工具钢锻轧(forging   and    rolling   of   tool  steel)将工具钢钢锭加热后经锻压开坯并轧制成材的工艺过程。经不同方法冶炼的工具钢浇注成钢锭后，经过合理的锻造或轧制，除能生产出要求的形状和尺寸的工具钢材外，还可以改善钢锭的铸态组织，焊合其内部疏松、裂纹、气泡等缺陷，提高其致密度，改善碳化物和夹杂物分布，细化共晶碳化物，降低钢材的各向异性。

工具钢类别工具钢按其化学成分分为碳素工具钢和合金工具钢。碳素工具钢是一种含碳量在0.65%～11.35%之间、专用于制作工具的钢。合金工具钢是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、镍、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢。按照用途，工具钢又分为切削刃具钢、量具钢和模具钢。切削刃具钢主要用作车刀、刨刀、铣刀、钻头等。它们有一个或多个刀刃，在切削金属过程中刀刃受到弯曲、扭转、剪切、冲击、震动和摩擦等外力的作用，同时引起刀刃温度的升高而失去切削能力，且易被磨损。因此刃具钢应具有高的硬度、耐磨性、热硬性及强度。量具是用来测量物件的形状和尺寸的工具，如样板、量规、卡尺、直尺等。为了保持量具的形状尺寸的精确性和稳定性，要求量具钢具有高的硬度、耐磨性、尺寸稳定性和一定的耐蚀性能。

按照模具工作条件，模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。

冷作模具钢用来制造金属在常温下变形的模具，如冷冲、冷镦、切边、搓丝、拉丝等模具。它们工作条件的共同点是：使用温度不高，但受到高的压力或冲击力，与被加工金属间发生强烈摩擦。为了保证冷作模具的几何精度、减小磨耗和提高使用寿命，冷作模具钢应具有高的强度、耐磨性和一定的韧性，同时要求热处理淬火变形小、淬透性高，热处理后的硬度应在HRC58～64之间。

热作模具钢用来制造金属高温热压、锤锻和压铸变形的模具。工作时，锤锻模温度高达400℃，热压模高达500～800℃以上温度。因此，热作模具钢应具有高温强度、耐磨性和一定的韧性。同时由于热作模具工作时受周期性的急冷急热，模具内外温差大，内应力也大，温度急剧变化容易引起疲劳裂纹的产生，因而热作模具钢还应具有高的热强性、抗疲劳性和抗氧化性能。工具钢的生产工艺流程热作模具钢亦应具有高的导热性、淬透性和较小的淬火变形。

塑料模具钢是为了适应塑料成形加工的需要而发展和形成的模具钢种。对塑料模具钢的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、韧性和热稳定性等使用性能的要求不高，但要求保证塑料模具钢具备优良的工艺性能，其中包括热处理变形小以及优良的加工性能、焊接性能、图案花纹刻蚀性能、研磨和抛光性能，且在使用过程中尺寸稳定。

锻轧工艺工具钢由钢锭锻轧成材，有3种方式，即锻造开坯，锻造成材；锻造开坯，轧制成材；轧制开坯，轧制成材。工具钢锻轧基本工艺流程如图所示。由于工具钢的化学成分和用途的不同，其锻轧工艺制也有所不同。

碳素工具钢的锻轧碳素工具钢是一种高碳钢，主要钢种有T8、T10、T12等，是工具钢中冷热加工性均良好的一类钢种。此类钢可以采用轧制开坯、轧制成材的生产方式，对轧制工艺参数没有特别要求，最容易锻轧成材。碳素工具钢的加热温度为1050～1100℃。由于钢的碳含量高、导热性稍差，加热时的装炉温度不能过高，升温速度(特别在低温阶段)不应过快，以避免产生过大的热应力而造成裂纹，这对钢锭和大型钢材更显重要。加热保温时间以保证工具钢烧透为限，不宜过长，以减少脱碳。碳素工具钢的始锻轧温度为1020～1080℃。最佳的锻轧温度取决于钢中的碳含量，碳含量越低，锻轧温度越高。

碳素工具钢中存在不均匀的或粗大的碳化物时，会使制成的工具在热处理后产生硬度不均匀、容易开裂及应用时崩刃等。因此，在锻轧碳素工具钢时应保证加工以后钢中的网状碳化物能够大部分破碎，锻造比(压缩比)一般应大于4。对于碳含量特别高的T12及T13等钢，有时需采用镦粗拔长的方法进行锻造，以增加锻造比，使钢中的碳化物均匀并细化。

由于碳含量高，碳素工具钢的变形抗力比普碳钢高，因而所需的锻轧力也比较大。碳素工具钢锻轧时的宽展比普碳钢大。碳素工具钢还存在石墨化倾向。锻轧终止温度过高(约1000℃)而又缓冷，或在Acm点附近停锻停轧，或在此温度长期保温，均会促进石墨的出现。因而终锻终轧温度不宜过高，一般以750～800℃左右比较适宜。

