合金工具钢。前者尽管价格便宜、易于加工，但性能不够理想，如易变形、开裂，在使用的过程中温度升高易软化（热硬性只200 ℃） 等。后者性能高于前者，凡尺寸较大、形状较复杂的模具、量具和高速切削的刃具等都采用合金工具钢制造。

合金工具钢按用途分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。合金刃具钢被用于制造切削加工的车刀、铣刀和钻头等； 合金模具钢被用于制造各种模具； 合金量具钢被用于制造精度要求较高的测量工具，如千分尺、卡尺和量规等。值得注意的是，它们用途的界限并不明显，常常某种用途的钢可作他种用途，如刃具钢中高速钢也被用于模具制造。

1.合金刃具钢

合金刃具钢的性能特点是高硬度、高耐磨性、高红硬性和足够的塑性与韧性，分为低合金刃具钢和高速钢两类。

1） 低合金刃具钢

低合金刃具钢在200 ℃～300 ℃时仍能保持60 HRC 以上的硬度，多在碳素工具钢基础上加入少量的合金元素（合金总量＜5.0%）。

低合金刃具钢的成分特点是高碳（0.75% ～1.50%），这保证了高硬度和高耐磨性； 加入Cr、Mn、Si，提高了淬透性； 加入V，提高了耐磨性，细化了晶粒； 当钢在回火时析出VC，起到二次硬化作用。

低合金刃具钢在机械加工前应球化退火，最终热处理工艺为淬火、低温回火。淬火是在820 ℃左右油冷。低温回火温度在160 ℃～200 ℃，经热处理后，使用状态下的组织为回火马氏体、颗粒状碳化物及少量残留奥氏体。

在低合金刃具钢中，9SiCr 为最常用的典型钢种，被用于制造薄刃工具，如板牙、丝锥和铰刀等。此外，牌号W 和CrWMn 用途也较广泛。常用低合金刃具钢的牌号、热处理和应用范围见表5 -9。

表5-9　常用低合金刃具钢的牌号、热处理和应用范围

续表

2） 高速钢

（1） 高速钢的性能和成分特点。

高速钢又称为高速工具钢（锋钢、风钢和白钢）。用此钢制造的刀具能在高速条件下进行切削（车削速度可达50 ～80 m/min），且十分锋利，淬火时即使在空气中冷却也能得到马氏体。

高速钢的性能特点： 除具有高耐磨性、足够的强度外，其突出特点是具有较高的热硬性，当切削速度为50 ～80 m/min 时，刃部温度高达500 ℃～600 ℃，其硬度仍能保持在60 HRC 以上（用低合金刃具钢9SiCr 制成的刀具的工作温度在300 ℃时硬度便降至60 HRC以下），其红硬性可达600 ℃。

高速钢的成分特点： 高碳（含碳量为0.7% ～1.6%） 并含有W、Mo、Cr、V 等合金元素。C 与V、W 等元素形成足够数量的合金碳化物，从而保证高硬度和耐磨性。含有W 和Mo 的马氏体具有较高的回火稳定性，500 ℃～600 ℃回火温度下析出特殊碳化物（W2C，Mo2C），产生二次硬化，使钢具有较高的热硬性； Cr 在淬火加热时几乎全部溶入奥氏体中，增加了奥氏体的稳定性，从而显著提高了钢的淬透性和回火稳定性； V 在钢中生成的碳化物很稳定，即VC 硬度高（可达85 HRC），提高了钢的耐磨性和硬度。

（2） 高速钢的锻造、热处理和组织。

①高速钢铸态组织由鱼骨状莱氏体与树枝状马氏体、托氏体组成，这种组织分布不均匀、脆性很大，降低了钢的力学性能，无法通过热处理改善，只能在锻造时反复锻打击碎鱼骨状碳化物，并使其均匀分布。锻造比越大，碳化物越细小均匀，高速钢锻造后必须缓冷，以免开裂。

