合金工具钢及其加工用途概述

主要用于制造各种加工和测量工具的钢称工具钢。按其加工用途分为刃具、量具和模具用钢；按成分不同也可分为碳素工具钢和合金工具钢。在碳素工具钢的基础上加入一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。

合金工具钢按用途可分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。

1.合金工具钢的编号

合金工具钢牌号的标注方法与合金结构钢相似，基本组成为“一位数字（或无数字）+元素符号+数字+…”，其平均含碳量是用质量分数的千倍（wC×1 000）表示，而且，当碳质量wC≥1.0%时，钢号中不标出，如9SiCr钢（成分：wC= 0.9%，wSi＜1.5% ，wCr＜1.5%）；CrWMn钢（wC≥1.0%，wCr、wW、wMn均＜1.5%）。

高速钢，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，它们的碳质量分数均＜1.0%，但不标明其数字；合金元素含量与合金工具钢的标注方法相同，如W18Cr4V钢的成分为：wC0.7%～0.8%，wW18%，wCr4%，wV＜1.5%。合金工具钢均属于高级优质钢，但牌号后不加“A”字。

使用这一编号方法的钢种还有不锈钢、奥氏体型和马氏体型耐热钢。

2.合金刃具钢

刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀及钻头等。

（1）性能要求。

刃具钢经热处理之后应达到以下性能要求：

①高硬度、高耐磨性。切削加工时，刀具刃部的硬度只有大大超过被切削材料的硬度（160～230 HB）时才能保持高的切削效率，因此一般要求刃具的硬度大于60 HRC。

②高红（热）硬性。切削过程中由于刀具与工件剧烈摩擦，刃部因温度升高而硬度降低，因此要求刀具在较高温度下仍能保持高硬度，即高的热（红）硬性。它与钢的耐回火性和回火过程中析出弥散碳化物的多少、大小及种类有关。

③高淬透性。高淬透性有利于整个刃部达到均匀一致的高硬度。

④足够的韧性和塑性。避免刀具在使用过程中崩刃、折断。

（2）成分特点。

合金刃具钢有两类：一类是低合金刃具钢，用于低速切削，其工作温度低于300℃；另一类是高速钢，用于高速切削，工作温度低于600℃。

①低合金刃具钢。wC＝0.9%～1.1%，以保证能形成足够数量的合金碳化物。低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（不超过3%～5%）形成的，在保持高含碳量（wC＝0.75%～1.50%）的同时，加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性，Si还有提高耐回火性的作用，W和V的作用是提高耐磨性，并细化晶粒。

②高速工具钢。高速钢是制造高速切削刀具用钢。它的主要性能特点是热硬性高，当切削温度达到600℃时，硬度仍能保持在55～60 HRC以上。高速钢的淬透性高，空冷即可淬火，俗称“风钢”。wC＝0.70%～1.6%，以保证形成足够量的碳化物。主要加入的元素是Cr、W、Mo和V。加Cr的主要目的是提高淬透性。各高速钢的Cr含量大多在4%左右。Cr还能提高钢的耐回火性和抗氧化性。W和Mo的主要作用是提高钢的热硬性，其机理是在淬火后的回火过程中析出了这些元素的碳化物，使钢产生二次硬化。V的主要作用是细化晶粒，同时由于VC硬度极高，可提高钢的硬度和耐磨性。

（3）常用合金刃具钢。

常用合金刃具钢的牌号、成分、热处理工艺及用途如表6-12所示。

①低合金刃具钢。低合金刃具钢的典型牌号为9SiCr和CrWMn。9SiCr钢的淬透性高，油中淬火最大直径为40～60 mm，经230～250℃回火后硬度仍不低于60 HRC，常用于制造薄刃刀具和冷冲模等，工作温度小于300℃。CrWMn钢含有较多的碳化物，有较高的硬度和耐磨性，淬透性也较高，淬火后有较多残余奥氏体，工件变形很小，但其热硬性不如9SiCr钢，常用于制造截面较大、切削刃受热不高、要求变形小、耐磨性高的刃具，如长丝锥、长铰刀、拉刀等，也常用作量具钢和冷作模具钢。

