工具钢: 等级, 属性和应用

工具钢是现代制造业的核心, 需要和要求的精度和耐用性.

这是一种专门的钢，旨在承受制造和工业流程的严格性.

以其出色的硬度而闻名, 戴阻力, 和力量, 工具钢在各个行业至关重要, 从汽车和航空航天到电子和消费品.

本文深入研究工具钢的类型, 特性, 和申请, 为您的需求选择合适的成绩时，提供有关其重要性的见解以及要考虑的因素.

1. 什么是工具钢?

工具钢是碳和合金钢的专业类别, 专为工具制造而设计. 这就是使它独一无二的:

• 碳 是工具钢的骨干, 促进其硬度和力量. 通常, 工具钢包含在 0.7% 到 1.5% 碳.
• 合金元素 像铬一样, 钨, 钼, 添加钒以增强特定特性:

• • 铬 增强性能, 戴阻力, 和耐腐蚀性. 例如, 像D2这样的钢可能包含 12% 铬.
  • 钨和钼 增强韧性和耐热性, 对于高速和热工作应用的关键. M2钢, 普通的高速钢, 有周围 6% 钨.
  • 钒 形成硬碳化物, 提高耐磨性. AISI A11, 例如, 包含 1.5% 钒.

工具钢的历史可以追溯到19世纪后期，当时需要更耐用的工具导致高速钢的发展.

随着时间的推移, 工具钢的演变已经引入了各种等级, 每个针对特定应用程序量身定制的:

• W1, W2 (钢钢): 简单的, 基本工具的低成本选项, 经常包含 0.90-1.40% 碳.
• A2, D2, O1 (冷工作钢): 专为工具不热的应用而设计, A2由于其具有高磨损的阻力 5% 铬含量.
• H13, H19 (热工作钢): 这些可以承受高达1200°F的温度, 含有H13 5% 铬和 1.5% 钼.

2. 工具钢的类型

工具钢是一种多功能的钢类, 通过合金元素和热处理的独特组合，每种类型为满足特定的工业需求而制作的每种类型.

这是对不同类型的详细探索:

比较表: 工具钢类型

类型	关键功能	申请
W型 (水刻)	成本效益, 高硬性	手工工具, 木工工具
冷工作 (o, 一个, d)	高磨损阻力, 维稳定性	冲压死亡, 修剪工具, 刀刀
S型 (抗击)	高韧性, 冲击阻力	凿子, 千斤顶钻头, 打孔
H型 (热工作)	热疲劳阻力, 高力量	模具模具, 热锻造工具
HSS (m, t)	耐热性, 高切割速度	演习, 结束磨坊, 精确切割工具
特殊目的	针对特定任务量身定制	塑料模具, 利基工业工具

3. 工具钢的特性

工具钢的特性使其在制造和工具制造领域必不可少. 这是对关键属性的深入了解:

硬度和韧性:

• • 硬度: 工具钢的硬度是它抵抗凹痕的能力, 刮擦, 或变形. 该特性对于需要保持锋利的尖端或抗磨损的工具至关重要. 例如:

• • • D2钢 可以实现Rockwell C硬度 57-62, 非常适合需要高磨损阻力的应用.

• • 韧性: 虽然硬度是必不可少的, 韧性确保钢可以吸收能量而不会破裂. 硬度和韧性之间的平衡至关重要:

• • • A2钢 提供良好的平衡, 用硬度 55-59 回火后HRC, 但是与D2相比，韧性更高, 使其适用于经历影响负载的工具.

戴阻力:

• • 该属性对于经历磨损的工具至关重要, 就像切割工具一样, 死亡, 和拳.
    硬碳酸盐的存在, 由铬等元素形成, 钒, 和钨, 显着增强耐磨性:

• • • 高速钢 像M2, 和 6% 钨和 5% 钼, 由于热处理期间硬碳化物的形成，即使长时间使用后也可以保持边缘.