②高速钢的热处理较特殊，但仍是加工前退火，加工后淬火和回火。

a.退火。采用球化退火不仅可消除内应力，还可降低硬度，以利于加工，同时也为淬火做准备。一般退火温度为Ac1 +（30 ～50）℃，具体如图5 -7 所示。

图5-7　高速工具钢退火工艺曲线

b.淬火。高速钢淬火保温之前至少应进行两次预热，其原因是它含有大量的合金元素，塑性较低，导热性差。为避免变形和开裂，必须预热，如W18Cr4V 进行两次预热。淬火加热保温温度一般在1 200 ℃～1 300 ℃，以便在奥氏体晶粒不过分长大的前提下最大限度地溶解碳和合金元素。淬火冷却常用油冷（也有的采用盐浴分级淬火），以减少变形和开裂。淬火后的组织为马氏体、颗粒状碳化物及残留奥氏体（约占30%）。

c.回火。为减少残留奥氏体量、稳定组织并产生二次硬化，保证得到较高的硬度及红硬性，高速钢要进行三次回火，每回火一次残留奥氏体减少一次，几次回火后则残留奥氏体基本消除。如W18Cr4V，淬火后残留奥氏体达30%，当第一次回火后降至15% ～18%，第二次回火后降至3% ～5%，第三次回火后降至1% ～2%。

常用的高速钢W18Cr4V 淬火、回火工艺曲线如图5 -8 所示（供高速钢各钢种参考）。

图5-8　W18Cr4V 淬火、回火工艺曲线

回火后的最终组织是回火马氏体、残余碳化物及少量的残留奥氏体。若再提高切削力，则回火后进行表面热处理，如渗碳、硫氮共渗和蒸汽处理等。

（3） 典型的高速钢。

①W18Cr4V： 最早使用的高速钢，热硬性高，易加工。

②W6Mo5Cr4V2： 用Mo 代替部分W，热塑性、韧性均比较好，耐磨。

③W9Mo3Cr4V： 近年来应用较多，具有上述二者的优点。

高速钢的牌号共17 种，应用最多的为前面介绍的典型牌号。常用高速钢的牌号、预热温度、热处理及淬火、回火后硬度见表5 -10。

表5-10　常用高速钢的牌号、热处理及淬火、回火后硬度

2.合金模具钢

有些机器和仪表的零件在加工时需用模具，例如，吊车上的挂钩是用合适的钢加热后再放置于钩子的模具上锻造而成的，粗钢丝经拉丝模具上拉拔变成细钢丝。制造这些模具的钢称为模具钢。

合金模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三种。

1） 冷作模具钢

所谓冷作模具，多指金属材料在未加热状态（即冷态） 下变形所用的模具。制造这种模具的钢称为冷作模具钢。

（1） 冷作模具钢的使用性能和工艺性能。

①使用性能。(www.daowen.com)

冷作模具钢应具有良好的耐磨性、较高的强度和韧性以及良好的抗疲劳和抗咬合能力。咬合即金属材料经过模具时粘贴，抗咬合即抵抗发生粘贴的能力（发生冷焊的抵抗能力）。

②工艺性能。

冷作模具钢要具备可锻性、可切削性和磨削性、较高的淬透性及热处理变形量小等特点。

（2） 冷作模具钢的成分特点和牌号。

冷作模具钢的硬度一般要求大于60 HRC，因此含碳量多在1.0% 以上，有的超过2.0%。此外，冷作模具钢加入了提高耐磨性和淬透性的合金元素Cr、Mo、V、W 等。

小型冷作模具采用碳素工具钢或低合金刃具钢制造，如T10、T12、9SiCr、CrWMn、9Mn2V 等。大型冷作模具则采用合金模具钢Cr12、Cr17MoV 等制造。

2） 热作模具钢

所谓热作模具，是指金属材料在加热状态（热态） 下变形所用的模具。制造这种模具的钢称为热作模具钢。

（1） 热作模具钢的使用性能和工艺性能。

热作模具钢在高温下具有良好的综合力学性能，并具有较高的热稳定性、抗疲劳性、淬透性和导热性，易于加工，便于热处理和切削加工，以满足成形需要。

（2） 热作模具钢的成分特点和牌号。

热作模具钢属于中碳钢，室温硬度一般在35 ～52 HRC，含碳量控制在0.25% ～0.75%。加入合金元素Cr、Ni、Mn、Si 后强化了基体，提高了钢的淬透性和韧性。此外，加入少量的Al、W、V 起到了细化晶粒的作用，提高了回火稳定性和耐磨性。

