工具钢：完成任务的钢

工具钢的金属成分和生产

什么是工具钢？

工具钢是异常坚硬、坚韧或耐磨的合金。它们的特性来自它们的化学和生产。正如它们的名字所暗示的那样，这些钢材可以进行切割、研磨、钻孔、冲压、敲击或其他艰巨的工作。工具钢必须具有适合其应用的材料特性。例如，钻头和冲头都需要硬度和耐磨性。然而，冲头受到更多冲击，而钻头受到更多剪切。工程师和冶金学家根据工具的用途选择工具钢的类型。

工具钢都含有产生碳化物的合金元素，碳化物是一种含有金属和碳的密集金属晶格。碳化物是一种耐火材料，这意味着它们可以抵抗压力、化学物质或热的分解。

然而，制造工具钢的不仅仅是化学。工具钢的硬度也来自精确控制的热处理和淬火。

淬火硬化工具钢

淬火是通过改变钢的微观结构来硬化钢的过程。

首先钢被加热。根据混合物中碳的含量，钢合金被加热到不同的温度。铁和碳在不同的“相”中移动，在这些“相”中，分子具有不同的形状，这些相取决于整体化学性质。

一旦达到并保持合适的热量，合金就会通过暴露在更冷的气体或液体中进行淬火或冷却。这种淬火使金属迅速冻结。当金属像这样被冲击冷冻时，许多微小的金属晶粒都开始冻结，每个晶粒之间以及它们之间都有很大的位移。将此与非常缓慢的冷却进行比较，其中谷物随着时间的推移在较大的圆形花朵中缓慢冷却。当金属受到撞击时，缓慢冷却的金属颗粒可以相互移动，使金属凹陷但不会破坏它。冲击冷冻使分子结构在受到撞击时移动的空间更小，使其更硬，更不容易凹陷。这些结构中的金属晶格被称为马氏体，正是马氏体的冲击、锯齿状分子结构赋予了淬火金属特有的硬度。

水淬是最快的淬火方式，空气淬火是最慢的方式。合金能处理什么取决于它的化学性质。如果冷却过快，某些合金可能会开裂或变形，但在温和的空气淬火中会很好地硬化。其他人不会形成坚硬的马氏体层，除非他们对水中这样的大温度变化感到震惊。

工具钢的分类

工具钢有六大类。四种最常见的是水硬化、冷作、热作和高速工具钢。特殊应用还使用抗冲击和专用工具钢。

水硬化

这组工具钢本质上是经过热处理的碳钢。它们含有 0.5–1.5% 的碳。可能存在其他合金元素，因为它们的质量不同，但通常低于 0.5%。这些金属，如镍、钨或钼，价格昂贵。使用较少的昂贵金属可为轻型应用提供价值。

这组钢需要水淬的极端冲击才能获得坚硬的外层。轻型工具、弹簧等小零件和小型紧固件可能是最终产品。它们不能在极端环境中使用，因为 W 系列钢比其他工具钢更脆。 W 系列钢更容易开裂，只能承受 302°F (150°C) 的连续温度。
冷作工具钢

冷作工具钢应在“冷”温度下使用——它们坚硬、坚韧且耐磨，但不适用于高温环境。由于切削冷材料比切削热材料承受更大的力，因此冷作工具钢的抗压强度是必须的。

在这种情况下，寒冷并不意味着金属工人是时候穿上毛衣了。 392°F (200°C) 及以下被认为是这些工具的冷工作环境。与许多类型的钢不同，石墨通常在冷作钢中形成。这种石墨使得这些合金中的许多都可以加工：石墨提供润滑。

冷作工具钢的子类别有：
- 油硬化 （O 系列）：在生产过程中，这些合金在油中淬火。它们含有 0.85–2.00% 的碳，并且通常少于 1% 的其他合金元素。这些元素可能包括锰、硅、钨、铬、钒和钼。
- 空气硬化 （A系列）：在生产过程中，这些合金在空气中淬火。它们的碳含量为 0.05–2.85%。这些钢可以含有高达 5% 的铬。高铬意味着A系列在热处理过程中不会发生尺寸变形。铬产生更小的公差。
- 高碳铬 （D 系列）：这些冷作钢的工作温度高达 797°F (425°C)。它们含有 1.4-2.5% 的碳和 11-13% 的铬。根据合金的不同，它们可以进行空气淬火或油淬，并且在任何一种冷却方法中都几乎没有变形。这些合金通常具有非常高的耐磨性。

