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工具钢是用来制造各类工具的钢种。工具钢按工具的使用性质和主要用途可分为刃具用钢、模具用钢和量具用钢。但这种分类的界限并不严格，因为某些工具钢既可做刃具，又可做模具和量具。故在实际应用中，只要某种钢能满足某种工具的使用要求，即可用于制造这种工具。

刃具钢用来进行切削加工的工具，包括各种手用和机用的车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥和板牙等。刃具在切削过程中，刀刃与工件及切屑之间产生的强烈摩擦将导致严重的磨损和切削热（这可使刀具刃部温度升至很高）；刀口局部区域极大的切削力及刀具使用过程中的过大的冲击与振动，将可能导致刀具崩刃或折断。

1．刃具钢的性能要求

刃具钢的性能要求：①高的硬度（60～66HRC）和高的耐磨性；②高的热硬性，即钢在高温下（如500～600℃）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能；③高的弯曲强度和足够的韧性。

2．刃具钢的成分与组织特点

为了满足上述性能要求，刀具钢含碳量均较高（不论碳素钢或合金钢），因为高的含碳量是刀具获取高硬度、高耐磨性的基本保证。在合金刀具钢中，加入的合金元素，或可提高钢的淬透性和回火性，或可进一步改善钢的硬度和耐磨性（主要是耐磨性），或可改善韧性并使某些刃具钢产生热硬性。刃具钢使用状态的组织通常是回火马氏体上分布着的细小均匀的粒状碳化物。

3．常用刃具钢与热处理特点

根据GB／T1298—2008，表6－12列出了碳素工具钢的牌号、化学成分热处理及用途。碳素工具钢碳的质量分数一般为w_C＝0．65%～1．35%，随着碳的质量分数的增加（从T7到T13），钢的硬度并无明显变化，但耐磨性增加，韧性下降。

碳素工具钢的预先热处理一般为球化退火，其目的是降低硬度（＜217HBS）以便于切削加工，并为淬火做组织准备，但若锻造组织不良（如出现网状碳化物缺陷），则应在球化退火之前先进行正火处理，以消除网状碳化物。其最终热处理为淬火＋低温回火（回火温度一般为180 ～200℃），组织为回火马氏体＋细粒状渗碳体及少量残余奥氏体。

碳素工具钢的优点：成本低，冷、热加工的工艺性能好，在手用工具和机用低速切削工具上有较广泛的应用。但碳素工具钢的淬透性低、组织稳定性差且无热硬性、综合力学性能也欠佳，故一般只用于尺寸大、形状简单、要求不高的低速切削工具。

2）低合金工具钢

为了弥补碳素工具钢的性能不足，在其基础上添加各种合金元素Si、Mn、Cr、W、Mo、V等，就形成了低合金工具钢。低合金工具钢的合金元素总量一般在5%（质量分数）以下，其主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬度和耐磨性。强碳化物形成元素（如W、V等）所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可细化晶粒，改善刀具的强韧性。适用于刃具的高碳低合金工具钢种类很多，根据国家标准GB／T1299—2009，表6－13列出了部分常用的低合金工具钢的牌号、化学成分、热处理及用途，其中最典型的钢号有9SiCr、CrWMn等。

表6－13　部分常用的低合金工具钢的牌号、化学成分、热处理及用途

低合金工具钢的热处理特点基本上同于碳素工具钢，只是由于合金元素的影响，其工艺参数（如加热温度、保温时间、冷却方式等）有所变化。

低合金工具钢的淬透性和综合力学性能优于碳素工具钢，故可用于制造尺寸较大、形状较复杂、受力要求较高的各种刀具。但由于其内的合金元素主要是淬透性元素，而不含数量较多的强碳化物形成元素如（W、Mo、V等），故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250℃，否则硬度的耐磨性迅速下降，甚至丧失切削能力，因此，这类钢仍然属于低速切削刃具钢。

