工具钢：精密切削的终极耐用合金

工具钢的金属成分与生产

什么是工具钢？

工具钢是极硬、极韧或耐磨的合金。性能源于化学成分与生产工艺双重作用。顾名思义，这些钢可胜任切削、磨削、钻孔、冲压、冲击等高强度作业。工具钢须具备应用匹配的材料性能。如钻头和冲子均需硬度耐磨，但冲子承受更多冲击，钻头承受更多剪切。工程师冶金学家按工具用途选钢种。

工具钢均含产生碳化物的合金元素——含金属和碳的致密金属晶格。碳化物属耐火材料，耐压力、化学、热降解。

不仅化学成分造就工具钢。精确控制热处理和淬火赋予硬度。

淬火硬化工具钢

淬火通过改变微观结构硬化钢。

先加热钢材。钢合金加热温度视碳含量而定。铁碳经不同“相”，分子呈不同形态，相依赖整体化学成分。

达标保温后，合金经淬火——暴露于更冷气体或液体快速冷却。淬火速冻金属。金属受此冲击冻结，大量微小晶粒同时冻结，晶粒内部及间位移大。对比缓冷：晶粒随时间缓慢冻结成大圆晶花。缓冷晶粒受击可相对滑动，凹陷金属不破裂。冲击冻结使分子结构受击移动空间小，更硬、不易凹陷。此晶格称马氏体，马氏体冲击锯齿分子结构赋予淬火金属特征硬度。

水淬最快，风淬最慢。合金耐受度视化学成分。某些合金水淬太快开裂变形，但风淬能良好硬化。其他合金非大温差冲击（如水淬）不形成硬马氏体层。

工具钢类别

工具钢六大类。最常见四类：水硬化、冷作、热作、高速工具钢。特种应用用抗冲击和特殊用途工具钢。

水硬化工具钢

本质经热处理的碳钢。含碳 0.5–1.5%。其他合金元素为不同特性可能存在，但通常＜0.5%。镍、钨、钼等昂贵元素用量少，为轻载应用提供性价比。

本组钢需水淬极端冲击获硬表层。轻载工具、弹簧、小紧固件等典型制品。不可用极端环境，因 W 系钢比其他工具钢稍脆，易开裂，连续耐温仅至 302°F (150°C)。
冷作工具钢

冷作工具钢用于“冷态”温度——硬、韧、耐磨，但非耐高温。冷态切削需力大于热态，抗压强度是冷作工具钢必备。

此处“冷”非指工人穿毛衣。392°F (200°C) 及以下视为冷作环境。区别于许多钢种，冷作钢常析出石墨。石墨使许多合金易加工：石墨提供润滑。

冷作工具钢亚类：
- 油淬 (O 系)：生产中油淬。碳 0.85–2.00%，其他合金元素通常＜1%。可能含锰、硅、钨、铬、钒、钼。
- 风淬 (A 系)：生产中风淬。碳 0.05–2.85%。可含至 5% 铬。高铬使热处理中 A 系不发生尺寸变形。铬产生更严公差。
- 高碳铬 (D 系)：冷作钢工作温度至 797°F (425°C)。碳 1.4–2.5%，铬 11–13%。视合金可风淬或油淬，任一方式变形极小。耐磨损性极高。

热作工具钢

热作工具钢合金元素比例更高，生成更多碳化物、耐更高工作温度。热作工具钢工作温度至 1004°F (540°C)。群体多为低碳，＜0.6%。

热作工具钢常用于高温制造，加工可塑热材料如金属、玻璃。模具、冲模、挤压机、压缩机均可用热作钢。工具须在长时间热暴露下持续工作。

按主要合金元素分三主类：铬、钨、钼。少数高铬高钨，按厂家归类为钨系或铬系。主要合金元素决定碳化物类型，各碳化物优势不同。

热作工具钢亚类：
- 铬系：含铬 3–5%。钨、钒、钼等其他元素＜5%。钒常用于切削工具钢。此组（特别是 AISI H13）为最常用热作工具。
- 钨系：常不含钼钒。含钨 9–18%。多数钨系热作钢含铬 2–4%。非绝对：如 AISI H23 含铬 12%、钨 12%。H23 称铬系、钨系或两者皆称。钨钢耐热优异但可脆；预热至工作温度管理脆性。
- 钼系：多数铬系热作钢含少量钼。极端恶劣环境顶级热作钢含大量钼。钼赋予严苛热作应用更高热稳定性和耐磨性。钼合金 AISI H42、H43 常作金属厂模具、切削刀具承受切削锻造热力。
高速工具钢

现代生产工艺部分得益于此类工具钢发明。高速运行切削刀具机床因摩擦发热。高速材料创新让机加工提速增产。

1900 年巴黎世博会首发高速工具钢。制造商惊叹：切削刃因摩擦红热发光却持续工作。1890s 切削速度 5–30 英尺/分，1905 年达 150 英尺/分。

高速工具钢含钨 14–18%、铬 3–5%、碳 0.6%，视应用含其他元素。

抗冲击工具钢

S 组抗冲击工具钢极强，构建高抗冲击性。强度不止表面或“冲击”层。可用于弹簧、凿子、冲模、冲头。此组合金元素多见于其他工具钢。但硅 0.15–3% 是本类钢特征。
特殊用途工具钢

奇葩合金归宿：特定应用用、甚至为特定制造商由冶金学家定制。含低合金高铁钢，其他合金元素极少用。近似廉价 W 钢，也水淬。微量添加提升力学性能控制成本。低碳“模具”钢也在本组。用于热塑性模具，需耐热耐磨但非高抗冲击。