碳素工具钢容易加工，价格便宜。但其热硬性差（温度高于200℃时，硬度、耐磨性会显著降低），淬透性低，且容易变形和开裂。因此，尺寸大、精度高，形状复杂及工作温度较高的工具、模具都采用合金工具钢制造。
合金工具钢按主要用途分为刃具钢、量具钢和模具钢三大类。但是，各类钢的实际使用界限并非绝对，可以交叉使用，如某些低合金刃具钢也可用于制造冷冲模或量具。
4.3.1 合金量具、刃具钢
合金刃具钢主要用来制造刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥等。对刃具钢的性能要求是：高的硬度和耐磨性，高的热硬性，足够的强度、塑性和韧度。
1.合金量具、刃具钢
合金量具、刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。其w（C）=0.75％～1.5％，以保证钢的淬硬性和形成合金碳化物的需要。加入的合金元素主要有硅、锰、铬、钨、钒等。其中硅、锰、铬的主要作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度；钨和钒形成碳化物，细化晶粒并提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。因此，合金工具钢的淬透性比碳素工具钢好，淬火冷却可在油中进行，使变形和开裂倾向减小。但由于合金元素的加入量不大，故钢的热硬性仍不太高，一般工作温度不得高于300℃。9Si Cr是最常用的合金刃具钢，被广泛用来制造各种薄刃工具，如板牙、丝锥、铰刀等。
合金量具、刃具钢的热处理与碳素工具钢基本相同。刃具毛坯锻造后的预先热处理采用球化退火，切削加工后的最终热处理采用淬火和低温回火。最终热处理后的组织为细回火马氏体、粒状合金碳化物及少量的残余奥氏体，一般硬度可达60HRC～65HRC。
常用合金量具刃具钢的牌号、主要成分、热处理、硬度及用途见表4－6。
表4－6 常用合金量具刃具钢的牌号、主要成分、热处理、硬度及用途
2.高速钢
用高速钢制作的刃具在使用时，能以比低合金刃具钢刀具更高的切削速度进行切削，因而，被称为高速钢。它的特点是热硬性高达600℃，切削时能长时间保持刃口锋利，故又称为“锋钢”，并且还具有高的强度、硬度和淬透性。淬火时，在空气中冷却即可得马氏体组织，因此，又俗称为“风钢”、“白钢”。
（1）高速钢的成分特点。高速钢的含碳量较高，w（C）在0.75％～1.60％的范围内，并含有大量的碳化物形成元素钨、钼、铬、钒等。高的含碳量是为了在淬火后获得高碳马氏体，并保证形成足够的碳化物，从而保证其高硬度、高的耐磨性和良好的热硬性。
钨和钼的作用相似（质量分数为1％的钼相当于质量分数为2％的钨），都能提高钢的热硬性。含有大量钨或钼的马氏体具有很高的回火稳定性，在500℃～600℃的回火温度下，因析出微细的特殊碳化物（W2C、Mo2C）而产生二次硬化，使钢具有高的热硬性，同时还提高钢的耐磨性。
铬在高速钢淬火加热时，几乎全部溶入奥氏体中，增加了奥氏体的稳定性，从而显著提高钢的淬透性和回火稳定性。
钒是强碳化物形成元素，其碳化物VC非常稳定，极难溶解，硬度极大（可达83HRC～85 HRC），从而提高钢的硬度和耐磨性。未溶的VC能显著阻碍奥氏体长大。
（2）常用的高速钢。常用的高速钢的种类很多，应用最多的有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V三种。W18Cr4V是我国发展最早的高速钢，其特点是热硬性较高，过热敏感性较小，加工性好。W6Mo5Cr4V2钢是用钼代替一部分钨而发展起来的，其特点是具有良好的热塑性，碳化物分布较均匀，耐磨性和韧度也较好，正在逐步取代W18Cr4V钢。
