一、基础认知：工具钢的核心定义与本质特征

什么是工具钢？其与普通结构钢的核心区别体现在哪里？

工具钢是专门用于制造切削刀具、量具、模具及耐磨工具的一类特殊钢材，核心特征是具备较高的硬度、良好的耐磨性，部分类型还需满足红硬性、韧性等特定性能要求。与普通结构钢相比，工具钢的碳含量通常更高（碳素工具钢碳质量分数在 0.65%-1.35% 之间），且会根据需求添加铬、钒、钨、钼等合金元素，通过热处理可获得远超结构钢的硬度（通常可达 HRC60 以上）和耐磨性，但其塑性和焊接性相对较低，更侧重工具使用场景的性能适配。

工具钢的通用性能要求有哪些？不同用途对性能的侧重有何差异？

所有工具钢均需满足硬度高、耐磨性好及一定韧性与强度的基础要求，同时不同用途有特殊侧重：切削刀具需突出红硬性（高温下保持硬度的能力），冷变形模具需强化耐磨性与尺寸稳定性，热变形模具则注重抗热疲劳性与高温强度，量具则对尺寸精度和稳定性有极高要求。例如高速工具钢在 600℃左右仍能保持 HRC63 以上的硬度，而冷作模具钢需通过碳化物强化实现长期耐磨而不变形。

二、分类体系：工具钢的主要划分标准与类型特征

按化学成分划分，工具钢可分为哪几大类？各类的核心成分特点是什么？

按化学成分可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三大类。碳素工具钢以碳为主要强化元素，合金元素含量极低，碳质量分数 0.65%-1.35%；合金工具钢在碳素工具钢基础上加入铬、钒等合金元素（如 80CrV2 含 0.75-0.85% 碳、0.4-0.9% 铬），且铬、钒比例不低于基础限值；高速工具钢属于高合金工具钢，含碳、铬、钒、钨、钼等多种元素，其中铬含量 > 3.75%、钒 > 4.5%、钨 > 11.75%，部分还添加钴元素强化性能。

按用途划分，工具钢有哪些主要类型？对应的应用场景分别是什么？

按用途可分为刃具钢、模具钢、量具钢三类。刃具钢用于制造切削工具，如车刀、铣刀、锉刀等，高速工具钢是刃具钢的典型代表；模具钢又分冷作、热作模具钢，冷作模具钢用于冲压模、拉丝模等室温加工工具，热作模具钢适配锻造模、压铸模等高温工况；量具钢用于制造量规、卡尺等测量工具，需保证极高的尺寸稳定性。

碳素工具钢的牌号如何标识？不同牌号的性能差异体现在哪里？

碳素工具钢牌号以 “T”（碳的拼音首字母）开头，后续数字表示平均碳含量的千分数，后缀 “A” 代表高级优质钢。例如 T7 表示碳含量约 0.7% 的碳素工具钢，T10A 则为碳含量 1.0% 的高级优质碳素工具钢。随牌号数字增大，碳含量升高，耐磨性增强但韧性下降：T7 塑性韧性较好，适用于凿子等受冲击工具；T12 硬度和耐磨性高，用于锉刀、刮刀等不受冲击的工具；T8Mn 因添加锰元素，淬透性优于同碳含量其他牌号，适配断面较大的工具。

高速工具钢可细分为哪些类型？各类的工艺与性能特点有何不同？

高速工具钢可分为钨系、钨钼系、钼系及含钴、粉末高速工具钢等类型。钨系过热敏感性小，热加工温度范围宽，但碳化物颗粒粗大；钨钼系碳化物分布更均匀，脱碳敏感性低，综合性能最优；钼系韧性好但热加工范围窄；含钴高速工具钢硬度与耐磨性显著提升；粉末高速工具钢通过粉末冶金工艺实现碳化物细小均匀分布，韧性和可磨削性大幅改善，可制造超硬工具。

三、性能机理：工具钢关键性能的形成与影响因素

工具钢的硬度与耐磨性主要由哪些因素决定？二者之间存在怎样的关系？

硬度主要由碳含量和热处理工艺决定，碳含量越高，淬火后形成的马氏体基体硬度越高，同时未溶碳化物的数量也会增加；耐磨性则受碳化物的类型、数量、分布及基体硬度共同影响，碳化钒、碳化铬等硬质相可显著提升抗磨粒磨损能力。通常情况下，硬度越高耐磨性越好，但需通过合金元素与热处理平衡韧性，避免高硬度导致的脆性断裂 —— 如 T13 虽硬度极高，但韧性差，仅适用于无冲击的耐磨场景。

