工具鋼是異常堅(jiān)硬、堅(jiān)韌或耐磨的合金。它們的特性來自它們的化學(xué)性質(zhì)和它們的生產(chǎn)。正如它們的名字所暗示的那樣，這些鋼可以用于切割、研磨、鉆孔、沖壓、敲擊或其他艱巨的工作。工具鋼必須具有適合其應(yīng)用的材料特性。例如，鉆頭和沖頭都需要硬度和耐磨性。然而，沖頭承受更大的沖擊，而鉆頭承受更大的剪切。工程師和冶金學(xué)家根據(jù)工具的用途選擇工具鋼的類型。

工具鋼都含有產(chǎn)生碳化物的合金元素，這是一種包含金屬和碳的密集金屬晶格。碳化物是一種耐火材料，這意味著它們在壓力、化學(xué)物質(zhì)或熱量下不會分解。

然而，制造工具鋼的不僅僅是化學(xué)。工具鋼還通過精確控制的熱處理和淬火獲得硬度。

通過淬火硬化工具鋼

淬火是通過改變鋼的微觀結(jié)構(gòu)來硬化鋼的過程。

首先加熱鋼。根據(jù)混合中的碳量，鋼合金被加熱到不同的溫度。鐵和碳通過不同的“相”，其中分子具有不同的形狀，而這些相取決于整體化學(xué)性質(zhì)。

一旦達(dá)到并保持適當(dāng)?shù)臒崃浚辖鹁蜁ㄟ^暴露在更冷的氣體或液體中而被淬火或冷卻。這種淬火使金屬迅速凍結(jié)。當(dāng)金屬像這樣受到?jīng)_擊凍結(jié)時，許多微小的金屬晶粒都立即開始凍結(jié)，每個晶粒之間以及它們之間都有很大的位移。將此與非常緩慢的冷卻進(jìn)行比較，其中谷物在較大的圓形花朵中隨著時間的推移緩慢冷卻。當(dāng)金屬受到撞擊時，緩慢冷卻的金屬顆?？梢韵嗷ヒ苿?，使金屬凹陷但不會破壞它。沖擊冷凍使分子結(jié)構(gòu)在受到撞擊時移動的空間更小，使其更硬，更不容易凹陷。這些結(jié)構(gòu)中的金屬晶格稱為馬氏體，正是馬氏體的沖擊、鋸齒狀分子結(jié)構(gòu)賦予了淬火金屬特有的硬度。

水淬是最快的淬火方式，空氣淬火是最慢的淬火方式。合金可以處理什么取決于它的化學(xué)性質(zhì)。如果冷卻過快，某些合金可能會破裂或變形，但在較溫和的空氣淬火中會硬化得很好。其他人不會形成堅(jiān)硬的馬氏體層，除非他們受到像水中那樣大的溫度變化的沖擊。

類。四種最常見的是水硬化、冷作、熱作和高速工具鋼。特殊應(yīng)用還使用抗震和特殊用途的工具鋼。

水硬化

這組工具鋼基本上是經(jīng)過熱處理的碳鋼。它們含有 0.5-1.5% 的碳。其他合金元素可能因其不同的品質(zhì)而存在，但通常低于 0.5%。這些金屬，如鎳、鎢或鉬，價格昂貴。使用較少的昂貴金屬可為輕型應(yīng)用提供價值。

這組鋼需要水淬的極端沖擊才能獲得堅(jiān)硬的外層。輕型工具、彈簧等小零件和小緊固件可能是最終產(chǎn)品。它們不得用于極端環(huán)境，因?yàn)?W 系列鋼比其他工具鋼更脆。W 系列鋼更容易開裂，只能承受 302°F (150°C) 的連續(xù)溫度。

冷作工具鋼

冷作工具鋼旨在用于“冷”溫度——它們堅(jiān)硬、堅(jiān)韌且耐磨，但不適用于高溫環(huán)境。由于切割冷加工材料比切割熱加工材料需要更大的力，因此冷作工具鋼必須具備抗壓強(qiáng)度。

在這種情況下，寒冷并不意味著金屬工人該穿上毛衣了。392°F (200°C) 及以下被認(rèn)為是這些工具的冷工作環(huán)境。與許多類型的鋼不同，石墨通常在冷作鋼中形成。這種石墨使許多這些合金可加工：石墨提供潤滑。

冷作工具鋼的子類別是：

油淬（O 系列）：在生產(chǎn)過程中，這些合金在油中淬火。它們含有 0.85-2.00% 的碳，并且彼此的合金元素通常低于 1%。這些元素可包括錳、硅、鎢、鉻、釩和鉬。 空氣硬化（A 系列）：在生產(chǎn)過程中，這些合金在空氣中淬火。它們含有 0.05-2.85% 的碳。這些鋼可含有高達(dá) 5% 的鉻。高鉻意味著在熱處理過程中 A 系列不會發(fā)生尺寸變形。鉻產(chǎn)生更緊密的公差。 高碳鉻（D 系列）：這些冷作鋼的工作溫度高達(dá) 797°F（425°C）。它們含有 1.4-2.5% 的碳和 11-13% 的鉻。它們可以進(jìn)行空氣或油淬火，具體取決于合金，并且在任何一種冷卻方法中都幾乎沒有變形。這些合金通常具有非常高的耐磨性。

素，以產(chǎn)生更多的碳化物并承受更高的工作溫度。熱作工具鋼可在高達(dá) 1004°F (540°C) 的溫度下工作。作為一個群體，大多數(shù)都具有低碳百分比，低于 0.6%。

熱作工具鋼常用于具有延展性的熱材料（如金屬和玻璃）的高溫制造。模具、印章、擠壓機(jī)和壓縮機(jī)都可以用熱作鋼制成。即使在長時間受熱的情況下，該工具也必須繼續(xù)發(fā)揮作用。

根據(jù)主要合金元素，熱作工具鋼可分為三種主要類型：鉻、鎢或鉬。一些含有高含量的鉻和鎢，因此根據(jù)制造商的不同被分類為鎢或鉻。主要的合金元素在鋼中產(chǎn)生碳化物的類型，每種碳化物都有不同的優(yōu)勢。

熱作工具鋼的子類別是：

鉻：鉻熱作工具鋼含有 3-5% 的鉻。鎢、釩或鉬等其他合金元素的含量低于 5%。釩一般用于刀具用鋼。這組合金（特別是 AISI H13）是最常用的熱作工具。 鎢：這些合金通常不含任何鉬或釩。相反，它們含有 9–18% 的鎢。大多數(shù)鎢熱作工具鋼的鉻含量在 2-4% 之間。這并非普遍適用：例如，合金 AISI H23 含有 12% 的鉻和 12% 的鎢。H23 有時稱為鉻鋼，有時稱為鎢鋼，有時兩者兼有。鎢鋼具有優(yōu)異的耐熱性，但易碎；這是通過在使用前預(yù)熱到工作溫度來管理的。 鉬：許多鉻熱作工具鋼中含有少量鉬。用于非常惡劣環(huán)境的優(yōu)質(zhì)熱作鋼有很多。鉬在嚴(yán)酷的熱加工應(yīng)用中具有更高的熱穩(wěn)定性和耐磨性。鉬合金 AISI H42 和 H43 通常用作金屬軋機(jī)中的模具或刀具，以處理切削和鍛造的熱量和力。

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