合金工具钢工业生产中使用的工具多种多样，用得最多的是刃具、模具、量具等。
对刃具材料来说，除要求适当的强度和韧性，主要要求具有高硬度和耐磨性，且必须在高温具有高硬度，通常称为红硬性。
冷作模具材料必须具有高强度、高硬度、高耐磨性和足够的韧性；热作模具还必须具有良好的抗热疲劳性(耐急冷急热性)、导热性以及一定的抗氧化、抗腐蚀的能力。
量具材料则应具有较高的硬度和耐磨性及一定的强度和韧性以减少磨损和破坏；同时还应有较高的组织稳定性，以免发生时效或其他相变变形影响尺寸精确性。
合金刃具钢刃具钢主要是指制作车刀、铣刀、钻头等金属切削刀具的钢类。
合金刃具钢分两类，一类主要用于低速切削，称为低合金刃具钢；另一类用于高速切削，称为高速钢。
1. 低合金刃具钢低合金刃具钢的工作温度一般不超过 300℃，常用于制造截面较大、形状复杂、切削条件较差的刃具，如搓丝板、丝锥、板牙等。
1) 成分特点(1) 低合金刃具钢的含碳量高，一般在 0.75%～1.5%之间，以保证淬火后获得高硬度(＞62HRC)，并形成适当数量碳化物以提高耐磨性。
(2) 加入 Cr、Si、Mn、W、V 等元素，提高淬透性及回火稳定性，并能强化基体，细化晶粒。
因此低合金刃具钢耐磨性和热硬性比碳素刃具钢好，淬透性较碳素钢好；淬火冷却可在油中进行，变形、开裂倾向减小。
合金元素加入导致临界点升高，通常淬火温度较高，脱碳倾向增大。
2) 典型钢种及其热处理常用低合金刃具钢的成分、热处理及用途见表 7-7。
典型钢种 9SiCr，含有提高回火稳定性的 Si，经 230℃～250℃回火，硬度不低于 60HRC，使用温度达 250℃～300℃，广泛用于制造各种低速切削刃具，如板牙，也可用作冷冲模。
低合金刃具钢的加工过程为：球化退火、机加工，然后淬火和低温回火。
淬火温度应根据工件形状、尺寸及性能要求严格控制，一般都要预热；回火温度为 160℃～200℃。
热处理后的组织为回火马氏体、剩余碳化物和少量残余奥氏体。
2. 高速钢高速钢是含有多种合金元素的高合金钢。
这类钢以其制作刀具能进行高速切削得名。
通常高速切削时刃具工作温度可高达 500℃～600℃，高速钢的热硬性和耐磨性均优于碳素刃具钢和低合金刃具钢，应用广泛。
常用高速钢牌号、成分、热处理和用途见表 7-8。
1) 成分特点及合金化(1) 含碳量高。
含碳量在 0.70%以上，最高可达 1.5%。
高的含碳量一方面保证钢与合金元素形成足量碳化物，细化晶粒，增大耐磨性；另一方面保证基体溶入足量碳获得高硬度马氏体。
但含碳量也不宜过高，否则会产生严重的碳化物偏析，降低钢的塑韧性。
(2) 加入铬提高淬透性。
在奥氏体化过程中铬溶入奥氏体，大大提高钢的淬透性；回火时形成细小的碳化物，提高材料的耐磨性。
所有高速钢含铬量几乎为 4%。
(3) 加入 W、Mo 造成二次硬化，保证高的热硬性。
退火状态下 W 或 Mo 主要以 M6C型的碳化物形式存在。
淬火加热时，一部分碳化物溶于奥氏体中，淬火后固溶于马氏体中，在 560℃左右回火时，碳化物以 W2C 或 Mo2C 形式弥散析出，产生二次硬化作用。
这种碳化物在 500℃～600℃温度范围内非常稳定，不易聚集长大，从而使钢产生良好的热硬性。
淬火加热时，未溶的碳化物能起阻止奥氏体晶粒长大及提高耐磨性的作用。
(4) 加入钒提高耐磨性和红硬性。
形成的碳化物非常稳定，极难溶解，硬度极高且颗粒细小，分布均匀，因此钒提高钢的硬度和耐磨性有很大作用。
钒也产生二次硬化作用，但因总含量不高，对提高热硬性的作用不大。
(5) 加入钴显著提高红硬性和二次硬度。
耐磨性、导热性和磨削加工性改善明显。
2) 加工及热处理特点高速钢的加工、热处理要点如下。
(1) 高速钢的锻造。
高速钢含有大量合金元素，虽然一般含碳量小于 1%，但属于莱氏体钢。
铸态组织中含大量呈鱼骨状分布粗大共晶碳化物(见图 7.5)，大大降低钢机械性能，特别是韧性。
这些碳化物不能用热处理来消除，只能依靠锻打来击碎，并使其均匀分布。
因此高速钢锻造具有成形和改善碳化物双重作用，是非常重要的加工过程。
为得到小块均匀碳化物，高速钢需经反复多次墩拔。