3）高速工具钢（W6Mo5Cr4V3／W9Mo3Cr4V／W6Mo5Cr4V2）

为了适应高速切削而发展起来的具有优良热硬性的工具钢就是高速工具钢，它是金属切削刀具的主要材料，也可作为模具材料。

（1）性能特点。高速工具钢与其他工具钢相比，其最突出的主要性能特点是高热硬性，它可使刀具在高速切削，刃部温度上升到600℃时，其硬度仍然维持在55～60HRC以上，高速工具钢还具有高硬度和高耐磨性，从而使切削时刀刃保持锋利（故也称“锋钢”）；高速工具钢的淬透性优良，甚至在空气中冷却也可得到马氏体（故又称“风钢”）。因此，高速工具钢广泛用于制造尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速切削刀具。

（2）高速工具钢的分类。习惯上将高速工具钢分为两大类。一类是通用型高速工具钢，它以钨系W18Cr4V（也称T1，常用18－4－1表示）和钨钼系W6Mo5Cr4V2（也称M2，常用6－5－4－2表示）为代表，还包括成分稍作调整的高钒型W6Mo5Cr4V3（常用6－5－4－3表示）和尚未纳入标准的新型高速钢W9Mo3Cr4V。目前W6Mo5Cr4V2应用最广泛，而W8Cr4V则逐步淘汰。另一类是高性能高速工具钢，其中包括高碳高钒型（CW6Mo5Cr4V3）、超硬型（如含Co的W6Mo5Cr4V2Co5，含Al的W6Mo5Cr4V2Al）。在国家标准GB／T 9943—2008中列出的高速工具钢共有14个牌号。按其成分特点不同，可将高速工具钢分为钨系、钨钼系和超硬系三类。钨系高速工具钢（W18Cr4V）发展最早，但脆性较大，将逐步被韧性较好的钨钼系高速工具钢（以W6Mo5Cr4V2为主）淘汰，但后者由于过热和脱碳倾向较大，热加工时应予注意；超硬高速工具钢的硬度、耐磨性、热硬性最好，适用于加工难以切削的材料，但其脆性最大，不宜制作薄刃刀具。表6－14所列为我国部分常用高速工具钢的种类、牌号、化学成分及热处理。

（3）成分特点与合金元素的作用。高速工具钢的碳的质量分数w_C＝0．70%～1．5%，其主要作用是强化基体并形成各种碳化物来保证钢的硬度、耐磨性和热硬性：w_C在4．0%左右，其主要作用是提高淬透性和回火稳定性，增加钢的抗氧化、耐腐蚀性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用；W、Mo的主要作用是产生二次硬化来保证钢的热硬性（故称热硬性元素），此外也可提高淬透性和热稳定性，进一步改善钢的硬度和耐磨性的作用，由于W的含量过多会使钢的脆性加大，故采用Mo来部分代替W（一般1%w_w≈1．6%～2．0%w_Mo）可改善钢的韧性，因此W、Mo系高速工具钢（W6Mo5Cr4V2）现已成为主要的常用高速工具钢；V的作用是形成细小稳定的VC来细化晶粒（否则高速工具钢高温加热时晶粒极易长大，韧性急剧下降而产生脆性断裂，得到一种沿晶界断裂“萘状断口”），同时也会加强热硬性，进一步提高硬度和耐磨性的作用；Co、Al是超硬高速钢的非碳化物形成元素，对它们的作用及机理的研究还不太全面，但Co、Al能进一步提高钢的热硬性和耐磨性及降低韧性。

表6－14　我国部分常用高速工具钢的种类、牌号、化学成分及热处理

注：热硬性是将淬火回火试样在600℃加热4次，每次加热l h的条件下测定的。

（4）高速工具钢的加工处理。高速工具钢的成分复杂，因此，其加工处理工艺也相当复杂，与碳素工具钢和低合金工具钢相比，有较明显的不同。高速工具钢的性能优势，只有在正确热处理后才能发挥出来。

