工具钢

工具钢用于各种模具和切削刀具。根据用途的不同，要求的特性也有很大差异。日本JIS标准规定的工具钢类别有，碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢。其特性依存于钢中合金的种类和含量，并依此区分工具钢的钢种和类别。

1 工具钢的要求特性

1.1 碳素工具钢

碳素工具钢是除了C、Si、Mn，未特别添加其他合金元素的工具钢。主要的要求性能是硬度和依存于硬度的耐磨性。

1.2 合金工具钢

合金工具钢是为了提高碳素工具钢的淬透性，符合使用用途，主要添加Cr、Mo、W、V等合金元素的工具钢。按照用途，JIS标准将合金工具钢分类为切削刀具用钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢。 

合金工具钢的要求特性因用途不同而不同。切削刀具用钢要求硬度和耐磨性、耐冲击工具钢要求韧性和耐磨性、冷作模具钢要求硬度和耐磨性、热作模具钢要求耐热性和和韧性。

1.3 高速工具钢

高速工具钢是用于负荷更大的切削刀具和锻造模具的工具钢，要求具有高于合金工具钢的硬度和耐磨性以及耐热性。

2 工具钢标准

工具钢有JIS、ASTM、DIN等标准规定的钢和各工具钢制造厂自行添加合金元素和改进制造工艺的开发钢。JIS标准中代表性的6类工具钢的主要成分如表1。

3 工具钢钢种介绍

3.1 碳素工具钢

高C含量工具钢是要求高耐磨性的工具钢、低C含量工具钢是要求韧性的工具钢。按照C含量，工具钢分为各个钢种。碳素工具钢的淬透性不良，需要进行水淬，不适用于大型切削刀具和模具。

3.2 合金工具钢

合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为赋予必要特性添加合金元素的工具钢。合金工具钢与碳素工具钢的最大不同之处是，由于合金元素的添加，淬透性提高，可进行油冷淬火。但是，对于有些合金元素添加量的合金工具钢，淬火加热温度升高。

SKD11钢添加了多量的C、Cr，具有优良的淬透性和耐磨性，广泛用于大型冷作模具和各种冷作模具，以及刀具。SKD61的C含量较低，具有优良的耐热性和韧性，用于热作模具和要求韧性的各种用途。此外，添加W、Mo等合金元素的具有二次硬化性的合金工具钢，多在500℃-600℃回火状态下使用。

3.3 高速工具钢

高速工具钢中在添加Cr的同时，还添加多量的 V、Mo、W，在钢中生成V、Mo、W的碳化物，具有比合金工具钢更高的硬度、耐磨性和耐热性。淬火加热时，这些碳化物难于固溶，所以淬火加热温度高于合金工具钢，并且淬火硬度较低，为获得要求的硬度，要进行发生二次硬化的500℃-600℃回火处理。

4 工具钢中的合金元素

4.1 提高硬度（热处理）的合金元素

工具钢的硬度受淬火时生成的马氏体组织和回火时产生的二次硬化的影响。因此，在工具钢中添加了促进马氏体组织生成的C、Cr、Mo和产生二次硬化的W、Mo。

4.2 提高淬透性的合金元素

淬透性是工具钢淬火时生成马氏体组织的难易程度的特性。难易程度指的是马氏体组织的硬度和深度。C、Cr、Mn具有很好的提高淬透性的作用。

4.3 提高耐磨性的合金元素

工具钢的耐磨性依存于钢的硬度及与合金元素结合形成的碳化物的种类、碳化物的量和大小。工具钢中添加的碳化物形成元素有C、Cr、V、W、Mo。碳化物可分为钢水凝固时结晶析出的一次碳化物和钢水凝固后经加热冷却析出的二次碳化物两类。一次碳化物提高耐磨性的作用大。

C和碳化物形成元素的量对一次碳化物结晶析出有很大影响。C含量少的SKD61中基本上没有一次碳化物，而在C、Cr添加量多的SKD11中可观察到大量的大型一次碳化物（M7C3）。SKH51中添加了多量的V、Mo、W，所以，在SKH51中可观察到W、Mo形成的一次碳化物（M6C）和V形成的一次碳化物（MC）。V形成的一次碳化物是高硬度碳化物，对提高钢的耐磨性有很大作用。

4.4 提高韧性的合金元素

韧性是工具钢抗裂性的特性，与钢的硬度、耐磨性具有相悖的关系。钢中添加多量的C、Cr、V、W、Mo会引起钢的韧性下降。为了提高工具钢的韧性，有时添加Ni。

4.5 提高切削性的元素

为提高工具钢切削性常常添加S。S与钢中的Mn生成非金属夹杂物MnS，该夹杂物使钢具有优良的切削性。

5 工具钢的技术动向

本文对代表性的工具钢作了简要介绍。但常常有根据实际使用环境的需要，要求上述以外的特性的情况。当工具钢的性能不能符合使用环境时，会发生模具过早变形、短寿命或增加修正工作量。为此，工具钢制造厂通过调整标准工具钢的成分，开发出具有特色的工具钢新钢种。选用符合要求特性的工具钢新钢种可延长模具使用寿命，减轻模具的修正工作量。