第五节 合金工具钢与高速工具钢
合金工具钢的分类
合金工具钢的分类
合金工具钢根据化学成分、用途和工艺性能等因素可以进行不同的分类。
下面是一些常见的合金工具钢分类：
1. 碳工具钢：主要是由碳作为合金元素，含有较高的碳含量，一般在0.60%至1.50%之间。
碳工具钢具有较高的硬度和强度，适用于制造切削工具、冲模和冷模等。
2. 高速工具钢：主要含有较高的碳和钨、钼、钴等合金元素。
高速工具钢具有优异的耐高温、耐磨损性能，适用于制造高速切削工具，如铣刀、麻花钻等。
3. 高硬度合金工具钢：主要含有较高的碳、铬和钼等合金元素。
高硬度合金工具钢具有较高的硬度和耐热性能，适用于制造切削刃和热作模具等。
4. 高温合金工具钢：主要含有较高的铼、钼、钨等合金元素。
高温合金工具钢具有较高的抗高温强度和耐热性能，适用于制造耐高温切削工具和模具等。
5. 不锈钢工具钢：由于不锈钢添加了铬元素，具有良好的耐腐蚀性能，适用于制造一些特殊用途的工具，如医疗器械、食品加工工具等。
需要注意的是，以上仅是合金工具钢的一些常见分类，实际上根据具体的需求和应用场景，合金工具钢可以有更多的分类方式。
《金属材料与热处理》教材习题答案：第五章 合金钢
《金属材料与热处理》教材习题答案第五章合金钢1.什么是合金钢?答：所谓合金钢就是在碳钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。
2.合金元素在钢中有哪些主要作用?这些作用对钢的性能会产生哪些影响?答：合金元素在钢中的作用是非常复杂，其中主要作用包括：一是形成合金铁素体。
由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异，引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化作用。
二是与碳能形成碳化物，当这些碳化物呈细小颗粒并均匀分布在钢中时，能显著提高钢的强度和硬度。
三是抑制钢在加热时奥氏体晶粒长大的作用，达到细化晶粒的目的使合金钢在热处理后获得比碳钢更细的晶粒，从而提高其综合力学性能。
四是可增加过冷奥氏体的稳定性，推迟其向珠光体的转变，减小钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。
五是提高回火稳定性，在相同的回火温度下，合金钢比相同含碳量的碳素钢具有更高的硬度和强度。
在强度要求相同的条件下，合金钢可在更高的温度下回火，以充分消除内应力，而使韧性更好。
3.合金钢是如何分类的?答：合金钢最常用下面两种分类方法。
一是按用途分类：分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
其中合金结构钢又可以分为低合金高强度钢，渗碳钢，调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。
合金工具钢可分为刃具钢、模具钢和量具钢等。
特殊性能钢则有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
二是按合金元素总含量分类：分为低合金钢（合金元素总含量＜5％）、中合金钢（合金元素总含量5％一10％）和高合金钢（合金元素总含量＞10％）。
4.合金钢的牌号编制有何特点？答：我国合金钢牌号采用碳含量、合金元素的种类及含量、质量级别来编号，简单明了，比较实用。
其中合金结构钢的牌号采用两位数字（碳含量）＋元素符号（或汉字）＋数字表示，前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分数；合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当碳含量大于等于1.0％时，则不予标出。
简述合金工具钢的定义及分类
简述合金工具钢的定义及分类
合金工具钢是一种通过在普通碳钢中添加合金元素来提高其硬度、韧性和耐磨性的特殊钢材。
它广泛应用于切削、冲击、形成、挤压等工具制造领域。
根据合金元素的不同，合金工具钢可以分为以下几类：
1. 碳钢合金工具钢
碳钢合金工具钢是通过在普通碳钢中添加少量合金元素（如硅、锰、铬等）来提高其性能的钢材。
这类工具钢具有较好的强度和韧性，适用于制作一些不要求太高硬度的切削工具。
2. 高速钢
高速钢是一种通过添加合金元素（如钨、钼、钴等）来提高其耐热性和硬度的工具钢。
它具有良好的切削性能和耐磨性，适用于制作高速切削工具，如铣刀、钻头等。
3. 热工具钢
热工具钢是一种通过在普通碳钢中添加合金元素（如钼、钴、钛等）来提高其高温强度和耐热性的工具钢。
它具有较高的硬度和耐磨性，在高温下仍能保持较好的刚性，适用于制作热模具、压铸模具等。
4. 特殊合金工具钢
特殊合金工具钢是指通过添加特殊的合金元素来满足特定工具制造需
