工具钢（Tool Steel）是一种专为制造切削工具、模具、量具及耐磨零件设计的高碳高合金钢材，具有高硬度、耐磨性、红硬性和适当的韧性。根据化学成分和用途，工具钢可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三大类，广泛应用于机械加工、模具制造、汽车工业、航空航天等领域。
一、分类与特性
碳素工具钢
成分：含碳量0.65%～1.35%，无或少量合金元素。
特性：成本低、加工性好，但红硬性差（高温下硬度下降快），适用于中低速切削工具（如钻头、锯条）。
典型牌号：T8（共析钢）、T10（过共析钢）。
合金工具钢
成分：含Cr、Mn、Si、Mo等合金元素（总含量5%～10%）。
特性：通过合金元素提高耐磨性、淬透性和热稳定性，适用于复杂模具和高负荷工具。
典型牌号：Cr12（冷冲模具钢）、9SiCr（量具钢）。
高速工具钢
粉末冶金高速钢：通过机械合金化（MA）和放电等离子烧结（SPS）制备，晶粒细小、碳化物均匀分布，性能优于传统钢种。
二次硬化工艺：高温回火析出细小碳化物，硬度可达64HRC以上（如HSP41钢）。
成分：高碳（0.7%～1.6%）+高合金（W、Mo、Cr、V、Co等），如W18Cr4V。
特性：红硬性优异（600℃仍保持高硬度），耐磨性极强，适用于高速切削刀具和高温模具。
技术趋势：
二、关键性能与工艺
高硬度与耐磨性
依赖碳化物（如Cr7C3、VC）的析出，高速钢中合金元素（W、Mo、V）形成稳定碳化物，显著提升耐磨性。
红硬性
高温下仍保持高硬度的关键在于合金元素的固溶强化和碳化物析出。例如，钴（Co）提高淬火温度，促进碳化物均匀分布。
热处理工艺
一次硬化法：低温淬火+低温回火，适用于复杂模具（如Cr12钢），变形小、韧性好。
二次硬化法：高温淬火+多次回火，适用于高红硬性工具（如高速钢），硬度可提升至62HRC以上。
表面处理：氮化、渗碳等工艺进一步提升表面硬度和抗磨损性。
三、应用领域
模具制造
冷作模具：如冲压模、冷挤压模（常用Cr12、SKD11）。
热作模具：如压铸模、锻模（常用H13、42CrMo）。
切削工具
刀具：车刀、铣刀（高速钢为主，如W18Cr4V）。
硬质合金替代：在冲击负荷大的场景，高耐磨高速钢可部分替代硬质合金。
其他领域
量具：游标卡尺、千分尺（如9SiCr）。
特殊工具：航空航天用难加工材料切削工具（如含钴高速钢）。
四、行业现状与挑战
全球地位
中国是全球最大工具钢生产国和出口国，高速钢产量占全球60%以上，但高端产品（如粉末冶金高速钢）占比不足5%，依赖进口。
技术瓶颈
碳化物偏析：传统冶炼工艺易导致碳化物分布不均，影响性能稳定性。
绿色制造：双碳政策推动节能降耗，需优化冶炼流程（如电渣重熔、真空脱气）。
发展趋势
高性能化：开发超硬型高速钢（硬度≥70HRC）和耐高温合金钢。
智能化：通过AI优化热处理参数，提升材料利用率。
五、标准与牌号
| 碳素工具钢 | GB/T 1299 | T8、T10 | 简单模具、手工工具 |
| 合金工具钢 | ASTM A681 | Cr12、SKD11 | 冷冲模、塑料模 |
| 高速工具钢 | ISO 683-1 | W18Cr4V、HSP41 | 刀具、高温模具 |
总结
工具钢是制造业的基石，其性能与工艺直接决定高端装备的竞争力。未来，随着粉末冶金、二次硬化等技术的突破，以及绿色制造的推进，工具钢将向更高性能、更环保的方向发展，支撑汽车、航空航天、新能源等产业升级。