合金工具钢介绍

合金工具钢介绍

能够使用于制造工具、切削刀具或模具的材料大致包括：高碳工具钢、合金工具钢、高速钢、工具用非铁硬质合金等。除硬质合金之外，其它都是属于钢料，而在一般工具用钢中，以高碳工具钢的合金量少，价钱比较便宜，高合金量的工具钢或高速钢，价钱则较昂贵。

工具钢必须强韧、耐磨耗、且具有常温及高温硬度等特性，以其合金成份和构造用合金钢相较，则除了含碳量增加之外，Cr、Mo、Ni等仍然为基本元素(或是增加其含量)，另外必要时在添加耐高温的W、V及Co等。

工具钢是属于高级钢料，因此必须是由全静钢锭制造，同时要特别要求合金元素在熔炼过程中的均质化，以使后续锻造及热加工能得到良好的质量。由于工具钢多需利用热处理以达到材料的最佳性质，因此尺寸要求精密的机件，必须先实施半加工成形(semifinished)，经热处理，再完成加工(finished)。

1、高碳工具钢

高碳工具钢的成份为含碳量0.6%~1.5%，另外含有0.5%以下的Mn以提高其硬化能力。高碳工具钢价格便宜，其机械性质主要是以含碳量多少来决定，由于一般淬火于水中，因此属于水硬性钢，其缺点则是硬化深度较浅，在高温时强度较差。

由于仅经淬火的麻田散铁组织太脆，耐磨性不佳，为了增加耐磨

性，高碳工具钢在淬火前必须实施球化处理，淬火至室温之后，再加以150℃~200℃的低温回火，其结果可以得到球状雪明碳铁散布于低温回火麻田散铁，硬度够而且耐磨耗的组织。

高碳工具钢使用于刀具、工具或冲模，但因合金工具钢的发展，使用场合已较少。

2、合金工具钢

高碳工具钢由于硬化能较差，因此必须以水淬急冷的方式得到较高的硬度，但因水淬容易变形和产生裂痕，因此高碳工具钢就有其使用上的限制，为了改善其硬化能并增进其硬度，因此加入如W、Cr、V、Mn、Ni等合金元素，而形成合金工具钢。

合金工具钢主要藉热处理所得到的麻田散铁组织保持工具钢必

要的硬度，另外以合金元素与碳结合所形成的碳化物增加耐磨耗性。合金工具钢依其用途可分为下列四类：

1．切削用合金工具钢

为了切削用途，因此这类合金钢通常含碳量较高，并增加W、Cr、V以增大硬度及耐磨耗性，适合作为螺丝攻、车刀、铣刀等用途。2．耐冲击用合金工具钢

此类合金钢为增加冲击韧性，因此含碳量稍低，所以切削性及耐磨耗性也稍差。

3．冷间模具用合金工具钢

此类工具钢由于用于常温(又称为冷间，cold work)，且要求减少尺寸及形状的变化，因此在高碳钢中添加Mn、Cr、Mo、W、V等元素，以改善淬火性，并藉生成之硬质碳化物以增加其耐磨性。4．热间模具用合金工具钢

此类工具钢由于多使用于热加工(热作)模具，因此必须具有高温硬度(红热硬度)，不至因温度升高而变形或软化。此类工具钢含多量Cr、W、Mo、V等元素，可以耐压铸、模锻等压力。

3、高速钢

高速钢(high speed steel)是用于切削工具，在高速切削之红热状态时仍能保持其硬度而称之。除此之外，高速钢机械性质优良，因此也用于模具等耐磨耗机件，如果用于切削刀具，其切削速率可达高碳工具钢的三倍。

高速钢除C外含有大量的合金元素，例如：W、Mo、Cr、V、Co等，其主要功能整理如下：

(1)C可与各元素形成碳化物，增加刀具的切削能力。

(2)W可以形成碳化钨，除增加硬度外，也可以增加回火软化的抵抗性。

(3)Mo的性质与W相似，因此可以替代。

(4)Cr可以改善硬化能，并防止W的碳化物被分解。

(5)V可以使晶粒微细化，增加强度。

(6)Co可以增加C的溶解度，并增加高温硬度。

高速钢通常以主要元素W及Mo区分，含W钨量较多的高速钢称为钨系高速钢(T系高速钢)，含Mo钼量较多的高速钢称为钼系高速钢(M系高速钢)，其中含18%W、4%Cr、1%V为最典型的高速钢，称为18-4-1钢，另外含18%W、4%Cr、2%V则称为18-4-2钢。

高速钢因为所含的合金元素量较多，所以导热度较不良，因此淬火温度需较高，一般约在1200℃~1350℃之间，使合金元素充分固溶于沃斯田铁，淬火之后可以得到洛氏硬度约Rc64以上。

淬火后的高速钢约在400~550℃间实施回火，在回火的过程中，由于合金成份会产生碳化物析出的现象，会使得硬度再次提升，此种特殊的现象称为二次硬化，有时为使钢中残留的沃斯田铁变态完成麻田散铁以增加其硬度，还会实施二次回火或三次回火等。

4、硬质合金或超硬合金

硬质或超硬合金属于非铁合金工具材料，通常不含铁成分或是铁仅占很少比例，有别于一般工具用钢料。这类材料有极高硬度及高温强度，可以切削各种钢料甚至玻璃、陶瓷等。

硬质合金是通常是以铸造或是粉末冶金的方式制造，它具高硬度的原因，是由于大量增加合金中碳化物的量亦或是直接使用碳化物来制成。硬质合金又分为：

(1)工具用铸造合金

这类硬质合金是以铸造方式成形，不经过热处理，就具有常温及高温的极高硬度，并且耐磨耗，有时又称非铁铸造合金刀具或超硬铸

合金刀具。史斗铬钴(stellite)就是其中的代表，它含Co 40％~55﹪、Cr 15﹪~33﹪、W 10﹪~18﹪、C 2﹪~4﹪、Fe 5％以下、Mn 1％，其组织与白铸铁相似，为碳化物分布致密的型态，因此硬度很高，但是此种合金质脆，无法锻造。主要用于凿岩用钻头、切削刀具、热加工用模具等。

(2)烧结硬质合金

碳化钨WC或碳化钛TiC等的粉状碳化物，加入黏结用金属钴Co(或Ni、Mo)，加压并烧结，就可以得到红热硬度很高的合金材料，如果制成切削刀具，可以较一般工具钢的切削速度更高，并具有更长的刀具寿命，烧结后的碳化钨块可以铜焊接着于钢制刀柄，用以切削钢铁、铸件、非铁金属或非金属等材料。常用的烧结硬质合金有WC-Co系和WC-TiC-Co系，除切削工具外，也可以应用于拉线模具或其他耐磨耗场合。