碳素工具钢锻轧后可以采用空冷；但适宜的冷却方式是锻轧后快冷至650℃，然后缓冷，以免析出粗大或网状碳化物。

碳素工具钢锻轧后具有珠光体组织，其硬度较高，难于机械加工，也不符合淬火对组织的要求，因此要进行球化退火。

碳素工具钢采用分级淬火或等温淬火比较适宜。淬火后的钢材应立即回火，以防止因冷却应力过大而开裂。

合金工具钢的锻轧合金工具钢钢种有如下特点：(1)从碳含量上看，合金工具钢中的刃具钢、量具钢和冷作模具钢多属高碳钢；只有热作模具钢，为了保证其高韧性和良好的导热性多系中碳钢。(2)从合金元素含量上看，合金工具钢大部分是低合金工具钢，一部分是中合金工具钢，高合金工具钢的比例较小。(3)合金工具钢所含合金元素多系强碳化物形成元素，如W、Mo、Cr、V等，它们在合金工具钢中能形成大量的合金碳化物。这些碳化物在加热时能阻止奥氏体晶粒长大，如若溶于奥氏体可提高钢的淬透性；若以合金碳化物形式存在，则可进一步增加钢的耐磨性，在回火过程中阻碍或延缓马氏体的分解，提高钢的回火稳定性和热硬性。有的合金工具钢还加入了Mn和Si。Mn可提高钢的淬透性、减少钢在热处理时的变形；si可提高钢的回火稳定性、增加钢的弹性极限。合金元素在工具钢中的作用如表所示。(4)只有少数合金工具钢是以一种主要合金元素组成的，如Cr钢、V钢和W钢；绝大多数钢种是由几种合金元素配合组成的，如Si—Cr钢、Cr—W—Mn钢等。(5)一般合金刃具钢所用合金元素含量较低，多数仍属低合金钢，所以高温硬度有限。要提高高温热稳定性，即红硬性，则采用高合金的高速钢。

合金工具钢塑性加工的特点是：(1)由于碳含量高及含有合金元素，合金工具钢的变形抗力比普碳钢高；(2)当加热制度正确时，合金工具钢具有很高的塑性；(3)在相同条件下，合金工具钢的宽展比普碳钢大10%～15%；(4)合金工具钢有明显的应力敏感性；(5)碳含量高的合金工具钢在加热和锻轧过程中有脱碳现象；(6)当冷却较快时，某些合金工具钢有产生白点的倾向。自点的形成温度多数在100～250℃之间，在此温度间钢材应缓冷。白点使钢的力学性能降低，因而不能使用有白点的钢材制造工具。防止白点的根本办法是降低钢中的氢含量。在模具钢中白点主要见于大型的锻轧件。

合金工具钢的锻轧工艺及主要工艺参数是：(1)合金工具钢的钢锭一般采用热装炉；较小的钢锭可以冷装炉。当铸后要成为冷锭时，必须在铸锭后采取特别的慢冷措施，以防止产生较大的冷却应力而形成裂纹。冷锭入加热炉前必须进行预热，预热温度为300～500℃，视锭型、锭重而定。

(2)合金工具钢钢锭的加热温度为1100～1200℃，个别略高；钢坯的加热温度比钢锭的低，一般为1050～1180℃。加热时间通常多于2h；钢锭的加热速度应低些，而钢坯可以采用比较大的加热速度。随合金元素的增多，应适当延长均热时间和总的加热时间。

(3)量刃具钢的始锻轧温度为1050～1100℃，耐冲击工具钢为1100～1150℃，热作模具钢为1050～1130℃，中低合金冷作模具钢为1050～1150℃。合金工具钢的终锻轧温度应高于850℃。在上述锻轧温度范围内，畲金工具钢具有较好的塑性和相对低的变形抗力，锻轧无需特别小心。轧制用的孔型系统与其他钢种相同。对制造承受高负荷或大型、复杂的模具坯料的模具钢，锻造时必须经过各向锻造过程，一定要对坯料进行镦粗和拔长，其交替次数不得少于2～3次。

(4)合金工具钢锻轧后一般采用缓冷。马氏体类合金工具钢的空冷组织为马氏体，因而锻轧后应立即缓冷(坑冷、砂冷或箱冷)。此类钢大都是热作模具钢。易形成网状碳化物的钢有CrMn、Cr2等，锻轧后应快冷至650～750℃，然后缓冷。快冷可防止形成严重的网状碳化物，缓冷是为了防止形成白点和裂纹。无磁模具钢锻轧后可采用空冷。

高合金冷作模具钢的锻轧高合金冷作模具钢主要有Crl2、Crl2MoV、Crl2Mo1V等，Crl2型冷作模具钢是典型的钢种。它们在成分上的特点是碳含量高，一般在1.2%以上，有的高达2.3%，以及铬含量高，有的高达13%。它们是莱氏体钢，含有共晶碳化物，主要靠热加工变形去破碎共晶碳化物。Crl2型钢具有低塑性和高变形抗力的特点，故一般采用锻造开坯、锻造成材的生产方式，也可采用轧制方法成材。此类型钢大都会在1200℃发生局部熔化，导热性又差，因而需要较长的加热时间和在较低的温度下锻轧。