W9Mo3Cr4V钢是近几年发展起来的通用型高速钢，具有上述两种钢的共同优点，比W18Cr4V钢的热塑性好，比W6Mo5Cr4V2钢的脱碳倾向小，硬度高，因此，得到了愈来愈广泛的应用。常用高速钢的牌号、热处理、硬度及用途见表4－7。
表4－7 常用高速钢的牌号、热处理、硬度及用途
续表
4.3.2 合金模具钢
根据工作条件的不同，模具钢可分为冷作模具钢和热作模具钢。
1.冷作模具钢
冷作模具钢用于制造使金属在冷态下产生变形的模具，如冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模等。这些模具在工作中要承受很大的压力、弯曲力、冲击力和强烈的摩擦。因此，冷作模具钢的性能要求与刃具钢相似，要求具有高的硬度（58HRC～62HRC）和耐磨性，足够的强度和韧度，同时，要求热处理变形小。
冷作模具钢的化学成分、热处理特点也基本上与刃具钢相似。其热处理一般也是球化退火、淬火和低温回火。
Cr12型钢常用来制造大型模具，是最常用的冷作模具钢，牌号有Cr12和Cr12MoV等。这类钢的成分特点是高碳高铬（w（C）=1.45％～2.3％、w（Cr）=11％～13％），具有高硬度、高强度和极高的耐磨性，并具有极好的淬透性（油淬直径达200mm），淬火变形小。但淬火后残余奥氏体量较多。
Cr12型钢属于莱氏体钢，网状共晶碳化物的不均匀分布将使模具变脆。因此，要通过反复锻造来消除碳化物的不均匀性。锻造后应缓冷，然后进行预先热处理——球化退火，以消除锻造内应力、降低硬度，为后续工序做准备。
Cr12型钢的最终热处理有两种方法。一种是低温淬火和低温回火法（一次硬化法），这种方法可使模具获得高硬度和高耐磨性，淬火变形小，一般承受较大载荷和形状复杂的模具采用此法处理；另一种热处理方法是高温淬火和高温（510℃～520℃）多次回火法（二次硬化法），这种方法能使模具获得高的热硬性和耐磨性，但韧度较差，一般承受强烈摩擦，在400℃～450℃条件下工作的模具适用此法。Cr12型钢经淬火及回火后的组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体。
常用Cr12型钢的牌号、热处理、性能及用途见表4－8。
表4－8 Cr12型钢的牌号、热处理、性能及用途
2.热作模具钢
热作模具钢用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。这类模具在工作中除承受较大的冲击载荷、很大的压力、弯曲力外，还受到炽热金属在模腔中流动所产生的强烈摩擦力，同时还受到反复的加热和冷却。因此，要求热作模具钢应具有高的热硬性和高温耐磨性，良好的综合力学性能，高的热疲劳强度和较好的抗氧化能力，同时，还要求具有高的淬透性、导热性。
为了达到上述要求，热作模具钢一般是中碳合金钢，其w（C）=0.3％～0.6％，以保证钢具有高强度、高韧度、较高的硬度（35HRC～52HRC）和较高的热疲劳强度。加入的合金元素有锰、铬、镍、钨、钼、钒等，主要是提高钢的淬透性、回火稳定性和热硬性，细化晶粒，同时还提高钢的强度和热疲劳强度。
热作模具钢的最终热处理与模具钢的种类和使用条件有关。热锻模具钢的最终热处理与调质钢相似，淬火后高温（550℃左右）回火，以获得回火索氏体和回火托氏体组织。热压模具钢的热处理是淬火后在略高于二次硬化峰值的温度（600℃左右）回火2～3次，获得的组织为回火马氏体和粒状碳化物，以保证模具的热硬性。
目前，制作热锻模的典型钢种有5CrMnMo和5CrNiMo钢；制作热压模的常用钢为3Cr2W8V钢。
常用热作模具钢的牌号、热处理、性能及用途见表4－9。
表4－9 常用热作模具钢的牌号、热处理、性能及用途
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