高速钢的塑性、导热性较差，锻后必须缓冷，并进行球化退火，消除内应力，以免开裂。
锻造退火后获得组织为索氏体加粒状碳化物(见图 7.6)，可进行机械加工。
(2) 淬火+回火。
高速钢的优越性能需要经正确淬火回火处理后才能获得。
其淬火温度高达 1220℃～1280℃，保证足够碳化物溶入奥氏体，使奥氏体固溶碳和合金元素的含量高，淬透性非常好；淬火后马氏体硬度高且较稳定；同时避免钢过热或过烧。
但合金元素多也使高速钢导热性差，传热速率低，淬火加热时必须中间预热(一次预热 800℃～850℃，或者两次预热 500℃～600℃、800℃～850℃)；而冷却也多用分级淬火、高温淬火或油淬。
正常淬火组织为隐晶马氏体+粒状碳化物+20%～25%残余奥氏体(见图 7.7)。
为保证得到高硬度及热硬性，高速钢需要在二次硬化峰值温度或稍高温度(通常 550℃～570℃)回火，并进行多次(一般三次)。
回火主要目的是消除大量残余奥氏体。
回火时，从残余奥氏体中析出合金碳化物，使奥氏体合金元素含量减少，马氏体转变点上升，并在回火后冷却过程中，一部分残余奥氏体转变为马氏体。
每回火一次，残余奥氏体含量降低一次。
第一次回火后剩 15%～18%，第二次回火后降为 3%～5%，第三次回火后仅剩余 1%～2%。
高速钢回火后的组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体(见图 7.8)。
W18Cr4V 热处理工艺如图 7.9 所示。
采用二次预热，1280℃淬火加热，分级淬火，560℃三次回火。
3) 典型钢种和牌号常用高速钢的牌号、成分、热处理和用途见表 7-8。
可分为通用型高速钢和高性能高速钢二类。
(1) 通用型高速钢。
通用型高速钢的含碳量在 0.7%～0.9%。
这类高速钢具有较高的硬度和耐磨性，高的强度，良好磨削性，因此广泛用于制造各种形状复杂的刃具。
根据高速钢的主要成分，通用型高速钢又可分为钨系高速钢和钼系高速钢两种。
① 钨系高速钢：典型的牌号是 W18Cr4V，它具有良好的综合性能，在我国应用较为广泛。
这种钢通用性强，可用于制造各种复杂刃具，如拉刀、螺纹铣刀、齿轮刀具、各种铣刀等。
由于这种钢含钒量少，故磨削性好，所以常用于制造各种精加工刃具，如螺纹车刀、宽刃精刨刀、精车刀、成形车刀等。
这种钢由于含碳化物较多，淬火时过热倾向小，塑性变形抗力也较大；但其碳化物分布不均匀、颗粒大，这将影响薄刃刀具和小截面刃具的耐用度。
此外钨的价格较贵，使得钨高速钢的使用量已逐渐减少。
② 钼系高速钢。
钼系高速钢是用钼代替一部分钨，典型牌号是 W6Mo5Cr4V2。
加入钼后使结晶温度间隔变窄，铸态共晶莱氏体细小，因而它的碳化物比钨系高速钢均匀细小，使钢在 950℃～1100℃有良好的塑性，便于压力加工，并且在热处理后也有较好的韧性。
由于这种钢的含钒量较多，故耐磨性要优于 W18Cr4V。
但热处理时脱碳倾向较大，热硬性略低于 W18Cr4V。
因此，这种钢适应于制造要求耐磨性和韧性较好的刃具，如铣刀、插齿刀、锥齿轮刨刀等。
目前钼的价格是钨的 3 倍，钼系高速钢成本更高。
(2) 高性能高速钢。
高性能高速钢是在通用型高速钢成分中再增加一些含碳量、含钒量，有时添加钴、铝等合金元素，以提高耐磨性和热硬性的新钢种。
这类钢适合加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。
高性能高速钢包括高碳高速钢(9W18Cr4V)、钴高速钢(W6Mo5Cr4V2Co8)、铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al)等。
合金模具钢用来制造各种模具的钢称为模具钢。
用于冷态金属成形的模具钢称为冷作模具钢，如各种冷冲模、冷挤压模、冷拉模的钢种等。
这类模具工作时的实际温度一般不超过 200℃～300℃。
用于热态金属成形的模具钢称为热作模具钢，如制造各种热锻模、热挤压模、压铸模的钢种等。
这类模具工作时型腔表面的工作温度可达 600℃以上。
1. 冷作模具钢1) 成分特点① 高碳，多在 l.0%以上，有时达 2.0%，保证高硬度(一般为 60HRC)和高耐磨性。