什么是工具钢的红硬性？其形成机理与应用价值体现在哪里？

红硬性是工具钢在高温下保持高硬度的特性，高速工具钢的典型特征是在 600℃左右仍能维持 HRC60 以上的硬度。其形成机理与二次硬化效应相关：淬火时钨、钼等合金元素溶入奥氏体，回火时析出细小弥散的合金碳化物，这些碳化物阻碍位错运动，使硬度在 520-580℃回火时达到第二次高峰，远超淬火硬度。红硬性的核心价值在于保障高速切削工具在摩擦生热条件下仍能保持锋利刃口，大幅提升切削效率。

工具钢的韧性对使用有何影响？哪些因素会影响其韧性水平？

韧性决定工具钢抵抗冲击和避免崩裂的能力，是工具使用寿命的关键因素 —— 如冷作模具若韧性不足，易在冲压过程中出现裂纹。影响韧性的核心因素包括晶粒尺寸、碳化物分布和杂质含量：钒元素可细化晶粒提升韧性；粉末高速工具钢因碳化物均匀分布，韧性优于铸锭法生产的钢材；高级优质钢（带 “A” 牌号）因硫、磷杂质含量更低，韧性显著优于普通级钢材。

四、工艺控制：工具钢的热处理与加工要点

工具钢的典型热处理流程包含哪些环节？不同类型工具钢的热处理重点有何差异？

工具钢的典型热处理包括预先热处理和最终热处理：预先热处理多为球化退火，目的是获得均匀球化组织，降低硬度便于加工；最终热处理通常为淬火加低温回火，以获得高硬度组织。不同类型重点不同：高速工具钢需高温淬火（接近熔点）以溶解更多合金碳化物，且需 560℃回火三次以实现二次硬化；热锻模钢最终热处理为淬火加中温或高温回火，侧重平衡强度与韧性；冷作模具钢则通过低温回火保持极高硬度。

工具钢在加工过程中需注意哪些问题？不同加工方式的适配性如何？

加工需重点控制冷作硬化、淬火变形与开裂风险：冷加工应在退火态进行，单次变形量需≤65%，避免硬化开裂；热加工温度需严格控制，如 80CrV2 锻造温度为 1100-900℃，低于 850℃易开裂。压力加工适配合金工具钢等塑性较好的类型，切削加工需针对硬度选择刀具 —— 退火态工具钢（硬度≤HB207）加工性良好，淬火后则需采用磨削加工；焊接性普遍较差，高碳高合金类型（如高速工具钢）需预热至 250℃以上，焊后缓冷并回火以消除应力。

五、场景适配：工具钢的选型逻辑与典型应用

选择工具钢时需综合考虑哪些因素？冷作模具钢的选型核心原则是什么？

选型需综合评估工具用途、失效机理、生产批量、被加工材料特性及尺寸形状等因素。冷作模具钢选型的核心原则是先排除磨损外的其他失效机理（如冲击断裂、变形），再根据生产量选择耐磨损性适配的钢材 —— 生产批量大、被加工材料硬度高时，需选择碳化物含量高的高合金类型；小批量生产或受冲击工况，则优先考虑韧性较好的牌号。

80CrV2 作为合金工具钢的典型代表，其性能优势与主要应用场景有哪些？

80CrV2 通过碳（0.75-0.85%）、铬（0.4-0.9%）、钒（0.15-0.25%）的协同强化，实现硬度（HRC57-60）、韧性与耐磨性的平衡，抗拉强度达 1500-2000MPa。其应用场景包括：刀具领域（木工凿、钻头）、高负荷弹簧（汽车悬挂弹簧）、模具领域（冲压模、注塑模芯）及特种部件（液压阀杆），尤其适配高摩擦、中冲击的工业场景。

工具钢在汽车与航空航天领域有哪些具体应用？对材料性能有何特殊要求？

汽车工业中，冷作模具钢用于车身部件冲压模，需具备高耐磨性与尺寸稳定性；热作模具钢用于发动机部件锻造模，需抗热疲劳性。航空航天领域主要使用高速工具钢加工航空合金，要求材料具备极高红硬性（应对高温切削）和耐磨性（加工高强度合金），部分精密模具还需粉末高速工具钢的高尺寸精度与韧性。