热作工具钢

热作工具钢都含有更高比例的合金元素，以产生更多的碳化物并处理更高的工作温度。热作工具钢可以在高达 1004°F (540°C) 的温度下工作。作为一个群体，大多数人的碳含量较低，低于 0.6%。

热作工具钢通常用于高温制造，具有金属和玻璃等具有延展性的热材料。模具、冲压机、挤压机和压缩机都可以用热作钢制成。即使在长时间受热的情况下，该工具也必须继续发挥作用。

根据主要合金元素，热作工具钢分为三种主要类型：铬、钨或钼。少数具有高含量的铬和钨，因此根据制造商分类为钨或铬。主要合金元素产生钢中碳化物的类型，每种碳化物都有不同的优点。

热作工具钢的子类别有：
- 铬：铬热作工具钢的铬含量为 3–5%。其他合金元素如钨、钒或钼低于 5%。钒通常用于制造切削工具的钢中。这组合金（特别是 AISI H13）是最常用的热作工具。
- 钨：这些合金通常不含任何钼或钒。相反，它们含有 9–18% 的钨。大多数钨热作工具钢的铬含量在 2-4% 之间。这并非普遍适用：例如，合金 AISI H23 含有 12% 的铬和 12% 的钨。 H23 有时称为铬钢，有时称为钨钢，有时两者兼而有之。钨钢具有出色的耐热性，但很脆；这是通过在使用前预热到工作温度来管理的。
- 钼：许多铬热作工具钢中都含有少量钼。用于非常恶劣环境的优质热作钢有很多。钼在严苛的热加工应用中产生更高的热稳定性和耐磨性。钼合金 AISI H42 和 H43 通常用作金属轧机中的模具或刀具，以处理切削和锻造的热量和力。
高速工具钢

现代生产工艺在一定程度上是这类工具钢的发明的可能。高速运转的切削工具和机床钻头会因摩擦而变热。高速材料创新使机械师能够提高生产率。

1900年，高速工具钢在巴黎展览会上首次亮相。一群制造商喘着粗气看到尖端由于摩擦而开始发光，但仍在继续工作。 1890 年代的切割速度为每分钟 5-30 英尺，到 1905 年，机器以每分钟 150 英尺的速度移动。

高速工具钢含有 14-18% 的钨、3-5% 的铬、0.6% 的碳以及其他元素，具体取决于应用。

抗冲击工具钢

S 组抗冲击工具钢非常坚固，具有高抗冲击性。它们的力量不仅仅在于工具的表面或“冲击”层。它们可用于弹簧、凿子、冲压模具和冲头。这组合金通常含有许多合金元素，其中大部分存在于其他工具钢中。然而，这类钢中含有 0.15-3% 的硅。
特殊用途工具钢

这组合金是奇怪的鸭子栖息的地方；这些金属用于特定应用，甚至可能由冶金学家为特定制造商制造。该组包括低合金、高铁钢，所有其他合金元素都很少使用。这些最像廉价的 W 钢，也是水淬的。其他元素的微量添加提高了机械性能，但降低了成本。低碳“模具”钢也在这组特殊用途合金中。这些用于热塑性成型，必须具有耐热性和耐磨性，但不需要高抗冲击性。

选择工具钢

如果设计工业机器，或购买用于工业或制造目的的机器，使用的工具钢类型很重要，应由工程师指定。

对于购买手动工具的个人而言，需要知道的是不同的。通常，手动工具制造商会提供“硬化钢”，然后根据工具的预期用途选择钢材。然而，使用什么等级的钢材对于每个工具制造商来说都是行业秘密。制造商在逐个部分的基础上平衡价值和工作压力。选择工具的最佳方式是从该领域的专业人士、朋友和在线评论那里获得建议，而不是担心合金本身。如果制造商有任何冶金能力并且不偷工减料，那么手动工具的设计就变得比合金更重要。

铁匠、创始人和其他冶金学家会更加好奇，即使是在家庭爱好者层面。在这些群组中搜索资源和论坛可以提供大量信息，了解可以预期什么以及最好使用哪种金属。