求的工具钢。
它们具有特殊的性能特点，适用于特定的工具制造领域，如不锈钢刀具、冷作模具等。
工具钢的性能及热处理
生产品种：热轧材、锻 材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝、银亮钢丝。
Cr2
性能：含铬量具刀具钢，是在碳素工具钢T10的基础上加入一定量的铬而成的。其化学成分与滚珠轴承钢GCrl5相似。由于含有铬，使钢的淬透性、硬度大耐磨性均比碳素工具钢T10高，在热处理淬火和回火时尺寸变化也不大。
工具钢具有良好的强度、韧性、硬度、耐磨性和回火稳定性等性能。主要用于制造各种切削刀具、成形工具和测量工具。
（1） 硬度
工具钢制成工具经热处理后具有足够高的硬度，如用于金属切削加工的工具一般在HRC60以上。工具在高的切削速度和加工硬材料所产生高温的受热条件下，仍能保持高的硬度和良好的红硬性。碳素工具钢和合金工具钢一般在180℃~250℃、高速工具钢在600℃左右的工作温度下，仍能保持较高的硬度。红硬性对热变形模具和高速切削刀具用钢是非常重要的性能。
工具钢除了具有上述使用性能外，还应具有良好的工艺性能。
（1） 加工性
工具钢应具有良好的热压力加工性能和机械加工性能，才能保证工具的制造和使用。钢的加工性取决于化学成分、组织的质量。
（2） 淬火温度范围
工具钢的淬火温度应足够宽，以减少过热的可能性。
（3） 淬硬性和淬透性
淬硬性是钢在淬火后所能达到最高硬度的性能。淬硬性主要与钢的化学成分特别是碳含量有关，碳含量越高，则钢的淬硬性越高。
火状态的高速工具钢的主要合金元素有多、钼、铬、钒，还有一些高速工具钢中加入了钴、铝等元素。这类钢属于高碳高合金莱氏体钢，其主要的组织特征之一是含有大量的碳化物。铸态高速工具钢中的碳化物是共晶碳化物，经热压力加工后破碎成颗粒状分布在钢中，称为一次碳化物；从奥氏体和马氏体基体中析出的碳化物称为二次碳化物。这些碳化物对高速工具钢的性能影响很大，特别是二次碳化物，其对钢的奥氏本晶粒度和二次硬化等性能有很大影响。碳化物的数量、类型与钢的化学成分有关，而碳化物的颗粒度和分布则与钢的变形量有关。钨、钼是高速工具钢的主要合金元素，对钢的二次硬化和其他性能起重要作用。铬对钢的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用，对二次硬化也有一定的作用。钒对钢的二次硬化和耐磨性起重要作用，但降低可磨削性能。
刀具材料的种类很多，常用的材料有工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬
刀具材料的种类很多，常用的材料有工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬1、碳素工具钢碳素工具钢是指碳的质量分数为0.65％～1.35％的优质高碳钢。
用做刀具的牌号一般是T10A和T12A。
常温硬度60～64HRC。
当切削刃热至200～250℃时，其硬度和耐磨性就会迅速下降，从而丧失切削性能。
碳素工具钢多用于制造低速手用工具，如锉刀、手用锯条等。
2、合金工具钢为了改善碳素工具钢的性能，常在其中加入适量合金元素如锰、铬、钨、硅和钒等，从而形成了合金工具钢。
常用牌号有9SiCr、GCrl5、CrWMn等。
合金工具钢与碳素工具钢相比，其热处理后的硬度相近，而耐热性和耐磨性略高，热处理性也较好。
但与高速钢相比，合金工具钢的切削速度和使用寿命又远不如高速钢，使其应用受到很大的限制。
因此，合金工具钢一般仅用于取代碳素工具钢，作一些低速、手动刀具，如手用丝锥、手动铰刀、圆板牙、搓丝板等。
3、高速钢高速钢是一种含钨、铝、铬、钒等合金元素较多的高合金工具钢。
高速钢主要优点是具有高的硬度、强度和耐磨性，且耐热性和淬透性良好，其允许的切削速度是碳素工具钢和合金工具钢的两倍以上。
高速钢刃磨后切削刃锋利，故又称之为“锋钢”和“白钢”。
高速钢是一种综合性能好、应用范围较广的刀具材料，常用来制造结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀。
拉刀、齿轮刀具等。
高速钢按其用途和性能不同，可分普通高速钢和高性能高速钢；按其化学成分不同，又可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢。
1) 普通高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。
常用牌号有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。
① W18Cr4V属钨系高速钢，它具有性能稳定，刃磨及热处理工艺控制方便等优点，但因钨价较高，且使用寿命短故使用较少。
