工具钢: 成绩的最终指南, 用途, 和性能

工具钢是现代制造中的重要材料, 在生产必须忍受恶劣条件并提供高精度的工具中发挥关键作用.

是否在汽车中, 航天, 电子产品, 或消费品行业,

工具钢的出色硬度, 戴阻力, 力量使其对于高性能应用必不可少.

本文深入探讨了不同等级的工具钢, 它们的独特属性, 以及它们被应用的地方, 帮助您浏览为您需要选择合适的钢的复杂性.

1. 什么是工具钢?

工具钢 指的是一组高碳钢，专门设计用于承受与工具制造应用相关的压力和磨损.

这些钢设计在极端条件下执行, 例如高温,

巨大的压力, 和磨损, 使其对制作切割工具至关重要, 模具, 死亡, 和其他工业工具.

工具钢具有独特的特性，可以将它们与其他类型的钢有所区别,

例如出色的硬度, 戴阻力, 韧性, 以及在高温下保持强度的能力.

2. 工具钢的类型

工具钢经过设计以满足整个行业的特定需求. 让我们探索关键类型:

水硬质工具钢 (W型)

• 特性: 高碳含量 (通常为0.90–1.40％), 通过在水中淬火使它们易于硬化.

  

• 应用领域: 基本工具，例如演习, 打孔, 和铰刀.

• • W1钢: 含有1.00–1.10％的碳, 提供高硬度，但韧性较低.
  • W2钢: 碳略高 (1.10–1.40％), 以韧性为代价进一步增强硬度.

冷工作工具钢

冷工作工具钢设计用于在相对较低的温度下执行的工具. 这些钢提供了极好的硬度和耐磨性, 切割和塑造工具必不可少的.

• D型 (高碳高铬)

• • 特征: 以出色的耐磨性而闻名, 通常包含11–13％的铬.
  • 应用领域: 死亡, 成型, 和涂料, 以及剪切刀片和拳.
  • 著名的合金: D2钢 (12% 铬) 实现了罗克韦尔的硬度 57-62.

• O型 (石油硬化)

• • 特征: 这些钢在油中变硬, 在耐磨性和韧性之间提供平衡.
  • 应用领域: 切割工具, 冲压死亡, 和成立工具.
  • 著名的合金: O1钢 (0.90% 碳) 提供硬度 60-64 石油淬火后HRC.

• A型 (空气固定)

• • 特征: 在空中变硬, 提供良好的韧性和尺寸稳定性.
  • 应用领域: 用于仪表, 空白的死亡, 和成立工具.
  • 著名的合金: A2钢 (5% 铬) 提供高维稳定性，硬度 55-59 HRC.

防震工具钢 (S型)

S型工具钢经过设计以承受突然的影响或冲击负荷, 使它们非常适合忍受重型冷工作的工具.

• 特性: 出色的韧性, 允许钢吸收高冲击而不会破裂.
• 应用领域: 凿子, 打孔, 铆钉集, 和重型工具.
• 著名的合金: S7钢 由于其能够抵抗撞击下的破裂的能力而脱颖而出, 拥有韧性等级 25-30 ft-lbs.

热工作工具钢

这些钢被配制为在高温下保留硬度和韧性.

• 特性: 他们即使在高达1200°F的温度下也保持机械性能 (650°C).
• 应用领域: 铸造, 锻造死亡, 和塑料模具.
• 著名的合金: H13钢 (5% 铬, 1.5% 钼) 在耐热性方面表现出色, 保留 90% 其在高达1100°F的温度下的硬度.

高速钢 (HSS)

高速钢设计用于需要以高切割速度运行的工具.

• M型 (钼高速钢): 这些钢允许高速切割而不会严重损失.
  M2钢 (6% 钨, 5% 钼) 是一个很好的例子, 提供多功能性和高硬度 (60-65 HRC).
• T型 (钨高速钢): 高度耐热和磨损, 用于重型切割应用.
  T1钢 (18% 钨) 保持过度 70 HRC在苛刻的条件下.

3. 工具钢的关键特性

以下, 我们深入研究工具钢的关键特性，使其在广泛的行业中必不可少.

硬度

工具钢的最关键特性之一是硬度. 硬度是指该材料对表面压痕和磨损的抵抗力.