② 加入 Cr、Mo、W、V 等合金元素形成难熔碳化物，提高耐磨性，尤其 Cr，典型的Cr12 和 Cr12MoV，含铬量高达 12%。
铬与碳形成 Cr7C3 碳化物，极大地提高钢耐磨性并显著提高淬透性。
Mo、V 进一步细化晶粒，使碳化物分布均匀，提高耐磨性和韧性。
2) 加工热处理特点冷作模具钢热处理特点与低合金刃具钢类似，热处理方案有两种：① 一次硬化法，在较低温度(950℃～1000℃)下淬火，然后低温(150℃～180℃)回火，硬度可达 61HRC～64HRC，使钢具有较好耐磨性和韧性，适用于重载模具。
② 二次硬化法，在较高温度(1100℃～1150℃)下淬火，然后于 510℃～520℃多次(一般为三次)回火，产生二次硬化，使硬度达 60HRC～62HRC，红硬性和耐磨性较高(但韧性较差)。
适用于在 400℃～450℃温度下工作的模具或者需要进行碳氮共渗的模具。
Cr12 型钢热处理后组织为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。
3) 典型钢种及牌号大部分要求不高的冷作模具用低合金刃具钢制造，如 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等。
大型冷作模具用 Cr12 型钢。
目前应用最普遍的、性能较好的为 Crl2MoV 钢。
这种钢热处理变形很小，适合于制造重载和形状复杂的模具。
2. 热作模具钢1) 成分特点① 中碳，含碳量一般为 0.3%～0.6%，保证高强度、韧性、硬度(35HRC～52HRC)和较高热疲劳抗力。
② 加入较多提高淬透性的元素 Cr、Ni、Mn、Si 等。
Cr 是提高淬透性的主要元素，同时和 Ni 一起提高钢回火稳定性。
Ni 在强化铁素体的同时还增加钢的韧性，并与 Cr、Mo一起提高钢淬透性和耐热疲劳性能。
另外可提高整体性能均匀性并有固溶强化作用。
③ 加入产生二次硬化的 Mo、W、V 等元素，Mo 还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。
2) 加工热处理特点热作模具钢中热锻模钢的热处理与调质钢相似，淬火后高温(550℃左右)回火，获得回火索氏体一回火屈氏体组织。
热压模钢淬火后在略高于二次硬化峰值温度(600℃左右)下回火，组织为回火马氏体和粒状碳化物，与高速钢类似，回火多次保证热硬性。
3) 典型钢种及牌号热锻模钢对韧性要求较高而热硬性要求不高，典型钢种有 5CrMnMo 和 5CrNiMo(其在截面尺寸较大时使用)等。
热锻模钢受冲击载荷较小，但对热强度要求较高，常用钢种有3Cr2W8V 等。
各类常用热作模具钢的牌号、成分、热处理及大致用途列于表 7-9 中。
合金量具钢量具是机械制造工业中的测量工具，量具钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。
1) 成分特点量具钢的成分与低合金刃具钢相同，为高碳(0.9%～1.5%)和加入提高淬透性的元素(Cr、W、Mn 等)。
2) 热处理特点淬火和低温回火时要采取措施提高组织的稳定性，保证尺寸稳定性。
① 在保证硬度的前提下尽量降低淬火温度，以减少残余奥氏体量。
② 淬火后立即进行-70℃～-80℃的冷处理。
使残余奥氏体尽可能地转变为马氏体，然后进行低温回火。
③ 精度要求高的量具，在淬火、冷处理和低温回火后需进行 120℃～130℃几至几十小时的时效处理，使马氏体正方度降低、残存奥氏体稳定和残余应力消除。
为了去除磨加工中产生的应力，还要 120℃～150℃保温 8h 进行第二次(或多次)时效处理。
3) 典型钢种及牌号量具钢没有专用钢。
尺寸小、形状简单、精度较低的量具，用高碳钢制造；复杂的精密量具一般用低合金刃具钢制造，见表 7-10。
精度要求较高的量具用 CrMn、CrWMn、GCrl5等。
GCrl5 钢冶炼质量好，耐磨性及尺寸稳定性好，是优秀的量具材料。
渗碳钢及氮化钢可在渗碳及氮化后制作精度不高，但耐冲击性的量具。
在腐蚀介质中则使用不锈钢(如9Cr18、4Cr13)作量具。