② W6Mo5Cr4V2属钨钼系高速钢，它的碳化物分布均匀，抗弯强度，冲击韧度和高温塑性都比W18Cr4V好，但磨削工艺略差。
因其使用寿命长、价格低，故被广泛使用。
2) 高性能高速钢是在普通高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性、耐磨性。
合金钢分类以及用途
低合金刃具钢的应用
2．高速钢
高红硬性、高耐磨性的高合金工具钢。 钢中含有较多的碳（0.7％～1.50％）和大量的钨、铬、 钒、钼等强碳化物形成元素。
高的含碳量：保证形成足够量的合金碳化物，并使高速 钢具有高的硬度和耐磨性。
W、Mo：提高钢红硬性的主要元素。 铬：提高钢的淬透性。
钒：提高钢的硬度、耐磨性和红硬性，并能细化晶粒。
合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢
2．按合金元素总含量分类
低合金钢：合金元素总含量＜5％。 中合金钢：合金元素总含量5％～10％ 高合金钢：合金元素总含量＞10％
二、合金钢的牌号
1．合金结构钢
两位数字（碳含量）＋元素符号（或汉字）＋数字表 示。
前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分数。 元素符号（或汉字）表明钢中含有的主要合金元素。 后面的数字表示该元素的含量。合金元素含量小于1.5 ％时不标，平均含量为1.5％~2.5％，2.5％~3.5%…时，则 相应地标以2，3…
1．低合金刃具钢
低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入 少量合金元素的钢。
加入铬、锰、硅等元素，目的是提高钢的淬透性，同 时还能提高钢的强度。 加入钨、钒等强碳化物形成元素，目的是为了提高钢 的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。
低合金刃具钢的预备热处理是球化退火，最 终热处理为：淬火+低温回火。
6．特殊专用钢
特殊专用钢，为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以 汉语拼音字母字头，并不标含碳量，合金元素含量的标注 也和上述有所不同。
如：滚动轴承钢中高铬轴承钢的前面标“G’，（“滚” 字的汉语拼音字母字头）而不标含碳量，如GCr15。而牌 号中铬元素后面的数字是表示含铬量的千分数，其他元素 仍按百分数表示，如GCrl5SiMn表示含铬量为1.5％，硅、 锰含量均小于1.5％的滚动轴承钢。
我国钢材牌号的分类及其含义
我国在此是以钢材的用途分类作为表示方法分类的基础：1）碳素结构钢：表示方法：Q+数字+（质量等级符号）+（脱氧方法符号）+（专门用途的符号）①钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点；②“Q”后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa。
例如Q235表示屈服点（σs）为235 MPa 的碳素结构钢；③必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。
质量等级符号分别为A、B、C、D。
脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。
例如Q235-AF表示A级沸腾钢。
专门用途的碳素钢：例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。
2）优质碳素结构钢表示方法：数字+（元素符号）+（脱氧方法符号）+（专门用途的符号）①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。
②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。
③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。
3）碳素工具钢表示方法：字母T+数字+（元素符号）+（质量等级符号）①钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。
②钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。
例如“T8”表示平均碳含量为0.8%。
③锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。
④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。