工具钢的专门设计用于维护锋利的尖端或表单工具，能够耐用耐用的磨损.

• 高硬度切割和塑造: 工具钢喜欢 D2钢 可以达到硬度范围 57-62 HRC (罗克韦尔c), 确保它们即使在艰难的条件下也保持清晰度.
• 通过热处理实现: 硬度是通过在特定介质中淬钢来实现的 (水, 油, 或空气), 然后进行回火以降低脆性，同时保持高硬度.

为什么重要: 硬度可确保工具在使用过程中可以保持其形状和清晰度,

减少替换频率并提高操作效率，例如切割, 冲压, 和成型.

韧性

韧性是指工具钢吸收撞击而无需破裂的能力.

对于体验突然冲击负荷的工具，这一点尤其重要, 喜欢打孔, 凿子, 和重型工具设备.

• 平衡硬度与韧性: 仅硬度是不够的; 坚硬的工具钢将在高影响力的压力下抵抗破裂.
  S7钢, 例如, 具有出色的韧性, 使其抵抗震惊并能够承受重型任务而不会破裂.
• 韧性与. 脆性: 当遭受突然冲击或高冲击力时，更脆的钢可能会断裂,
  这就是为什么选择平衡的合金喜欢 A2钢 (具有良好的韧性和硬度) 对于面对各种压力的工具通常是必不可少的.

为什么重要: 韧性可确保持续的工具的寿命或频繁影响或粗糙处理.

在建筑或采矿等行业中使用的工具需要忍受高冲击载荷而无需破裂.

戴阻力

耐磨性是工具钢抵抗由摩擦和机械磨损引起的降解的能力.

该属性对于使用硬材料或经历大量磨损的工具至关重要, 就像切割工具一样, 死亡, 和模具.

• 碳化物形成: 钒等合金元素, 铬, 钨有助于钢中硬碳化物的形成, 显着提高耐磨性.
  例如, D2钢 (铬含量高) 提供出色的耐磨性, 使其非常适合死去和切割工具.
• 最小化工具磨损: 一种工具越耐磨损, 它可以运行的时间越长，而无需维护或更换, 随着时间的推移提供大量成本节省.

为什么重要: 耐磨性可确保工具在广泛使用期间保持其有效性和形状, 提高整体效率并降低工具维护的停机时间.

耐热性

耐热性对于在高温环境中使用的工具钢至关重要, 工具即使暴露于极高的地方也必须保持其力量和硬度.

这对于用于模具铸造的热工作工具尤其重要, 锻造, 和其他高热应用.

• 保持温度升高的硬度: 工具钢喜欢 H13 经过设计以保留其机械性能, 例如硬度和力量, 即使在高达1200°F的温度下 (650°C).
• 热稳定性: 耐热工具钢可以承受热循环 (重复加热和冷却) 没有重大的结构变化, 可能导致失败.

为什么重要: 耐热性使工具钢可以在其他材料失去强度或降解的环境中起作用, 例如金属锻造和热形成.

可加工性

虽然工具钢通常是在极端条件下为高性能设计的, 有些成绩具有卓越的可加工性,

这对于在热处理前创建复杂形状和组件至关重要.

• 易于塑形: 合金喜欢 O1钢 (石油硬化钢) 以其可加工性而闻名, 在制造过程中允许更轻松的切割和塑造.
• 对工具和成本的影响: 具有更好可加工性的工具钢使制造商可以快速实现精确的设计, 降低加工成本和交货时间.

为什么重要: 可加工性实现有效的制造过程, 减少创建具有复杂设计或规格的工具或组件所涉及的时间和成本.

维稳定性

尺寸稳定性是指钢在热量和压力下保持其形状和尺寸的能力, 这对于精确工具和组件至关重要.

• 最小化翘曲: 工具钢喜欢 A2 (空防气钢) 以其优越的维度稳定性而闻名.
  这在需要保持紧张的公差的工具和模具中尤其有价值.
• 热膨胀控制: 高维稳定性的钢抵抗温度波动引起的膨胀或收缩, 确保一致的工具性能.

