工具鋼（Tool Steel）是一種專為制造切削工具、模具、量具及耐磨零件設計的高碳高合金鋼材，具有高硬度、耐磨性、紅硬性和適當的韌性。根據化學成分和用途，工具鋼可分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼三大類，廣泛應用于機械加工、模具制造、汽車工業、航空航天等領域。
一、分類與特性
碳素工具鋼
成分：含碳量0.65%～1.35%，無或少量合金元素。
特性：成本低、加工性好，但紅硬性差（高溫下硬度下降快），適用于中低速切削工具（如鉆頭、鋸條）。
典型牌號：T8（共析鋼）、T10（過共析鋼）。
合金工具鋼
成分：含Cr、Mn、Si、Mo等合金元素（總含量5%～10%）。
特性：通過合金元素提高耐磨性、淬透性和熱穩定性，適用于復雜模具和高負荷工具。
典型牌號：Cr12（冷沖模具鋼）、9SiCr（量具鋼）。
高速工具鋼
粉末冶金高速鋼：通過機械合金化（MA）和放電等離子燒結（SPS）制備，晶粒細小、碳化物均勻分布，性能優于傳統鋼種。
二次硬化工藝：高溫回火析出細小碳化物，硬度可達64HRC以上（如HSP41鋼）。
成分：高碳（0.7%～1.6%）+高合金（W、Mo、Cr、V、Co等），如W18Cr4V。
特性：紅硬性優異（600℃仍保持高硬度），耐磨性極強，適用于高速切削刀具和高溫模具。
技術趨勢：
二、關鍵性能與工藝
高硬度與耐磨性
依賴碳化物（如Cr7C3、VC）的析出，高速鋼中合金元素（W、Mo、V）形成穩定碳化物，顯著提升耐磨性。
紅硬性
高溫下仍保持高硬度的關鍵在于合金元素的固溶強化和碳化物析出。例如，鈷（Co）提高淬火溫度，促進碳化物均勻分布。
熱處理工藝
一次硬化法：低溫淬火+低溫回火，適用于復雜模具（如Cr12鋼），變形小、韌性好。
二次硬化法：高溫淬火+多次回火，適用于高紅硬性工具（如高速鋼），硬度可提升至62HRC以上。
表面處理：氮化、滲碳等工藝進一步提升表面硬度和抗磨損性。
三、應用領域
模具制造
冷作模具：如沖壓模、冷擠壓模（常用Cr12、SKD11）。
熱作模具：如壓鑄模、鍛模（常用H13、42CrMo）。
切削工具
刀具：車刀、銑刀（高速鋼為主，如W18Cr4V）。
硬質合金替代：在沖擊負荷大的場景，高耐磨高速鋼可部分替代硬質合金。
其他領域
量具：游標卡尺、千分尺（如9SiCr）。
特殊工具：航空航天用難加工材料切削工具（如含鈷高速鋼）。
四、行業現狀與挑戰
全球地位
中國是全球最大工具鋼生產國和出口國，高速鋼產量占全球60%以上，但高端產品（如粉末冶金高速鋼）占比不足5%，依賴進口。
技術瓶頸
碳化物偏析：傳統冶煉工藝易導致碳化物分布不均，影響性能穩定性。
綠色制造：雙碳政策推動節能降耗，需優化冶煉流程（如電渣重熔、真空脫氣）。
發展趨勢
高性能化：開發超硬型高速鋼（硬度≥70HRC）和耐高溫合金鋼。
智能化：通過AI優化熱處理參數，提升材料利用率。
五、標準與牌號
| 類別 | 國際標準 | 典型牌號 | 應用場景 |
|---|---|---|---|
| 碳素工具鋼 | GB/T 1299 | T8、T10 | 簡單模具、手工工具 |
| 合金工具鋼 | ASTM A681 | Cr12、SKD11 | 冷沖模、塑料模 |
| 高速工具鋼 | ISO 683-1 | W18Cr4V、HSP41 | 刀具、高溫模具 |
總結
工具鋼是制造業的基石，其性能與工藝直接決定高端裝備的競爭力。未來，隨著粉末冶金、二次硬化等技術的突破，以及綠色制造的推進，工具鋼將向更高性能、更環保的方向發展，支撐汽車、航空航天、新能源等產業升級。