4）易切削钢表示方法：字母Y+数字+（元素符号）①钢号冠以“Y”，以区别于优质碳素结构钢。
②字母“Y”后的数字表示碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.3%的易切削钢，其钢号为“Y30”。
③锰含量较高者，亦在钢号后标出“Mn”，例如“Y40Mn”。
合金工具钢- 特殊性能钢
0.85 0.95
0.90 1.05 0.80 0.95
•（1）以9SiCr为例介绍低合金刃具钢：
⑴含碳量：Wc＝0.85～0.95％，保证高硬度和高耐磨性；
⑵合金元素的作用：提高淬透性及钢的强度，提高回火 稳定性，使之具有一定的红热性； ⑶应用：板牙、丝锥 ⑷热处理工艺：
•球化退火：球化温度：800~810℃；
表6-16 常用低合金刃具钢的牌号、化学成分和力学性能 化学成分（%） 钢号 淬火钢 的硬度 HRC ≥62 ≥62 ≥62
C
9CrSi CrWMn 9Cr2
Mn 0.3 0.6
0.8 1.1 ≤0.4
Si 1.2 1.6
≤0.4 ≤0.4
Cr 0.9 1.25
0.9 1.2 1.3 1.7
W
-1.2 1.6 --
超过250℃时，硬度才低于60HRC；由于W的作用，钢中碳
化物比较多而容易形成网状。 适于制作截面较大、要求耐磨、淬火变形小的刃具，如拉
刀、长丝锥等，也可制作量具及形状较复杂的高精度冲模。
③Cr2 即GCr15钢，只在对非金属夹杂物要求不严格
时，制作切削工具、量具及冷轧辊等。 ④ CrW5 钢由于加入了较多的钨，形成 M6C 型碳化物。 在 820℃淬火温度溶于奥氏体中量少，淬透性低；需 要水淬，淬火后剩余碳化物多，回火后硬度
0.40 0.40 0.40-0.60 0.40 0.40-0.60 0.40 0.40 0.40
0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35
(摘自GB/T1298-1986)
用途
冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。
热处理：球化退火；淬火 + 低温回 火
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第五节合金工具钢与高速工具钢
工具钢用于制造各种工具，如量具、刃具、模具等。
工具钢按化学成分可分为非合金工具钢、合金工具钢和高速工具钢三类。
碳素工具钢已在第五章中介绍，以下主要讲解后两种工具钢。
一、合金工具钢
合金工具钢包括量具刃具钢、冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢等。
1．量具刃具钢
[应用场合]：主要用于制造低速切削刃具（如木工工具、钳工工具、钻头、铣刀、拉刀等）及测量工具（如卡尺、千分尺、块规、样板等）。
量具刃具钢要求具有高硬度（62～65HRC）、高耐磨性、足够的强韧性、高的热硬性（即刃具在高温时仍能保持高的硬度）；为保证测量的准确性，要求量具刃具钢具有良好的尺寸稳定性。
扳牙丝锥量具
[化学成分]：量具刃具钢具有高碳成分，w C=0.8％～1.50％，以保证高的硬度和耐磨性。
加入的合金元素有Cr、Si、Mn、W等，用以提高钢的淬透性、耐回火性、热硬性和耐磨性。
[常用刃具钢]：9SiCr是应用广泛的刃具钢，用于制作要求变形小的各种薄刃低速切削刃具，如板牙、丝锥、铰刀等。
[常用量具钢]：高精度量具（如块规）可采用Cr2、CrWMn等量具刃具钢制造，也可用轴承钢（如GCr15）制造；简单量具(如卡尺、样板、直尺、量规等)多用碳素工具钢（如T10A）；要求精密并须防止腐蚀的量具，采用不锈钢3Cr13、9Cr18。
常用量具刃具钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途(摘自GB1299-2000)
注：表中Cr06钢的平均w C ＞1%，为与结构钢区别，不标含碳量数字。
其平均w Cr =0.6%。
[热处理]：量具刃具钢的预先热处理为球化退火，最终热处理为淬火加低温回火，热处理后硬度达60～65HRC 。
高精度量具在淬火后可进行冷处理，以减少残余奥氏体量，从而增加其尺寸稳定性。
为了进一步提高尺寸稳定性，淬火回火后，还可进行时效处理。
2．冷作模具钢 [应用场合]：冷作模具用于冷态下（工作温度低于200～300℃）金属的
成形加工，如冷冲模、冷挤压模、剪切模等。
这类模具承受很大的压力、强烈的摩擦和一定的冲击，因此，要求具有高硬度、耐磨性和足够的韧性。
此外，形状复杂、精密、大型的模具还要求具有较高的淬透性和小的热处理变形。
冷作模
[化学成分]：冷作模具钢一般具有高的含碳量，w C=1.0％～2.0％，以获得高硬度和高耐磨性。
加入合金元素Cr、Mo、W、V等，以提高耐磨性、淬透性和耐回火性。