为什么重要: 尺寸稳定性确保工具和组件保留其确切的大小和形状,
导致高精度和最终产品缺陷较少, 特别是在模具和仪表的制造中.

耐腐蚀性

虽然不是所有工具钢的主要特征, 在工具暴露于水分的特定应用中，耐腐蚀性至关重要, 化学物质, 或其他腐蚀性环境.

• 铬添加: 高合金钢喜欢 D2钢 (12% 铬) 特别耐腐蚀,
  这就是为什么它们在工具暴露于湿度或腐蚀性物质的环境中使用.
• 保护性表面涂料: 在某些情况下, 工具钢被涂层或用抗腐蚀饰面处理，以进一步增强其对生锈和降解的抵抗力.

为什么重要: 耐腐蚀性可确保工具可以在湿度高或暴露于化学物质的环境中可靠运行, 延长工具的寿命并降低维护成本.

4. 钢铁的热处理

热处理是增强工具钢的性能和特性的关键过程.

通过控制温度, 时间, 和冷却方法, 热处理改变了钢的微观结构, 提供所需的硬度组合, 韧性, 并戴阻力.

本节探讨了用于优化工具钢性能的热处理的不同阶段和技术.

工具钢的热处理基础

热处理涉及一系列受控的加热和冷却步骤，以改变刀具钢的物理和有时化学特性. 主要阶段通常包括:

• 奥斯丁化: 将钢加热到高温的过程, 它的微观结构变为奥氏体 (铁中碳固体溶液).
• 淬火: 快速冷却以硬化钢, 通常是通过浸入液体培养基中完成的 (喜欢油, 水, 或空气).
• 回火: 将钢重新加热至较低的温度以降低脆性并将硬度调节到所需的水平.

这些步骤中的每一个对于在最终工具中实现正确的属性平衡至关重要.

关键热处理过程

奥斯丁化

奥斯丁化是工具钢的热处理的第一步, 在此期间将钢加热至高于其临界点的温度

(微结构转化为奥氏体的温度, 通常在800°C和1300°C之间取决于钢等级).

• 客观的: 将碳和其他合金元素溶解到实心溶液中, 创建一个均匀的结构，可以快速冷却以形成马氏体或其他所需阶段.
• 温度控制: 必须仔细控制奥氏体温度.
  温度太高会导致谷物生长并降低强度, 虽然温度太低可能无法溶解足够的碳, 影响最终硬度.

淬火

淬火是钢的快速冷却以使其变硬. 淬灭培养基的选择 - 油, 水, 空气, 或气体 - 依赖于工具钢的特定等级和所需特性.

• 淬灭媒体:

• • 水: 提供最快的冷却速率, 导致高硬度, 但是可以在某些工具钢中引起破裂或失真.
  • 油: 比水慢, 石油降低了破裂的风险, 使其非常适合易于热应力的钢, 例如 D2工具钢.
  • 空气: 空气淬火用于合金 A2钢 (空防气钢), 设计为在空气中而不是液体培养基硬化.

• 客观的: 快速冷却将碳锁定在扭曲的结构中 (马氏体), 导致高硬度.
  然而, 这个过程也增加了内部压力, 可以使钢脆.

回火

淬火后, 工具钢通常很难，但也很脆.
回火是将钢加热到较低温度的过程, 通常在150°C和650°C之间, 降低脆性并调整硬度而不牺牲过多的力量.

• 客观的: 减轻淬火引起的内部压力，并可以控制硬度以改善韧性.
• 对属性的影响: 回火过程允许被困在马氏体结构中的碳沉淀到细碳化物中, 改善韧性，同时降低脆弱性.

• • 高温回火 (超过500°C): 以硬度为代价增加韧性, 它适合必须忍受影响和震惊的工具, 喜欢 S7钢.
  • 低温回火 (300°C以下): 保留硬度，同时提供一些韧性, 需要锋利边缘的工具的理想选择, 例如切割工具.

标准化

标准化是另一个热处理过程，涉及将钢加热到高于其临界点的温度，然后空气冷却.

虽然类似, 标准化通常用于完善钢的晶粒结构.

• 客观的: 优化谷物结构并减轻可能扭曲加工的内部应力. 此过程通常用于以前已锻造或施放的钢.
• 对微结构的影响: 标准化结果更均匀的微观结构, 在进一步的热处理过程中提高钢的整体性能.