耐热性:

• • 用于在高温环境中运行的工具, 耐热性是防止软化或失真的关键:

• • • 热工作工具钢 像H13保持一样 90% 他们的硬度在1100°F, 使它们适合死亡, 锻造, 和工具遇到高温的挤出.

可加工性:

• • 一些工具钢设计为相对轻松地加工, 在整形过程中减少工具磨损:

• • • O1钢 以其良好的可加工性而闻名, 在硬化之前，更容易成形为复杂的形式.

维稳定性:

• • 精密工具需要在压力或温度变化下保持其形状的材料:

• • • A2钢 具有出色的尺寸稳定性, 确保诸如计量仪和测量仪器之类的工具会随着时间的推移保持准确性.

其他属性:

• 耐腐蚀性: 一些工具钢, 特别是那些铬含量较高的人，例如不锈钢钢, 提供对生锈和腐蚀的抵抗力,
  对于在潮湿或腐蚀环境中使用的工具至关重要.
• 导热率: 该特性会影响热量如何通过工具传递, 影响冷却速率和热膨胀:

• • H13钢 电导率相对较高, 这有助于在热工作期间散发热量.

• 疲劳性抗性: 经历环状负荷的工具受益于具有高疲劳性的钢:

• • S7钢 在这方面表现出色, 使其适用于遭受重复影响的工具.

• 弹性模量: 这可以衡量钢的刚度, 指示在负载下它会变形多少:

• • 高速钢 通常具有较高的弹性模量, 允许他们在切割力下保持形状.

平衡属性:

• 权衡: 在这些属性之间实现最佳平衡通常是一个挑战. 例如:

• • 增加硬度通常会降低韧性, 使钢更易碎.
  • 增强耐磨性可能会损害可加工性.

• 热处理: 通过热处理可以显着改变工具钢的特性:

• • 淬火 增加硬度，但如果不响应，则可以使钢易碎.
  • 回火 通过允许一些马氏体转变为更艰难的微观结构，但以某种硬度为代价来降低脆性.

• 合金元素: 添加特定元素，例如铬, 钨, 钼, 和钒量身定制钢的特性:

• • 铬 增强性能, 戴阻力, 和耐腐蚀性.
  • 钒 形成硬碳化物, 提高耐磨性.
  • 钨和钼 增加韧性和耐热性.

摘要表: 工具钢的关键特性

财产	描述	关键等级
硬度	压力下对变形的抗性	D2, O1, H13
韧性	能够承受影响而无需破解的能力	S7, A2
戴阻力	在磨料条件下寿命	D2, M2
耐热性	在高温下保留特性	H13, H21
可加工性	易于切割和塑造	O1, A2
维稳定性	使用或热处理过程中的失真最小	A2, H13
耐腐蚀性	抵抗氧化和生锈	A2, D2
冲击阻力	承受重型机械冲击	S1, S7
导热率	操作过程中有效散热	H系列
疲劳性抗性	在重复应力周期下的性能	O系列, S系列

4. 钢铁的热处理

热处理是工具钢制造的关键过程, 改变钢的微观结构以发展所需的机械性能.

这是对热处理过程的详细观察:

热处理的重要性:

• • 热处理增强了工具钢的硬度, 韧性, 并戴阻力, 调整这些属性以适合特定应用.
    例如, 钻头需要高硬度才能有效切割, 锤子需要韧性来承受影响.

