工具钢是异常坚硬、坚韧或耐磨的合金。它们的特性来自它们的化学性质和它们的生产。正如它们的名字所暗示的那样，这些钢可以用于切割、研磨、钻孔、冲压、敲击或其他艰巨的工作。工具钢必须具有适合其应用的材料特性。例如，钻头和冲头都需要硬度和耐磨性。然而，冲头承受更大的冲击，而钻头承受更大的剪切。工程师和冶金学家根据工具的用途选择工具钢的类型。

工具钢都含有产生碳化物的合金元素，这是一种包含金属和碳的密集金属晶格。碳化物是一种耐火材料，这意味着它们在压力、化学物质或热量下不会分解。

然而，制造工具钢的不仅仅是化学。工具钢还通过精确控制的热处理和淬火获得硬度。

通过淬火硬化工具钢

淬火是通过改变钢的微观结构来硬化钢的过程。

首先加热钢。根据混合中的碳量，钢合金被加热到不同的温度。铁和碳通过不同的“相”，其中分子具有不同的形状，而这些相取决于整体化学性质。

一旦达到并保持适当的热量，合金就会通过暴露在更冷的气体或液体中而被淬火或冷却。这种淬火使金属迅速冻结。当金属像这样受到冲击冻结时，许多微小的金属晶粒都立即开始冻结，每个晶粒之间以及它们之间都有很大的位移。将此与非常缓慢的冷却进行比较，其中谷物在较大的圆形花朵中随着时间的推移缓慢冷却。当金属受到撞击时，缓慢冷却的金属颗粒可以相互移动，使金属凹陷但不会破坏它。冲击冷冻使分子结构在受到撞击时移动的空间更小，使其更硬，更不容易凹陷。这些结构中的金属晶格称为马氏体，正是马氏体的冲击、锯齿状分子结构赋予了淬火金属特有的硬度。

水淬是最快的淬火方式，空气淬火是最慢的淬火方式。合金可以处理什么取决于它的化学性质。如果冷却过快，某些合金可能会破裂或变形，但在较温和的空气淬火中会硬化得很好。其他人不会形成坚硬的马氏体层，除非他们受到像水中那样大的温度变化的冲击。

类。四种最常见的是水硬化、冷作、热作和高速工具钢。特殊应用还使用抗震和特殊用途的工具钢。

水硬化

这组工具钢基本上是经过热处理的碳钢。它们含有 0.5-1.5% 的碳。其他合金元素可能因其不同的品质而存在，但通常低于 0.5%。这些金属，如镍、钨或钼，价格昂贵。使用较少的昂贵金属可为轻型应用提供价值。

这组钢需要水淬的极端冲击才能获得坚硬的外层。轻型工具、弹簧等小零件和小紧固件可能是最终产品。它们不得用于极端环境，因为 W 系列钢比其他工具钢更脆。W 系列钢更容易开裂，只能承受 302°F (150°C) 的连续温度。

冷作工具钢

冷作工具钢旨在用于“冷”温度——它们坚硬、坚韧且耐磨，但不适用于高温环境。由于切割冷加工材料比切割热加工材料需要更大的力，因此冷作工具钢必须具备抗压强度。

在这种情况下，寒冷并不意味着金属工人该穿上毛衣了。392°F (200°C) 及以下被认为是这些工具的冷工作环境。与许多类型的钢不同，石墨通常在冷作钢中形成。这种石墨使许多这些合金可加工：石墨提供润滑。

冷作工具钢的子类别是：

油淬（O 系列）：在生产过程中，这些合金在油中淬火。它们含有 0.85-2.00% 的碳，并且彼此的合金元素通常低于 1%。这些元素可包括锰、硅、钨、铬、钒和钼。 空气硬化（A 系列）：在生产过程中，这些合金在空气中淬火。它们含有 0.05-2.85% 的碳。这些钢可含有高达 5% 的铬。高铬意味着在热处理过程中 A 系列不会发生尺寸变形。铬产生更紧密的公差。 高碳铬（D 系列）：这些冷作钢的工作温度高达 797°F（425°C）。它们含有 1.4-2.5% 的碳和 11-13% 的铬。它们可以进行空气或油淬火，具体取决于合金，并且在任何一种冷却方法中都几乎没有变形。这些合金通常具有非常高的耐磨性。

素，以产生更多的碳化物并承受更高的工作温度。热作工具钢可在高达 1004°F (540°C) 的温度下工作。作为一个群体，大多数都具有低碳百分比，低于 0.6%。

热作工具钢常用于具有延展性的热材料（如金属和玻璃）的高温制造。模具、印章、挤压机和压缩机都可以用热作钢制成。即使在长时间受热的情况下，该工具也必须继续发挥作用。

根据主要合金元素，热作工具钢可分为三种主要类型：铬、钨或钼。一些含有高含量的铬和钨，因此根据制造商的不同被分类为钨或铬。主要的合金元素在钢中产生碳化物的类型，每种碳化物都有不同的优势。

热作工具钢的子类别是：

铬：铬热作工具钢含有 3-5% 的铬。钨、钒或钼等其他合金元素的含量低于 5%。钒一般用于刀具用钢。这组合金（特别是 AISI H13）是最常用的热作工具。 钨：这些合金通常不含任何钼或钒。相反，它们含有 9–18% 的钨。大多数钨热作工具钢的铬含量在 2-4% 之间。这并非普遍适用：例如，合金 AISI H23 含有 12% 的铬和 12% 的钨。H23 有时称为铬钢，有时称为钨钢，有时两者兼有。钨钢具有优异的耐热性，但易碎；这是通过在使用前预热到工作温度来管理的。 钼：许多铬热作工具钢中含有少量钼。用于非常恶劣环境的优质热作钢有很多。钼在严酷的热加工应用中具有更高的热稳定性和耐磨性。钼合金 AISI H42 和 H43 通常用作金属轧机中的模具或刀具，以处理切削和锻造的热量和力。

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