退火

退火涉及将钢加热到高温，然后慢慢冷却, 通常在炉子里. 退火的目的是软化钢, 使其更容易机加工或形式.

• 客观的: 减轻内部压力, 增加延展性, 并完善钢的微观结构, 使其更适合进一步的加工或处理.
• 对属性的影响: 退火降低硬度并增加韧性, 使其在初始阶段更容易使用.

特殊热处理技术

低温治疗

低温处理涉及将钢冷却至极低的温度 (通常使用液氮-196°C). 淬灭和回火后，此过程特别有效.

• 客观的: 将保留的奥氏体转化为马氏体并增强细碳化物的形成, 提高耐磨性, 硬度, 和维稳定性.
• 对属性的影响: 低温治疗增强了钢的耐磨性和寿命, 使其非常适合用于高装应用中使用的工具, 例如切割或打磨.

表面硬化 (案例硬化)

表面硬化技术, 例如 化石 和 硝化, 用于使工具钢的表面变硬，同时保持更艰难, 更多的延性核心.

• 化石: 涉及在富含碳环境中加热钢, 允许碳扩散到表面层, 从而增加表面硬度.
• 硝化: 一个类似的过程，将氮引入钢表面以形成硬氮化物, 改善耐磨性和耐腐蚀性而无需淬火.
• 客观的: 为了实现高表面硬度的高表面硬度，这些工具会经历重型磨损，同时保持坚固且延性的内饰.
• 对属性的影响: 这些过程延长了表面受到强烈摩擦或腐蚀但需要坚硬的核心以吸收冲击的应用中的工具寿命.

5. 工具钢中的合金元素

工具钢的性能受到生产过程中添加的合金元素的显着影响.

这些元素是专门选择的，以增强钢的特性，例如硬度, 戴阻力, 韧性, 和耐热性.

碳 (c)

碳是工具钢的主要元素, 它在确定钢的硬度和强度方面起着至关重要的作用. 工具钢中的碳含量通常从 0.5% 到 2.0%.

对属性的影响:

• 硬度: 较高的碳含量会导致硬度增加, 因为它与其他合金元素形成碳化物.
• 戴阻力: 碳通过增加硬度并在钢中形成硬碳化物来增强耐磨性.
• 韧性: 然而, 碳过多会使钢制变脆, 降低其韧性. 对于最佳性能是必要的平衡量.

铬 (Cr)

铬是工具钢中最重要的合金元素之一, 特别是在高速钢和冷工作工具中.

它负责增加硬度, 戴阻力, 和耐腐蚀性.

对属性的影响:

• 坚固性: 铬提高工具钢的坚固性, 这意味着它即使加热和淬火后，它也可以帮助钢保持硬度.
• 戴阻力: 它形成坚固的碳化物结构, 这有助于钢铁的耐磨性.
• 耐腐蚀性: 铬还可以改善耐腐蚀性, 特别是在工具钢中 D2 和 M2, 使其适合在氧化的环境中使用.
• 韧性: 而铬提高了强度, 过多的量可以减少韧性, 特别是在高温下.

钼 (莫)

通常将钼添加到高速钢和其他工具钢中，以增强高温强度和耐磨性.

它还提高了钢铁在升高温度下保持硬度的能力.

对属性的影响:

• 高温强度: 钼增加了钢在高温下的耐药性, 这对于暴露于热量的切割和成型工具至关重要.
• 坚固性: 它增强了工具钢的坚固性, 确保整个钢的均匀硬度.
• 碳化物形成: 钼有助于形成碳化物结构, 提高耐磨性.
• 韧性: 与其他一些合金元素不同, 钼可以在较高温度下增加韧性, 使其适用于用力中使用的工具, 高压力条件.

钨 (w)

钨是高速钢中最重要的合金元素之一. 它有助于钢的能力，即使在极高的温度下也保持硬度.

对属性的影响:

• 耐热性: 钨增加了工具钢的耐热性, 让他们在高温下表现良好而不会失去硬度.
• 硬度: 它形成坚硬的钨碳化物, 这会增加耐磨性并保持工具的最前沿.
• 韧性: 钨提高耐热性, 过多的量可以降低韧性，并使钢更易碎.
• 碳化物形成: 钨与碳形成碳化物, 提高耐磨性, 特别是在涉及高速加工或切割的应用中.

