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，wC=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)

牌号	化学成分w/%						力学性能				应用
	C	Si	Mn	Cr	S	P	力学性能
	C	Si	Mn	Cr	S	P	淬火温度/℃	HRC	回火温度/℃	HRC
9SiCr	0.85～0.95	1.20～1.60	0.30～0.60	0.95～1.25	≤0.30		820～860油	≥ 62	180～200	60 ～ 62	地下水位监测制作板牙、丝锥、铰刀、钻头、齿轮铣刀、拉刀等，也可制作冷冲模、冷轧辊等
Cr06	1.30～1.45	≤0.40	≤0.40	0.50～0.70	≤0.30		780～810水	≥ 64			制作刮刀、锉刀、剃刀、外科手术刀、刻刀等
Cr2	0.95～1.10	≤0.40	≤0.40	1.30～1.65	≤0.30		830～860油	≥ 62			制作车刀、插刀、铰刀、钻套、量具、样板、偏心轮、拉丝模、大尺寸冷冲模等

注：表中Cr06钢的平均wC＞1%，为与结构钢区别，不标含碳量数字。其平均wCr=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，wC=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）

乙酰正丙醇

牌号	化学成分w/%							交货状态（退火）HBS	热处理		应用
	C	Si	Mn	Cr	其他	P	S		淬火温度/℃	HRC 不小于
	C	Si	Mn	Cr	其他	不大于			淬火温度/℃	HRC 不小于
CrWMn	0.90～1.05	≤0.40	0.80～1.10	0.90～1.20	W：1.20～1.60	0.03	0.03	207～255	800～830油	62	制作淬火要求变形很小、长而形状复杂的切削刀具，如拉刀、长丝锥及形状复杂、高精度的冷冲模
三爪拉马Cr12	2.00～2.30	≤0.40	≤0.40	11.50～13.00		0.03	0.03	217～269	950～1000油	60	制作耐磨性高、不受冲击、尺寸较大的模具，如冷冲模、冲头、钻套、量规、螺纹滚丝模、拉丝模等
Cr12MoV	1.45～1.70	≤0.40	≤0.40	11.00～12.50	Mo：0.40～0.60；V：0.15～0.30	0.03	0.03	207～255	950～1000油	58	制作截面较大、形状复杂、工作条件繁重的各种冷作模具及螺纹搓丝板等

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，wC=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）

牌号台卡制作	化学成分w/%							交货状态（退火）HBS	淬火温度/℃	应用
	C	Si	Mn	Cr	其他	P	S
	C	Si	Mn	Cr	其他	不大于
5CrMnMo	0.50～0.60	0.25～0.60	1.20～1.60	0.60～0.90	Mo0.15～0.30	0.03	0.03	197～241	820～850油	制作中小型热锻模（边长≤300～400mm）
5CrNiMo	0.50～0.60	≤0.40	0.50～0.80	0.50～0.80	Ni1.40～1.80；Mo0.15～0.30	0.03	0.03	197～241	830～860油	制作形状复杂、冲击载荷大的各种大、中型热锻模（边长＞400mm）
3Cr2W8V	0.30～0.40	≤0.40	≤0.40	2.20～2.70	W7.50～9.00；V0.20～0.50	0.03	0.03	≤255	1075～1125油	制作压铸模，平锻机上的凸模和凹模、镶块，铜合金挤压模等
4Cr5W2VSi	0.32～0.42	0.08～1.20	≤0.40	4.50～5.50	W1.60～2.40；V0.60～1.00	0.03	0.03	≤229	1030～1050油或空	可用于高速锤用模具与冲头，热挤压用模具及芯棒，有金属压铸模等

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

种类	牌号	应用
预硬型①	3Cr2Mo 3Cr2MnNiMo	工艺性能优良，切削加工性和电火花加工性良好，镜面抛光性好，表面粗糙度Ra值可达0.025μm，可渗碳、渗硼、氮化和镀铬，耐蚀性和耐磨性好，具备了塑料模具钢的综合性能，是目前国内外应用最广的塑料模具钢之一，主要用于制造形状复杂、精密、大型模具，各种塑料模具和低熔点金属压铸模
非合金型	国产45、50和S45C～S58C（日本）	形状简单的小型塑料模具或精度要求不高、使用寿命不需要很长的塑料模具
非合金型	T7、T8、T10、T11、T12	对于形状较简单的、小型的热固性塑料模具，要求较高的耐磨性的模具
整体淬硬型	9Mn2V、CrWMn, 9CrWMn、Cr12、Cr12MoV，5CrNiMo, 5CrMnMo,	用于压制热固性塑料、复合强化塑料产品的模具以及生产批量很大，要求模具使用寿命很长的塑料模具，
渗碳型	20、12CrMo、20Cr	较高的强度，而且心部具有较好的韧性，表面高硬度、高耐磨性、良好的抛光性能，塑性好，可以采用冷挤压成型法制造模具。缺点是模具热处理工艺较复杂、变形大。用于受较大摩擦、较大动载荷、生产批量大的模具
耐腐蚀型	9Cr18、4Cr13 、1Cr17Ni2	用于在成型过程中产生腐蚀性气体的聚苯乙烯等塑料制品和含有卤族元素、福尔马林、氨等腐蚀介质的塑料制品模具

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，wC=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 铁水预处理%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）

牌号	化学成分w/%					热处理				应用
牌号	C	Cr	W	V	Mo	淬火温度/℃	HRC	回火温度/℃	HRC	应用
W18Cr4V	0.70～0.80	3.80～4.40	17.50～19.00	1.00～1.40	≤0.30	1260～1280油	≥63	550～570(三次)	63～66	制作中速切削用车刀、刨刀、钻头、铣刀等
W6Mo5Cr4V2	0.80～0.90	3.80～4.40	5.50～6.75	1.75～2.20	4.50～5.50	1220～1240油	≥63	540～560(三次)	63～66	制作要求耐磨性和韧性相配合的中速切削刀具，如丝锥、钻头等无氨显影液
W9Mo3Cr4V	0.77～0.87	3.80～4.40	8.50～9.50	1.30～1.70	2.70～3.30	1210～1230	≥63	540～560(三次)	≥63	通用型高速钢