基本的热处理过程:

• • 淬火: 这涉及将钢加热到高于其临界转换点以上的温度, 然后在水（如水）中快速冷却, 油, 或空气.
    快速冷却将碳陷入困境, 脆弱的马氏体结构. 例如, O1钢可能会用油淬灭，以达到硬度 60-64 HRC.
  • 回火: 淬火后, 钢很脆. 回火涉及将钢加热到较低的温度, 通常在300°F至600°F之间, 在维持一些硬度的同时降低脆弱性.
    A2钢在400°F下回火, 例如, 可以产生硬度 55-59 HRC具有改善的韧性.
  • 案例硬化: 这个过程增加了, 耐磨损的外层，同时保持核心坚硬.
    它是通过化学完成的, 硝化, 或cyan, 碳或氮原子扩散到表面层的地方. M2钢可以实现超过的表面硬度 70 通过此方法HRC.
  • 低温治疗: 超越传统热处理, 低温处理涉及将钢冷却至非常低的温度 (通常低于-300°F)
    通过减少保留的奥斯丁岩来进一步增强硬度和耐磨性, 钢的较软阶段.

热处理的影响:

• • 硬度: 热处理大大增加了钢的硬度, 使其能够保持锋利的边缘或抵抗凹痕.
    例如, D2钢可以实现Rockwell C硬度 57-62 适当的热处理后.
  • 韧性: 虽然硬度增加, 如果不正确平衡，韧性可能会受到损害.
    回火至关重要, 因为它通过允许一些马氏体转变为更坚固的微观结构来降低脆性.
  • 戴阻力: 热处理期间硬碳化物的形成, 特别是在高速钢中, 大大提高耐磨性,
    允许工具长时间切割或形成材料.
  • 维稳定性: 适当的热处理可确保工具在压力或温度变化下保持形状,
    这对于仪表和测量仪器等精确工具至关重要.

主要考虑因素:

• 热处理气氛: 热处理期间的气氛会影响钢的特性.
  例如, 富含氮气的大气可以通过硝化增强表面硬度.
• 淬火介质: 淬灭介质的选择会影响冷却速率和, 最后, 钢的最终特性.
  水提供最快的冷却速率, 但是石油或空气可能用于减少变形和破裂.
• 温度控制: 精确控制加热和冷却温度对于实现所需特性至关重要，而无需引入诸如破裂或翘曲之类的缺陷.
• 后加热治疗: 热处理后, 工具经常经历其他过程，例如缓解压力,
  可以减少内部压力, 或表面处理等表面处理，例如涂层或抛光，以进一步提高性能.

5. 工具钢的应用

切割工具

• 演习: 用于在各种材料中创建孔. 高速钢 (HSS) 演习, 例如M2, 通常用于钻孔金属.
• 铰刀: 用于扩大和光滑现有孔. HSS铰刀提供精确且光滑的饰面.
• 看到刀片: 用于切木, 金属, 和其他材料. 冷工作工具钢（如D2）通常用于锯叶片，因为它们的耐磨性很高.

死去

• 冲压: 用于将金属形成特定形状. 冷工作工具钢（如D2和A2）是由于其高硬度和耐磨性而用于盖章模具的理想选择.
• 锻造: 用于通过在高压下压缩金属来塑造金属. H13之类的热工作工具钢由于其出色的耐热性，适合锻造模具.
• 挤压: 用于迫使金属通过模具创建特定的横截面轮廓.
  热工作工具钢由于能够承受高温的能力，通常将其用于挤压模具.

模具

• 注入成型: 用于通过将熔融塑料注入模具来产生塑料零件.
  P20和 718 由于其良好的抛光性和耐腐蚀性，通常用于注射模具.
• 铸造: 用来通过将熔融金属施加到模具中来产生金属零件. H13之类的热工作工具钢非常适合铸造模具，因为它们的高强度和耐热性.

仪表和测量仪器

• 卡尺: 用于测量对象的尺寸. 由于其尺寸稳定性，冷工作工具钢通常用于卡尺.
• 微米: 用于测量精确距离. 高维稳定性的冷工作工具钢非常适合微米.
• 仪表: 用于检查零件的尺寸. 冷工作工具钢（如D2）通常用于仪表，因为它们的耐磨性很高.