[常用冷作模具钢]：Crl2型钢包括Cr12、Cr12MoV等，这类钢的淬透性及耐磨性好，热处理变形小，常用于大型冷作模具。
其中Crl2MoV钢除耐磨性不及Cr12钢外，强度、韧性都较好，应用最广。
尺寸较小的冷作模具可选用低合金冷作模具钢CrWMn等，也可采用刃具钢9SiCr或轴承钢GCr15。
[热处理]：Crl2型钢属于莱氏体钢，加工前应进行反复锻打并退火。
Cr12型钢的最终热处理一般为淬火和回火，获回火马氏体、碳化物和残余奥氏体组织，硬度为 60～64HRC。
常用冷作模具钢的牌号、化学成分、热处理及用途（摘自GB/T1299－2000）
3．热作模具钢
[应用场合]：热作模具用于热态金属的成形式加工，如热锻模、压铸模、热挤压模等。
热作模具工作时受到比较高的冲击载荷，同时模腔表面要与炽热金属接触并发生摩擦，局部温度可
达500℃以上，并且还要不断反复受热与冷却，常因热疲劳而使模腔表面龟裂，故要求热作模具钢在高温下具有较高的综合力学性能及良好的耐热疲劳性。
此外，必须具有足够的淬透性。
[化学成分]：热作模具钢为中碳成分，w C=0.3％～0.6％，以获得综合力学性能；合金元素有Cr、Mn、Ni、Mo、W、Si等，其中Cr、Mn、Ni主要作用是提高淬透性； W、Mo提高耐回火性并防止回火脆性； Cr、W、Mo、Si还提高钢的耐热疲劳性。
[常用热作模具钢]：5CrMnMo和5CrNiMo是最常用的热锻模具钢，其中5CrMnMo常用来制造中小型热锻模，5CrNiMo常用于制造大中型热锻模；对于受静压力作用的模具（如压铸模、挤压模等），应选用3Cr2W8V或4Cr5W2VSi钢。
[热处理]：热锻模坯料锻造后需进行退火，以消除锻造应力，降低硬度，利于切削加工；最终热处理为淬火、高温（或中温）回火，回火后获得均匀的回火索氏体或回火托氏体，硬度约为40HRC左右。
常用热作模具钢的牌号、化学成分、热处理及用途（摘自GB/T1299－2000）
4．塑料模具钢
[性能要求]：塑料模具所受的应力和磨损较小，主要失效形式为模具表面质量下降，因此应具备以下性能：①良好的加工性能，在较高预硬硬度（28～35HRC），便于进行切削加工或电火花加工，易于蚀刻各种图案、文字和符号；②良好的抛光性，模具抛光后表面达到高镜面度(一般Ra值为0.1～0.012μm)；③较高的硬度（热处理后硬度应超过45~55HRC），良好的耐磨性，足够的强度和韧性；④热处理变形小（保证精度）、良好的焊接性（便于进行模具焊补）等。
注塑模
[常用塑料模具钢]：由于塑料模对力学性能的要求不高，所以材料选择有较大的机动性。
常用塑料模具钢的牌号、性能及用途见下表。
表中所列钢号大多为国产塑料模具钢号，现阶段仍有许多塑料模采用国外钢号（如日本、美国、德国、瑞典等）或根据国外钢号生产的改良钢种。
常用塑料模具钢的牌号、性能及用途
①为GB/T1299-2000《合金工具钢》中的列出的塑料模具钢种
二、高速工具钢
[应用场合]：高速钢主要用来制造中、高速切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻等。
[性能特点]：具有较高的热硬性，保证在500～600℃时硬度仍不降低，硬度可保持~60HRC。
[常用高速钢]：是一种高碳高合金工具钢，w C=0.70～1.25%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等，W、Mo、V是提高热硬性的主要元素，V可形成高硬度的碳化物，显著提高钢的硬度及耐磨性，Cr可提高淬透性。
W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V为较常用的高速钢，这三个钢号的产量占目前国内生产和使用的95%以上。
[热处理]：W18Cr4V钢的最终热处理为高温淬火和多次回火。
W18Cr4V钢的淬火温度高达1270～1280℃，淬火冷却后得到马氏体、碳化物和残余奥氏体（20%～30%）。
回火采用560℃三次回火，多次回火的主要目的是消除淬火组织中较多的残余奥氏体，使其转变成马氏体；三次回火还能使马氏体中析出更多的碳化物，产生二次硬化，提高热硬性。
热处理后高速钢的硬度可达63~65HRC。
高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中有粗大鱼骨状的合金碳化物，这种碳化物硬而脆，若不消除这种碳化物的不均匀性，制成刀具后将出现早期损坏，使刀具易出现“崩刃”，故必须用反复锻打的方法将其击碎，使碳化物细化并均匀分布在基体上。
W18Cr4V 钢锻造后进行退火，以消除内应力，降低硬度改善切削加工性能，并为淬火做好组织准备。
麻花钻，车刀，铣刀
常用高速钢的牌号、化学成分、热处理及用途（摘自GB/T9943－1988）。