钒 (v)

钒是工具钢中的另一个重要合金元素, 特别是在高速钢中. 它通过完善晶粒尺寸来增强耐磨性并改善微观结构.

对属性的影响:

• 碳化物形成: 钒促进细碳化物的形成, 改善切割工具中的耐磨性和边缘保留率.
• 细化谷物: 钒完善工具钢的谷物结构, 这可以增强韧性并降低骨折的风险.
• 力量和韧性: 它增加了钢的整体强度，同时还保持了韧性的良好平衡.
• 坚固性: 钒可改善可耐用性, 在热处理过程中允许更深的硬度渗透.

镍 (在)

镍被添加到工具钢中以改善其韧性, 特别是在低温下.

它还增强了钢的抵抗力和冲击的抵抗力, 使其成为强硬使用工具的关键要素, 高影响力环境.

对属性的影响:

• 韧性: 镍改善了韧性, 特别是在低温下, 这使其适用于暴露于突然冲击或撞击的工具.
• 耐腐蚀性: 镍还增加了耐腐蚀性, 特别是在用于制造设备的钢中，必须承受水分和其他腐蚀性环境.
• 坚固性: 镍可以增强钢的坚固性, 尽管对可硬度的影响不如铬或钼.

钴 (公司)

钴通常用于高速钢中以提高耐磨性, 硬度, 和耐热性.

它在经受高速切割或重型磨损条件的工具中特别有用.

硅 (和)

硅主要用于改善钢的硬度和力量. 它通常与其他合金元素结合使用，以增强钢的整体性能.

硼 (b)

有时将硼量少量添加到工具钢中以提高可耐用性. 它在需要深耐硬化但成本的钢等级中特别有用.

其他元素

工具钢也可能包含其他少量其他元素 钛 (的), 锰 (Mn),

和 铝 (al) 完善微观结构, 改善耐腐蚀性, 或增强其他专业特性.

这些元素与主要合金元素结合使用，以实现不同工具应用所需的特定特征.

6. 工具钢的应用

工具钢经过设计以满足各种工业应用的苛刻要求,

特别是在制造承受着巨大压力的工具和设备中, 高温, 和磨损.

切割工具

工具钢的最常见应用之一是生产切割工具.

工具钢由于其出色的硬度而广泛用于切割工具的制造, 戴阻力, 和能够承受高温的能力.

应用领域:

• 演习: 钻井工具, 例如扭曲钻, 铰刀, 和胸针, 需要工具钢以保持锋利的边缘并承受穿透韧性材料所带来的磨损.
• 结束磨坊和切刀: 用于加工各种材料, 用高速钢制成的磨机和切割工具
  喜欢 M2 或者 M42 可以在高速和温度下运行而不会失去其切割效率.
• 锯子和刀片: 圆锯刀片, 乐队锯刀片和其他工业切割工具是用工具钢制成的，以使其硬度和耐磨性,
  这对于切割金属至关重要, 木头, 和复合材料.
• 水龙头和死亡: 这些用于线程操作, 和具有出色韧性的工具钢, 喜欢 H13 和 S7, 首选在压力下保持耐用性和精度.

形成工具 (模具和模具)

工具钢广泛用于制造模具和模具的制造, 成型, 或冲压金属零件.

这些工具必须承受高压力, 温度, 和长期生产的磨料磨损.

应用领域:

• 注射模具: 工具钢, 例如 P20 和 H13, 用于注入塑料, 橡皮, 和金属零件.
  他们需要保持尺寸准确性并在重复循环中抗磨损.
• 压铸 死亡: 高性能工具钢 H13 和 A2 用于模具铸件, 熔融金属被迫进入模具.
  这些模具必须承受热循环和高压力条件，而不会破裂或损失形状.
• 冲压死亡: 在钣金盖章中, 工具钢，例如 D2 和 A2 提供必要的耐磨性和韧性，以形成汽车组件等零件, 电子外壳, 还有更多.
• 锻造死亡: 工具钢喜欢 H13 也用于 锻造 在汽车和航空航天组件等热形成零件的制造中死亡.