采矿和油井工具

• 钻头: 用于在岩石和土壤中钻孔. 高速钢（如M2）通常用于钻头，因为它们能够高速切割.
• 井下工具: 用于油气提取. H13（例如H13）的热工作工具钢由于其出色的耐热性和强度而适用于井下工具.

其他工具

• 刀: 用于切割各种材料. 冷工作工具钢（如D2和A2）通常用于刀具，因为它们的高硬度和耐磨性.
• 剪刀: 用于切纸, 织物, 和其他薄材料. 诸如A2之类的冷工作工具钢非常适合剪刀，因为它们的硬度和韧性平衡.
• 凿子: 用于雕刻和塑造木材和石头. 抗震动的工具钢（例如S7）由于其高韧性和承受撞击的能力而适合凿子.

6. 选择合适的工具钢

要考虑的因素

• 操作类型: 切割, 成型, 或其他特定操作.
• 工作条件: 温度, 压力, 和环境因素.
• 正在处理的材料: 正在处理的材料的特性.
• 费用与. 绩效分析: 平衡工具钢的成本与性能要求.

如何根据特定需求进行选择指南

1. 确定应用程序: 确定工具的特定用途.
2. 评估工作条件: 评估温度, 压力, 和环境因素.
3. 考虑物质特性: 了解正在处理的材料的特性.
4. 评估成本和性能: 比较不同工具钢的成本与其性能优势.
5. 咨询专家: 向冶金学家或工具钢供应商寻求建议，以确保最佳选择.

8. 挑战和考虑因素

成本

• 昂贵的材料: 工具钢可能会很昂贵, 特别是对于高性能等级.
  然而, 最初的投资通常从工具寿命和减少停机时间方面有所收益.
• 经济影响: 考虑在您的应用中使用工具钢的总体成本效益.
  例如, 虽然D2钢可能比W1钢贵, 随着时间的推移，其优越的耐磨性会导致维护成本降低.

维护

• 定期检查: 定期检查工具是否有磨损和损坏的迹象，以防止意外失败.
• 正确存储: 将工具存储在干燥, 控制环境以防止生锈和腐蚀. 正确存储可以延长您的工具的寿命.
• 清洁和润滑: 清洁和润滑工具以保持其性能. 定期维护可以显着改善工具的寿命.

环境影响

• 回收: 考虑回收旧工具钢以减少废物和环境影响. 许多工具钢制造商提供回收计划.
• 处理: 遵循适当的处置指南，以最大程度地减少环境伤害. 正确处置可确保安全处理危险材料.

9. 未来趋势

工具钢冶金的进步

• 新合金: 开发具有增强性能的新合金, 例如改善耐磨性和耐热性.
  例如, 研究人员正在探索纳米技术在工具钢中创建超细谷物结构的使用.
• 微观结构控制: 用于控制工具钢的微观结构以优化性能的高级技术.
  微合同和受控冷却速率正在用于实现特定的微观结构.

开发新合金或治疗

• 表面处理: 新的表面处理以增强耐磨性和耐腐蚀性. 血浆硝化和类似钻石的碳 (DLC) 涂料越来越受欢迎.
• 增材制造: 使用3D打印来创建具有精确几何形状的复杂工具钢零件.
  添加剂制造允许创建传统制造方法难以实现的复杂设计.

10. 结论

工具钢 是制造业和行业中的重要材料, 提供出色的硬度, 戴阻力, 和力量.
了解不同类型的工具钢, 他们的特性, 他们的应用对于为您的特定需求选择正确的材料至关重要.
通过考虑诸如操作类型之类的因素, 工作条件, 和材料特性, 您可以做出明智的决定，以确保最佳绩效和成本效益.
随着技术的继续前进, 工具钢的未来看起来很有希望, 随着新合金和治疗的进一步增强其功能.

我们希望本文为工具钢的世界提供了宝贵的见解，并鼓励您探索其在项目中的潜力.
如果您有任何疑问或需要进一步的帮助, 随意 与我们联系.