②高速钢。主要有两种：一种为钨系W18Cr4V（简称18-4-1）钢；另一种为钨-钼系W6Mo5Cr4V2（简称6-5-4-2）钢。前者的热硬性高，过热倾向小，后者的耐磨性、热塑性和韧性较好，适于制作要求耐磨性与韧性配合良好的薄刃细齿刃具。

（4）热处理方法及工艺路线。

①低合金工具钢的预备热处理通常是锻造后进行球化退火，目的是改善锻造组织和切削加工性能。最终热处理为淬火+低温回火，其组织为回火马氏体+未溶碳化物+少量残余奥氏体，具有较高的硬度和耐磨性。

以9SiCr钢圆板牙产品（用于加工外螺纹的精细刃具）为例，其加工工艺路线为：下料→球化退火→机械加工→淬火＋低温回火→磨平面→抛槽→开口。

②由于高速钢的合金元素含量多，在空气中冷却就可得到马氏体组织，因此高速钢也俗称为“风钢”。也同样因为大量合金元素的存在，Fe-Fe3C相图中的 E 点左移，这样在高速钢铸态组织中出现大量的共晶莱氏体组织、鱼骨状的莱氏体及大量分布不均匀的大块碳化物，使得铸态高速钢既脆又硬，用热处理方法是不能消除的。一般通过反复锻造打碎，使之组织变得均匀。高速钢的锻造具有成形和改善碳化物两重作用，是非常重要的加工工序。为了得到小块均匀的碳化物，需要多次镦拔。高速钢的塑性、导热性较差，锻后必须缓冷，以免开裂。

现以 W18Cr4V 钢为例说明其热处理工艺的选用，其工艺路线为：锻造→球化退火→切削加工→淬火+多次 560℃回火→喷砂→磨削加工→成品。

如图6-8是高速钢 W18Cr4V 热处理工艺曲线。

图6-8　W18Cr4V钢热处理工艺曲线

球化退火：高速钢在锻后进行球化退火，以降低硬度，消除锻造应力，便于切削加工，并为淬火做好组织准备。球化退火后的组织为球状珠光体。

淬火和回火：高速钢的优越性能需要经正确的淬火回火处理后才能获得。

合金元素只有溶入高速钢中才能有效提高红硬性，高速钢中大量的 W、Mo、Cr、V 的难溶碳化物，只有在 1 200℃以上才能大量地溶于奥氏体中，使奥氏体中固溶碳和合金元素含量增多，淬透性变好；淬火后马氏体强度高，且较稳定，其淬火加热温度一般为1 220～1 280℃。另外，高速钢合金元素多也使其导热性变差，传热速率降低，而淬火温度又高，所以淬火加热时，必须进行一次预热（800～850℃）或两次预热（500～600℃、800～850℃），而冷却多用分级淬火，高温淬火或油淬。正常淬火组织为马氏体+粒状碳化物+20%～30%残余奥氏体。

为了减少残余奥氏体，稳定组织，消除应力，提高红硬性，高速钢要进行多次回火。如图6-9所示为 W18Cr4V 钢硬度与回火温度的关系。由图6-9可见，高速钢在 560℃左右回火达到硬度峰值。这是因为高硬度的细小弥散分布的 W、Mo 等的合金碳化物从马氏体中析出，造成了第二相的“弥散硬化”效应，使钢的硬度明显上升；同时从残余奥氏体中析出合金碳化物，降低了残余奥氏体中的合金浓度，使 Ms点上升，随后冷却时残余奥氏体转变为马氏体，发生了“二次淬火”现象，也使硬度提高；这两个原因造成“二次硬化”，保证钢的硬度和热硬性。当回火温度大于 560℃时，碳化物发生聚集长大，导致硬度下降。

图6-9　W18Cr4V钢硬度与回火温度的关系

为了逐步减少残余奥氏体量，要进行多次回火。W18Cr4V 钢淬火后约有 30%残余奥氏体，经一次回火后剩 15%～18%，二次回火降到 3%～5%，经过三次回火后，残余奥氏体才基本转变完成。高速钢回火后组织为：极细的回火马氏体 + 较多粒状碳化物及少量残余奥氏体（＜1%～2%），回火后硬度为 63～66 HRC。