冷工作工具

冷工作工具用于处理材料在室温或仅略有加热的应用中.

这些工具需要出色的硬度和耐磨性，以应对切割的压力, 剪切, 并塑造冷金属.

应用领域:

• 剪切刀片: 用于金属板和条的切割和剪切, 冷工作工具钢，例如 D2 和 O1 被选择以抵抗边缘磨损的能力.
• 打孔和死亡: 冷工作拳, 用于诸如打孔之类的过程, 空白, 和穿孔, 依靠工具钢 A2 或者 D2 保持锋利的边缘并确保长期的工具寿命.
• 冷冲压工具: 用于生产冷零件的工具, 例如垫圈和螺栓, 通常是由冷工作工具钢制成的，以抵抗磨损并在压力下保持形状.
• 切割和弯曲工具: 用于冷形式操作的各种切割和弯曲工具使用工具钢的耐用性和强度在寒冷下, 高压力条件.

热工作工具

热工作工具用于制造过程中金属加热至高温的应用.

这些工具不仅必须坚硬且耐磨损，而且还必须在高温下保持其力量和韧性.

应用领域:

• 热锻造死亡: 用于诸如锻造钢零件之类的过程,
  热工作工具钢 H13 和 H21 在热金属锻造过程中保持其形状和抵抗热裂口至关重要.
• 挤压死亡: 在铝的挤压中, 钢, 和其他金属, 必须承受高温而无需翘曲或破裂的工具钢.
  H13 通常用于此目的.
• 滚动磨坊: 热工作钢用于制作钢厂和铝制滚动厂的卷.
  这些卷必须忍受高压力和温度，同时为成品提供准确的尺寸.
• 热冲积模具: 用于汽车和航空航天行业的零件生产,
  热压模具需要高韧性的工具钢，在升高温度下耐磨损.

航空航天和汽车应用

工具钢在 航天 和 汽车 行业, 在哪里精确, 可靠性, 高性能是必不可少的.

应用领域:

• 发动机组件: 工具钢用于生产涡轮叶片等发动机组件, 阀座, 和齿轮,
  需要高强度和对高温的耐药性.
• 切割和加工零件: 在汽车和航空航天行业, 高速钢 M2 或者 M42 用于制造可以精确处理硬金属的切割工具.
• 汽车零件的模具: 用于生产塑料和复合汽车零件的注射模具,
  例如仪表板和保险杠, 通常是由工具钢制成的，以确保高维准确性和长期使用.

医疗工具和设备

工具钢越来越多地用于医疗行业, 特别是对于需要高精度的乐器, 力量, 并戴阻力.

应用领域:

• 手术器械: 工具钢喜欢 O1 或者 D2 用于手术叶片的生产, 手术刀, 和镊子.
  这些工具必须保持锋利的边缘，并在使用过程中抵抗腐蚀和磨损.
• 牙科乐器: 牙科演习, 缩放者, 和其他工具是用工具钢制成的，其精度和耐用性.
• 植入物和假肢: 工具钢也用于植入物和假体设备的生产，因为它们的优异强度与重量比和生物相容性.

其他专业应用程序

工具钢还可以在各种专业行业中找到应用, 例如采矿, 活力,

和防御, 它用于制造旨在承受极端条件的设备和工具.

应用领域:

• 采矿工具: 工具钢用于制造采矿设备，例如岩石钻, 压碎机, 和挖掘机. 这些工具必须忍受巨大的磨损和影响力.
• 能源行业工具: 在能源部门, 特别是在油气中提取, 工具钢用于井下工具,
  钻孔, 和其他暴露于高压和温度条件的设备.
• 军事设备: 工具钢用于制造高性能设备, 例如枪支零件, 装甲弹药, 和军事级机械.

7. 结论

由于硬度的特殊组合，工具钢仍然是现代制造的基石, 韧性, 和耐热性.

是否正在使用切割工具, 模具, 或死亡, 选择合适的工具钢级对于优化性能和确保工具的寿命至关重要.

通过了解不同类型的工具钢及其独特属性, 您可以做出明智的决定，以最大化工具操作的效率和耐用性.

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