合金工具钢的特性与应用

碳素工具钢经热处理后能达到很高的硬度和耐磨性。但因其淬透性低，淬火变形倾向大，热硬性差，因此，仅适用于制造尺寸较小、形状简单、精度低的模具、量具和低速手用刀具。合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入适量合金元素制成的。由于合金元素的加入提高了钢的强度、淬透性和热硬性，减小了变形开裂倾向，因此，尺寸较大、形状复杂、精度要求高的模具、量具以及切削速度较高的刀具，都采用合金工具钢来制造。合金工具钢按其用途不同，可分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。

4.2.3.1　合金刃具钢

合金刃具钢主要用于制造各种切削工具，如车刀、铣刀等。刀具在切削过程中承受着高温、高压和强烈的摩擦，因此，要求刃具钢必须具有高的硬度、耐磨性、热硬性以及足够的强度和韧性。

合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢两种。

（1）低合金刃具钢

低合金刃具钢中碳的质量分数为0.80%～1.50%，合金元素质量分数为3%～5%。钢中常加入铬、锰、硅、钨、钒等合金元素，以提高钢的淬透性、回火稳定性和耐磨性。但由于钢中合金元素加入量较少，故这类钢的工作温度一般不超过300℃，主要用于制造切削速度较低、尺寸较大或形状复杂的切削刀具。

常用的低合金刃具钢有9SiCr、CrWMn和9Mn2V等。其中9SiCr钢有较高的硬度和耐磨性，常用于制造丝锥（图4-34）、板牙（图4-35）、铰刀（图4-36）等。CrWMn钢的硬度高于9SiCr钢，可达到64～66HRC，且热处理变形小，所以常用于制造较精密的刀具，如长丝锥、长铰刀等。

低合金刃具钢的热处理为球化退火，淬火后低温回火。

图4-34　丝锥

图4-35　板牙

图4-36　铰刀

（2）高速钢

高速钢是一种高碳、高合金元素含量的刃具钢，它以高速切削而得名，这类钢热处理后具有高的热硬性，在其切削温度高达600℃时，仍能保持高硬度（60HRC以上）和高耐磨性。高速钢还具有很高的淬透性，在空气中冷却也能淬硬，并且刃口锋利，故又称为“锋钢”，主要用于制造重要的、形状复杂的高速切削刀具。

高速钢碳的质量分数为0.70%～1.65%，较高的含碳量主要是保证其具有高硬度和高耐磨性。钢中常加入钨、钼、铬、钒等合金元素，其总量超过10%，从而大大提高了钢的淬透性和回火稳定性，使高速钢在高速、高温下进行切削时仍具有很高的热硬性和耐磨性。

常用的高速钢有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。其中W18Cr4V钢是发展最早、应用最广泛的高速工具钢，其热硬性高，过热和脱碳倾向小，但韧性较差，主要用于制造中速切削刀具或结构复杂低速切削的刀具，如拉刀（图4-37）、齿轮刀具（图4-38）等。W6Mo5Cr4V2钢可作为W18Cr4V钢的代用品，与W18Cr4V钢相比，其热硬性稍差，但韧性和耐磨性较高，主要用于制造耐磨性和韧性配合较好的刀具，尤其适宜制作麻花钻头（图4-39）等薄刃刀具。

高速钢的热处理为高温（1 270～1 280℃）淬火后，再进行三次高温（560℃）回火。

图4-37　拉刀

图4-38　齿轮刀具

图4-39　麻花钻头

4.2.3.2　合金模具钢

合金模具钢按使用条件不同，分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。(www.xing528.com)

（1）冷作模具钢

冷作模具钢用于制造在冷态下变形或分离的模具，如冷冲模（图4-40）、冷镦模、冷挤压模等。图4-41所示为汽车外板冷冲模，图4-42所示为汽车保险杠模具，其都是由冷作模具钢制作的。冷作模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦，因此，要求模具工作部分有高的硬度（50HRC～60HRC）、耐磨性、强度和韧性。

图4-40　冷冲模

冷作模具钢碳的质量分数为1.0%～2.0%，较高的含碳量是为了保证其具有高硬度和高耐磨性。钢中常加入铬、钨、钼、钒等合金元素，以提高钢的耐磨性、淬透性和回火稳定性。

图4-41　汽车外板冷冲模

图4-42　汽车保险杠模具

目前广泛应用的是Cr12型钢，如Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1等。Cr12型钢具有很高的硬度（约1 820HV）和耐磨性、较高的强度和韧性及热处理变形小等特点，主要用于制作大截面、形状复杂、变形要求严格的冷作模具。截面较大、形状较复杂、淬透性要求较高的冷作模具可以选用低合金工具钢9SiCr、9Mn2V或GCr15制造。

（2）热作模具钢

热作模具钢用来制造使加热的金属或液体金属成形的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。热作模具工作时受到强烈的摩擦、较高的温度和大的冲击载荷以及强烈的冷热循环，导致模具易出现崩裂、磨损、塌陷、龟裂等失效现象。因此，要求热作模具钢在高温下应具有高的热硬性、耐磨性、抗氧化能力、热强性和足够的韧性。此外，对尺寸较大的热作模具还要求有高的淬透性，以保证模具整体性能均匀，且热处理变形要小。

热作模具钢碳的质量分数为0.3%～0.6%，以保证有良好的强度、硬度和韧性配合。加入镍、铬、钼、锰、硅等合金元素，可提高其强度、韧性、淬透性、抗热疲劳性及回火稳定性。

5CrMnMo和5CrNiMo是最常用的热作模具钢，它们有较高的强度、耐磨性和韧性，优良的淬透性和良好的抗热疲劳性能，主要用于制作大中型热锻模。根据我国资源情况，应尽可能采用5CrMnMo钢。对于在静压下使金属变形的热挤压模、压铸模，常选用高温性能较好的3Cr2W8V钢或4Cr5W2VSi钢制作。

（3）塑料模具钢

塑料模具包括塑料模和胶木模等，它们都是用来在不超过200℃的低温加热状态下，将细粉或颗粒状塑料压制成形。塑料模具在工作时，持续受热、受压，并受到一定程度的摩擦和有害气体的腐蚀。因此，塑料模具钢主要要求在200℃时具有足够的强度和韧性，并具有较高的耐磨性和耐腐蚀性。

目前常用的塑料模具钢主要为3Cr2Mo，用于中型塑料模具，其ω（C）=0.3%可保证热处理后获得良好的强韧性配合及较高的硬度和耐磨性，加入铬、钼等合金元素，可提高淬透性，减小变形。

4.2.3.3　合金量具钢

合金量具钢用来制作各种测量工具，如游标卡尺（图4-43）、千分尺（图4-44）、块规、塞规（图4-45）等。量具工作时主要受摩擦、磨损，承受外力很小，因此，要求量具用钢要有高的硬度（62～65HRC）、高的耐磨性和良好的尺寸稳定性。

图4-43　游标卡尺

图4-44　千分尺

图4-45　塞规

量具用钢中碳的质量分数较高，一般为0.9%～1.5%，以保证其具有高的硬度和耐磨性，加入铬、钨、锰等合金元素，可提高淬透性，减小变形。

最常用的量具钢为碳素工具钢和低合金刃具钢。碳素工具钢T10A、T12A常用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具，如样板、塞规等。低合金刃具钢9SiCr、CrWMn和9Mn2V等因含有少量合金元素，故热处理变形小，适合制作形状复杂、精度要求高的量具。