3.合金模具钢

模具是机械、仪表等工业部门中的主要加工工具。专门用于制造各种模具的钢材称为模具钢。根据使用状态，模具钢可分为两大类：一类是用于冷成形的冷作模具钢，工作温度不超过 200～300℃；另一类是用于热成形的热作模具钢，模具表面温度可达 600℃以上。

（1）冷作模具钢。冷作模具钢是用于在室温下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、落料模等。

①工作条件和性能要求。

冷模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损，也常出现崩刃、断裂和变形等失效现象。因此，冷模具钢应具有高的硬度和耐磨性，以承受很大的压力和强烈的摩擦；较高的强度和韧性，以承受很大的冲击和负荷，保证尺寸的精度并防止崩刃。截面尺寸较大的模具要求具有较高的淬透性，而高精度模具则要求热处理变形小。(www.zuozong.com)

②化学成分特点。

高含碳量（wC＝1.0%～2.0%），含碳量高是为了保证与铬形成碳化物，在淬火加热时，其中一部分溶于奥氏体中，以保证马氏体有足够的硬度，而未溶的碳化物，则起到细化晶粒的作用，在使用状态下起到提高耐磨性的作用。主加合金元素Cr、Mo、W、V。含铬量高，其主要作用是提高淬透性和细化晶粒，截面尺寸为 200～300 mm 时，在油中可以淬透；形成铬的碳化物，提高钢的耐磨性。Mo、V 等合金元素，可进一步提高淬透性，细化晶粒，其中钒可形成 VC，进一步提高耐磨性和韧性，所以 Cr12MoV 钢较 Cr12 钢的碳化物分布均匀，强度和韧性高、淬透性高，用于制作截面大、负荷大的冷冲模、挤压模、滚丝模、剪裁模等。表6-13列出了冷作模具钢的牌号、化学成分及性能。

③加工工艺路线及热处理特点。

一般冷作模具的加工工艺路线为：下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火→回火→精磨→成品检验。

Cr12型钢属莱氏体钢，原始组织中的网状共晶碳化物分布不均匀将使模具变脆、崩刃，故应通过反复锻造来改善碳化物的不良分布状态，这也将有利于发挥后续热处理的效果。选用碳素工具钢或低合金刃具钢制造冷作模具的热处理为：球化退火、淬火＋低温回火。当选用Cr12型冷作模具钢时，其热处理方案有两种：

一次硬化法。其工艺为：950～1 000℃加热淬火＋180～250℃回火，硬度为58～60 HRC。这样处理的钢具有良好的耐磨性和韧性，用于重载模具。

二次硬化法。即在1 100～1 150℃加热淬火，再经510～520℃高温回火三次，使之产生二次硬化，硬度为60～62 HRC，红硬性和耐磨性较高，但韧性较低，适用于在400～450℃温度下工作的模具。

Cr12型钢的淬火回火后的组织为回火马氏体、粒状碳化物和残余奥氏体。

④常用冷作模具钢。

根据冷作模具的工作条件，可选用碳素工具钢，如T8A、T10A、T12A钢等，制造负荷轻、尺寸小、形状简单的模具。合金工具钢，如9SiCr、CrWMn、GCr15等，可制造负荷、尺寸较大，形状较复杂，批量不很大的模具。而重载荷、形状复杂、变形要求小的大型冷作模具应选用Cr12型钢，如Cr12MoV钢等。

（2）热作模具钢。热作模具钢是用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，包括热锻模、压铸模、热镦模、热挤压模、高速锻模等。

①工作条件和性能要求。

热作模具钢工作时经常会接触炽热的金属，型腔表面温度高达 400～600℃。金属在运动时会产生强烈巨大的压应力、张应力、弯曲应力和冲击载荷，在其作用下，与型腔产生相对的摩擦磨损。剧烈的冷热循环所引起的不均匀热应变和热应力，以及高温氧化，使模具工作表面出现热疲劳“龟裂纹”、崩裂、塌陷、磨损等失效形式。因此热模具钢的主要性能要求是优异的综合力学性能、抗热疲劳性和高的淬透性等。