①锻造。高速工具钢属于莱氏体钢，故铸态组织中有大量的不均匀分布的粗大共晶碳化物，呈鱼骨状，难以通过热处理来改善，这将显著降低钢的强度和韧性，引起工具的崩刃和脆断，故要求进行严格的锻造来改善碳化物的形态与分布。其锻造要点：一是两轻一重，即开始锻造和终止锻造时要轻锻，中间温度范围要重锻；二是两均匀，即锻造过程中温度和变形量的均匀性；三是反复多向锻造等。

②普通热处理。锻造之后高速工具钢的预先热处理为球化退火，其目的是降低硬度（207～225HBS）便于切削加工并为淬火做组织准备，组织为索氏体＋细粒状碳化物，为节约工艺时间可采用等温退火工艺。高速工具钢的最终热处理为淬火＋高温回火，由于高速工具钢的导热性较差，故淬火加热时应先预热。淬火加热温度应严格控制，过高则晶粒粗大，过低则会由于奥氏体合金度不够而引起热硬性下降。冷却方式可采用直接冷却（油冷或空冷）、分级淬火等，其组织为马氏体＋未溶细粒状碳化物＋大量残余奥氏体（约30%），硬度为61～63HRC。淬火后可通过冷处理（－80℃左右）来减少残余奥氏体，也可直接进行回火处理。为充分减少残余奥氏体，降低淬火钢的脆性和内应力，更重要的是通过产生二次硬化来保证高速工具钢的热硬性，通常采用550～570℃高温回火2～4次、每次1h。

③表面强化处理。表面强化处理可有效地提高高速工具钢刀具（包括模具）的切削效率和寿命，因而受到了普遍重视和广泛的应用。可进行的表面强化处理方法很多，常见的主要有表面化学热处理（如渗氮）、表面气相沉积（如物理气相沉积TiN涂层）和激光表面处理等，刀具寿命少则提高百分之几十，多则提高几倍甚至十倍以上。

④超硬刀具材料简介。为了适应高硬度、难切削材料的加工，可采用硬度、耐磨性、热硬性更好的刃具材料，主要有硬质合金刀具材料（如钢结硬质合金GW50、TMW50，普通硬质合金YG8、YG20）和超硬涂层刀具（如TiN涂层、金刚石涂层等），其中硬质合金刀具（尤其是钢结硬质合金）的应用最重要。与刃具钢相比，超硬刃具材料具有更高的切削效率和耐用率（寿命），但存在脆性大、工艺性能差、价格较高的缺点，限制了其应用程度。这说明刃具钢占据了刃具材料的主导地位，其中最主要的是高速工具钢。

通常将模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。近年来，由于对模具需求的大量增加及对模具加工和寿命要求的不断提高，有关新型模具用钢的开发受到广泛重视，各种模具用钢种发展迅速。

（1）工作条件与性能要求。冷作模具工作温度不高，工作部分受到很大的压力、摩擦力、拉力、冲击力。尤其是模具刀口部位受到了强烈的摩擦和挤压。故要求所用材料应具备高硬度、高耐磨性、高强度和足够的韧性、热处理变形小等特点。

（2）常用冷作模具钢。常用冷作模具钢如表6－15所示。其中Cr12钢、Cr12MoV钢具有很好的耐磨性和淬透性，而且淬火变形微小，常用于制造受载重、耐磨性要求高、热处理变形小的形状复杂模具。

Cr12钢碳的质量分数w_C＝2．0%～2．3%，w_Cr＝11．5%～13．0%，铸态组织中含有莱氏体，易造成碳化物不均匀，所制模具脆性大，易产生崩刃和脆断，不适用于冲击负荷大的冷作模具。新型高耐磨、高韧性冷作模具钢如ER5、GM钢则克服了这些缺点。

（1）工作条件与性能要求。热作模具长时间在反复急冷急热的条件下服役，工作温度在200～700℃之间，往往伴随着强烈的摩擦、很大的压应力和冲击载荷，主要失效形式是变形、磨损、开裂和热疲劳。要求热作模具钢具有高的高温强度和稳定性，良好的韧性，高的热疲劳抗力和耐磨性，良好的抗氧化性和耐钝性。

