低合金工具钢的合金化
碳素工具钢淬透性差，淬火畸变大，耐磨性、强韧性和回火稳定性都差，因此，不能用来制造形状复杂、精度要求高、承受力较大的工模具。
为适应工模具的性能需要而发展起来的高碳低合金工具钢，是在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素，如Cr、Mn、Si、Mo、W、V等冶炼而成的。合金元素总量(质量分数)一般小于5%。合金元素的加入提高了钢的淬透性，因而，可用油冷淬火取代水冷淬火，油冷淬火的临界直径可达15~36mm，淬火内应力小，降低了工模具的畸变和开裂倾向。马氏体在回火时不易分解，分解后析出的碳化物也不易聚集长大，回火稳定性有所上升，有利于工模具在一定升温的工况下服役。低温回火后的工模具有较高的强韧性和耐磨性，使用寿命可有较大幅度的提高。
量具刃具钢和冷作模具钢的含碳量：碳素工具钢最适宜的含碳量为1.1%~1.2%。在合金工具钢中，如果加入的合金元素(碳化物形成元素)为1%~2%，则最适宜的含碳量一般为1.0%~1.1%；若合金元素量为3%~4%较适宜。此时，碳化物分布比较均匀，强度较好。含碳量增加时，耐磨性增加，但碳化物分布将变得不均匀，易出现网状碳化物、带状组织和碳化物液析。
下面分别叙述各种合金元素在低合金工具钢中的作用。
⑴铬。大部分工具钢中都含有铬。根据铁-铬-碳三元系在700℃的等温截面图可知，当碳含量在1%左右，铬含量在3%以下时，钢中的平衡相为α+(Fe、Cr)3；铬含量在3%~5%时，平衡相为α+(Fe、Cr)3+(Cr、Fe)7C3；铬含量为5%~10%时，平衡相为α+(Cr、Fe)7C3；当铬含量更高时，将出现(Cr、Fe)23C6相。低合金工具钢中的铬含量不超过3%，因此，只形成合金渗碳体(Cr、Fe)C3，且部分溶入铁素体中。因而，铬既可阻止渗碳体型碳化物的聚集，又提高了马氏体的分解温度，从而提高了钢的回火稳定性。铬提高渗碳体的稳定性，使其在加热时溶解缓慢；铬又提高钢的临界点，使淬火温度升高。例如在含1%C的钢中，加入0.65%Cr，油中淬火，能获得最高硬度的淬火温度为800~810℃，加入1.5%Cr时为840~850℃，加入3%Cr时则为870~890℃。铬能提高钢的淬透性，但作用不如硅和锰强烈。铬还使钢的Ms点降低，因而增加了残余奥氏体量。此外，铬和锰一样，还能防止含碳量大于0.7%的硅钢的石墨化倾向，通常加入0.6%~1.0%Cr(或Mn)就可达到目的。一般在低合金工具钢中，铬含量在1.7%以下，含铬更高时，将增加碳化物分布的不均匀性。
⑵硅。硅是促进高碳钢石墨化倾向的元素，故不能单独加入，需和其他元素一起使用。硅在钢中不形成碳化物，而只溶入固溶体中，能显著提高过冷奥氏体在珠光体区和贝氏体区的稳定性，因而有效地提高了钢的淬透性。硅由于能阻碍马氏体第二阶段的分解和渗碳体的聚集，故可以增加回火稳定性，在含0.6%~0.8%Si时已显示其作用，硅进一步提高到1.2%~1.6%时，回火稳定性的增加已不多。因此，含硅的钢制造的切削工具的允许切削速度可以提高。硅不降低Ms点，故不增加残余奥氏体量。加入硅使工具钢的某些工艺性能变坏。由于硅强化铁素体的作用显著，使退火钢的强度增加，故增加了切削加工的困难。硅提高钢的临界点，使淬火加热温度提高，例如在含1%C的钢中加入1.2%~1.6%Si时，使淬火温度提高了30~40℃。硅增加钢的脱碳敏感性，见表2-17。在过共析钢中，适宜的硅含量为不超过0.6%~1.0%，在亚共析钢中，硅含量可以适当增加。
表1硅对含1%C和1%Cr钢脱碳层厚度的影响
Si % 脱碳层厚度/mm
 850℃加热 900℃加热
0.25 0.27 0.53
0.77 0.38 0.69
1.50 0.46 0.80
注：加热条件相同，在未脱氧的盐溶炉中加热。
⑶锰。在工具钢中，锰大部分溶于基体，部分溶于渗碳体形成(Fe、Mn)3C。锰溶于渗碳体后，使其在加热时溶解。含锰的工具钢加热时晶粒容易长大，因之很少使用单独加锰的工具钢，一般加入0.5%~0.8%Cr或0.1%~0.2%V，以消除锰钢的不良影响。锰增加钢的淬透性，还使钢的临界点降低，因此淬火温度较低，例如，成分为0.9%C、2.0%Mn的钢，油淬温度为780~800℃，而含1.0%C、2.0%Cr的钢的淬火温度为860~870℃。锰使残余奥氏体量增加，相应地减少了内应力和畸变，但残余奥氏体量过多时，将减小塑性变形抗力，使淬火后的硬度降低。刃具用低合金工具钢中的锰加入量一般为0.8%~1.2%。
⑷钨。钨是较强的碳化物形成元素，很少溶于铁素体，在渗碳体中的溶解度也很小(＜2%)。在含1%C的钢中，当钨含量超过1%时，开始形成M23C6型碳化物，而钨含量超过5%后，将出现M6C型碳化物。这些碳化物具有高的硬度，而淬火加热时易溶解，能使钢的奥氏体晶粒保持细小，增加淬火钢的硬度，提高钢的耐磨性。含1%C时，加入1%~2%W，硬度可提高到HRC66；含1.4%~1.5%C时，加入3%~3.5%W，硬度可提高到HRC68，故可用于加工硬质材料。钨单独加入钢中并不增加淬透性，为了使工具表面获得均匀的高硬度，应在水中淬火。还应指出，钨含量超过1.2%~1.5%的工具钢，经长时间退火后，会使以后淬火时的最高硬度降低，这种现象称为“损坏”，含钨越多，这种现象越显著，见图2-10。高速钢含钨较多，这种“损坏”现象较为严重，应控制退火加热时间。
⑸钼。钼在钢中的情况许多地方与钨相似，含钼大约超过0.5%时，开始生成钼的复杂碳化物。钼、钨复杂碳化物(M23C6、M6C)的性能相近。钼加入量不多时(0.2%~0.4%)，可细化碳化物，阻止晶粒长大。在工具钢中，钼比较有效地提高钢的淬透性。钼使钢的脱碳敏感性增加，尤其是钢中含有硅时。
⑹钒。钢中含有0.1%~0.2%V时，便可形成VC，在加热到1000~1100℃时，VC也溶解很少，故钒比其他元素更能有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性。钒使过共析钢不易生成渗碳体网。但钒降低钢的淬硬性与淬透性，且钢中含碳量越低降低得越强烈。一般低合金工具钢中，含钒量为0.15%~0.40%。
应着重指出，合金元素单独加入钢中时的作用与几种元素同时加入时的作用可能不同，采用“少量多元”的方法比加入单一元素可以更有效地提高淬透性，在含有铬、锰、硅的条件下，钢中加入钨、钒，可进一步提高淬透性。