②化学成分特点。

热模钢一般使用中碳合金钢，含碳为 0.3%～0.6%（压铸模钢材含碳量为下限），以保证高强度、高韧性、较高的硬度（35～52 HRC）和较高的热疲劳抗力。

加入 Cr、Ni、Mn、Mo、Si 等合金元素。Cr 是提高淬透性的主要元素，同时和 Ni 一起提高钢的回火稳定性。Ni 在强化铁素体的同时还增加钢的韧性，Cr、W、Mo 形成碳化物提高了材料的耐磨性；还通过提高共析温度来提高其抗热疲劳性。Mo 还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。

③加工工艺路线及热处理特点。

一般热作模具的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗加工→成形加工→淬火→高温回火→精加工。

对热作热模钢，要反复锻造，其目的是使碳化物均匀分布。锻造后的预备热处理一般是完全退火，其目的是消除锻造应力、降低硬度（197～241 HRS），以便于切削加工。其最终热处理为淬火+高温（中温）回火，以获得回火索氏体或回火托氏体组织。

④常用热作模具钢。

热作模具钢的牌号、成分及性能如表6-14所列。其中，最常用的是5CrMnMo和5CrNiMo钢，制造中、小型热锻模（模具有效高度小于 400 mm）一般选用 5CrMnMo 钢，制造大型热锻模（模具有效高度大于 400 mm）多选用 5CrNiMo 钢，5CrNiMo 钢的淬透性和抗热疲劳性比 5CrMnMo 好。热挤压模和压铸模冲击载荷较小，但模具与热态金属长时间接触，对热硬性和热强性要求较高，常选用 3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、4Cr3Mo3V 钢等钢种。其中4Cr5MoSiV1 是一种空冷硬化的热模具钢，广泛应用于制造模锻锤的锻模、热挤压模以及铝、铜及其合金的压铸模等。热作模具钢的选材应用如表 6-15 所示。

4.合金量具钢

量具用钢用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。用于制造量具的合金钢称为合金量具钢。

（1）性能要求。

量具在使用过程中必须保持自身尺寸的稳定性，为此，量具钢必须具有如下性能：

①高硬度、高耐磨性。其硬度一般大于62 HRC。

②尺寸稳定性。在存放和使用中组织应稳定，以确保不发生尺寸变化。

③良好的耐蚀性。以防止生锈和化学腐蚀。

（2）成分特点。

量具用钢的成分与低合金刃具钢相同，即为高碳（0.9%～1.5%）和加入提高淬透性的合金元素 Cr、W、Mn 等。

（3）工艺路线及热处理特点。

以CrWMn钢制块规为例，其加工工艺路线为：下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火→深冷处理→低温回火→粗磨→人工时效处理→精磨→去应力处理→研磨。

从工艺路线可看出，量具块规的热处理特点主要是增加了深冷处理和时效处理。深冷处理即量具淬火后，应立即在-80～-70℃进行深冷，以尽可能减少钢中的残余奥氏体，稳定量具尺寸。残余奥氏体是一种极不稳定的组织，在使用或长时间放置过程中会发生组织转变，从而导致量具尺寸变化。时效处理即对精度要求高的量具，经深冷处理再行低温回火、粗磨之后，还要用低温时效处理，以进一步稳定残余奥氏体和消除残余应力，也可以去除粗磨加工时产生的应力。此外，精磨后还要去除磨削应力，以保持量具尺寸的长期稳定性。

表6-15　热作模具钢的选材应用

（4）常用钢种。

量具钢没有专用钢。尺寸小、形状简单、精度较低的量具，用高碳钢制造；复杂的精密量具一般用低合金刃具钢制造。精度要求较高的量具用CrMn、CrWMn、GCr15等。GCr15钢冶炼质量好、耐磨性及尺寸稳定性好，是优秀的量具材料。渗碳钢及氮化钢可在渗碳及氮化后制作精度不高，但耐冲击性的量具。在腐蚀介质中则使用不锈钢（如9Cr18、4Cr13）作量具。

量具用钢的选用如表 6-16所列。

表 6-16 量具用钢的选用举例