对于锻成同一尺寸的钢坯，大锭型锻成的钢材的碳化物级别低；但由于大锭型钢的钢液凝固时的冷却条件没有小锭型好，大锭型的铸造缺陷如偏析、疏松等严重，探伤质量往往达不到要求，因而在保证锻造比的条件下尽量采用小钢锭。

钢锭锻造开坯加热前应在650～700℃范围内预热，以减少热应力；加热温度范围为1130～1180℃，加热时间为5～6h。

此类钢的铸态组织中含有大量的(Fe、Cr)₇ C₃ 、(Fe、Cr)₂₃C₆等复合碳化物，它们以树枝状和板条颗粒聚集在粗晶边界形成网状。为了使这些碳化物破碎和改变碳化物的分布，必须加大锻造比，一般应大于7。

锻造温度为1050～1120℃，1100℃左右塑性最好，变形抗力最低。锻造时的锤击必须遵守先轻后重的原则，在锻压过程中发现有细小裂纹也必须及时去除。锻造时的进料量应严格控制在0.6～0.8坯料直径(或高度)范围内。送进量过大易导致十字裂纹，过小则变形不够渗透或易产生横向裂纹。此类钢变形温度窄，砧子必须预热到150～400℃，坯料运送时应尽量不降低温度。

钢锭终锻温度为850～920℃，锻后应该缓冷，既可随炉冷却，也可在绝热介质中冷却。正火会导致锻件开裂。锻件在切削加工和淬火前要进行退火。

对于较大尺寸的Crl2型坯料，为进一步改善碳化物级别和分布，使用以前还必须进行改锻。改锻方法有以下3种：(1)轴向反复镦拔。一般情况下反复镦拔两次。此方法的优点是坯料中心的碳化物高偏析区不会到表面，从而保证锻件表面的碳化物比较细小均匀，且操作比较简单；缺点是中心的碳化物改善不大，轴向部分质量差，坯料两端长时间与锤头和下砧接触，因而冷却较快，易产生裂纹。

(2)径向(横向)十字镦拔。此方法的优点是坯料与锻造工具的接触面经常改变，表面温度下降较少，端面质量好，有利于破碎中心的碳化物。缺点是变形时中心金属外流到表面；不能受到均匀的大变形；在靠近直径四分之一处碳化物级别改善不大，而且在圆材的表面上可能出现碳化物不均匀现象；要求有熟练的操作技术。

(3)三向镦拔。此方法综合了上述两种方法的优点，能更大程度地破碎工件中心的碳化物，并比较好地消除方向性。缺点是操作比较复杂，成本较高。

根据模具的使用条件和对质量的要求来选择改锻方法。对心部质量要求不高的小型锻件，可采用第一种方法；对内部质量要求很高，工作部位在模具的轴心时，应采用后两种方法。

Crl2型钢坯的加热温度为1050～1160℃，加热时间为2～4h。始锻轧温度为1000～1100℃，终锻轧温度为850～920℃，终锻轧后缓冷。

在相同的条件下，轧制crl2型模具钢的宽展比碳钢的大1.1倍。轧制时的孔型系统无特殊要求，但轧制操作要快，并撤去冷却水，以免温降大，保证产品质量。

Crl2型模具钢锻轧后要求在不低于700～750℃就装入缓冷装置中进行缓冷。冷却到150～200℃的钢温，所用时间不应小于24h，并要在缓冷后24h内进行退火。

工具钢的控轧、控冷和形变热处理为了提高工具钢的质量，目前采用控制轧制、控制冷却及形变热处理的新工艺。

在900～650℃温度范围内冷却速度对形成碳化物网起决定性作用，加快冷却速度能减轻或完全消除网状碳化物。可以采用单在空气中冷却、吹风冷却、风雾冷却及水冷却。但不管采用何种冷却方式，都应注意快冷的终止温度，以免出现马氏体或贝氏体组织。

控制轧制工艺能够细化奥氏体晶粒尺寸、增加晶界面积，为碳化物析出提供更多位置，使碳化物分布均匀、弥散，也可以细化珠光体、贝氏体和马氏体组织。

将工具钢的热变形与随后的淬火和回火(调质处理)工艺相结合，形成形变热处理工艺。根据钢种成分的不同，可以采用高温形变热处理和低温形变热处理。

低合金热作模具钢(5CrNiMo类型)可以进行高温形变热处理，其目的是使组织达到尽可能均匀一致，保证纵横向性能的一致。

又如4Cr5MoSiV成分相当的钢，通过形变热处理后强度和韧性与正常调质处理相比，不仅使σ_b和σ _0.2提高，同时增加了断面收缩率^ψ；当模具低温使用时，提高模具寿命。