热作模具钢分热锻模具钢，典型牌号有5CrNiMo、5CrMnMo； 热挤压模具钢，典型牌号有3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1 （美国牌号H13）、4Cr5MoSi； 压铸模具钢，典型牌号有3Cr3Mo3W2V 等。

3） 塑料模具钢

制造塑料模具的钢称为塑料模具钢，塑料制品中有80% ～90%用塑料模具制造。

（1） 塑料模具钢的性能。

塑料模具钢具有足够的耐磨性、耐蚀性和足够的强度和韧性，热处理变形小。此外，由于塑料制品要求表面粗糙度小，模具表面应被加工成镜面，所以塑料模具钢还要具有镜面加工性能。

（2） 塑料模具钢的分类及典型牌号。

塑料模具钢共分六类，其用途各不相同。

①渗碳型塑料模具钢，如12CrNi3A，用于制造冷挤压成形的塑料模具。

②淬硬型塑料模具钢，如3Cr2W8V，用于制造负荷较大的塑料模具和注射模具。

③预硬型塑料模具钢，如3Cr2Mo，用于制造中小型或大型的复杂精密模具。

④时效硬化型塑料模具钢，如18Ni9Co，用于制造高精度、超镜面、型腔复杂的模具。

⑤耐蚀型塑料模具钢，如3Cr13 和2Cr13，用于制造耐蚀、耐磨、高精度的塑料模具。

⑥调质型塑料模具钢，如5CrNiMo 和9SiCr，用途比较广泛。

塑料模具钢的分类和钢种见表5 -11。

表5-11　塑料模具钢的分类和钢种

3.合金量具钢

量具多指用来度量工件尺寸的工具，如游标卡尺、千分尺和卡规等。制造量具所用的钢称为量具钢。若量具形状简单，精度要求不高，可以用T10、T12 等碳素工具钢制造； 若量具形状复杂，要求精度高，使用中易受冲击、碰撞，则必须用合金量具钢制造。

1） 量具钢的性能要求

量具钢要求具有高硬度（58 ～64 HRC）、高耐磨性和高稳定性，长期使用及在不同温度下使用，其尺寸均不会发生变化，此外还应具备足够的韧性、耐磨性和强度。

2） 量具钢的热处理和常用合金量具钢牌号

经锻造的量具钢应球化退火或调质处理。量具钢经机械加工后应进行消除应力的时效处理，其工艺如图5 -9 所示。

图5-9　量具钢的时效处理

为了获得高硬度和高耐磨性，量具要低温油淬，高精度量具淬火后应进行冷处理，即在-80 ℃～-70 ℃保温0.5 ～3.0 h，最后在150 ℃～180 ℃低温回火4 ～5 h。量具精磨后还应进行低温人工时效处理，即加热120 ℃～150 ℃，保温24 ～36 h。

常用合金量具钢有9SiCr、Cr12、GCr15、CrWMn 等，其中CrWMn 用于制造高精度且复杂的量规。

任务回顾

1968 年12 月29 日，南京长江大桥建成通车。南京长江大桥建成前，火车从轮渡过江需要将近2 h，大桥开通后，火车过江只需短短2 min。南京长江大桥的建成彻底打通了中国东部大动脉，北方的政治中心和南方的经济中心通过这个通道一下就拉近了，这对中国从南到北交通运输格局的形成产生了巨大的影响。可以说，从那时起，南京就已经奠定了作为国家级交通枢纽的地位。

任务实施

南京长江大桥全面开工后不久，中苏关系破裂，苏联单方面陆续撤走在华专家，带走图纸、设备资料等，大桥建设所需的钢材也停止供货。没有钢材，南京长江大桥建设顿时陷入无米之炊的窘境。“必须把核心技术掌握在自己手中!” 这是大桥建设者面对困境立下的誓言。为了研制自己的钢材，当时的鞍山钢铁集团成立了科研攻关小组，该小组反复研究中国铁矿石的特点，并根据建桥材料需求，决定研制具有自主知识产权的16 锰低合金桥梁钢。经过控硫控磷、做锭轧坯，实验、失败、再实验……无数的不眠之夜，科研攻关小组终于研制出合格的16 锰低合金桥梁钢。至今这种钢材还是中国建桥业最常用的材料。