（2）常用热作模具钢。常用热作模具钢如表6－16所示，代表钢号为5CrNiMo钢。w_C＝0．50%～0．60%，w_Cr＝0．50%～0．80%，w_Ni＝1．40%～1．80%，w_Mo＝0．15%～0．30%，具有良好的综合力学性能和高淬透性。

3．塑料模具用钢

（1）工作条件与性能要求。热固性塑料模具工作温度一般在160～250℃，工作时型腔面与流动粉料间发生摩擦，易使型腔磨损，并承受一定的冲击负荷和腐蚀作用。

热塑性塑料模具的工作温度一般在150℃以下，承受的工作压力和摩擦比热固性塑料模小。当PVC、ABS及含氟聚合物等塑料制品成形时，会分解出HCl、SO₂、HF等腐蚀性气体，对模具型腔面产生较大的腐蚀。

相对于冷热模具钢，塑料模对力学性能要求不高，一般要求有足够的强韧度、较好的耐腐蚀和耐热性能。塑料模具用钢对工艺性能要求非常突出，一般要求有良好的切削加工性、抛光性、光刻蚀性能及良好的热处理性能。

（2）常用塑料模具钢。常用塑料模具钢如表6－17所示。如Y55CrNiMnMoV（SM1）钢，该钢具有高强韧性、优良的切削加工性和境面抛光性能及较好的耐腐蚀性。广泛用于制造高精度塑料成型模具，如录音机、洗衣机外壳模和继电器组合件注射模。不同种类塑料制品的模具用钢可参考表6－18。

1．工作条件与性能要求

量具是度量工作尺寸形状的工具，是计量的基准，如卡尺、塞规及千分尺等。由于量具使用过程中常受到工作的摩擦与碰撞，且本身须具备极高的尺寸精度和稳定性，故量具钢应具备以下性能。

（1）高硬度（一般58～64HRC）和高耐磨性。

（2）尺寸稳定性高（这就要求组织稳定性高）。

（3）一定的韧性（防撞击与折断）和特殊环境下的耐腐蚀性。

量具并无专用钢种，根据量具的种类及精度要求，可选不同的钢种来制造。

（1）低合金工具钢。低合金工具钢是量具最常用的钢种，典型钢号有CrWMn钢和GCr15钢。CrWMn钢是一种微变形钢，而GCr15钢的尺寸稳定性及抛光性能优良。此类钢常用于制造精度要求高、形状较复杂的量具。

（2）其他钢种。①碳素工具钢（如T10A钢、T12A钢等）。碳素工具钢的淬透性小、淬火变形大，故只适合于制造精度低、形状简单、尺寸较小的量具。②表面硬化钢。表面硬化钢经处理后可获得表面的高硬度和耐磨性，心部的高韧性，适合于制造在使用过程中易受冲击折断的量具。包括渗碳钢（如20Cr钢）渗碳、调质钢（如55钢）表面淬火及专用氮化钢（如38CrMoAlA钢）渗氮等，其中38CrMoAlA钢渗氮后具有极高的表面硬度和耐磨性、尺寸稳定性和一定的耐腐蚀性，适合于制造高质量的量具。③不锈钢。不锈钢4Cr13或9Cr18具有极佳的耐腐蚀性和较高的耐磨性，适合于制造在腐蚀条件下工作的量具。

量具钢的热处理基本上可依照其相应钢种的热处理规范进行。但由于量具对尺寸稳定性要求很高，这就要求量具在处理过程中应尽量减小变形，在使用过程中组织稳定（组织稳定方可保证尺寸稳定），因此，热处理应采取一些附加措施。

（1）淬火加热时进行预热，以减小变形，这对形状复杂的量具更为重要。

（2）在保证力学性能的前提条件下降低淬火温度，尽量不采用等温淬火或分级淬火工艺，减少残余奥氏体的生成。

（3）淬火后立即进行冷处理减小残余奥氏体，延长回火时间，回火或磨削之后进行长时间的低温时效处理等。