工具钢是异常坚硬、坚韧或耐磨的合金。它们的特性来自它们的化学和生产。正如它们的名字所暗示的那样，这些钢材可以进行切割、研磨、钻孔、冲压、敲击或其他艰巨的工作。工具钢必须具有适合其应用的材料特性。例如，钻头和冲头都需要硬度和耐磨性。然而，冲头受到更多冲击，而钻头受到更多剪切。工程师和冶金学家根据工具的用途选择工具钢的类型。
工具钢都含有产生碳化物的合金元素，碳化物是一种含有金属和碳的密集金属晶格。碳化物是一种耐火材料，这意味着它们可以抵抗压力、化学物质或热的分解。
然而，制造工具钢的不仅仅是化学。工具钢的硬度也来自精确控制的热处理和淬火。
淬火硬化工具钢
淬火是通过改变其微观结构来硬化钢的过程。
首先钢被加热。根据混合物中碳的含量，钢合金被加热到不同的温度。其中分子呈不同的形状，这些相取决于整体化学性质。
一旦达到并保持合适的热量，合金就会通过暴露在更冷的气体或液体中进行淬火或冷却。这种淬火使金属迅速冻结。当金属像这样被冲击冷冻时，许多微小的金属晶粒都开始冻结，每个晶粒之间以及它们之间都有很大的位移。将此与非常缓慢的冷却进行比较，其中谷物随着时间的推移在较大的圆形花朵中缓慢冷却。当金属受到撞击时，缓慢冷却的金属颗粒可以相互移动，使金属凹陷但不会破坏它。冲击冷冻使分子结构在受到撞击时移动的空间更小，使其更硬，更不容易凹陷。这些结构中的金属晶格称为马氏体，正是马氏体的冲击、锯齿状分子结构赋予了淬火金属特有的硬度。
水淬是最快的淬火方式，空气淬火是最慢的方式。合金能处理什么取决于它的化学性质。如果冷却过快，某些合金可能会开裂或变形，但在温和的空气淬火中会很好地硬化。其他人不会形成坚硬的马氏体层，除非他们对水中那样的巨大温度变化感到震惊。
工具钢的类别
工具钢有六大类。四种最常见的是水硬化、冷作、热作和高速工具钢。特殊应用还使用抗冲击和专用工具钢。
水硬化
这组工具钢本质上是经过热处理的碳钢。它们含有0.5–1.5%的碳。可能存在其他合金元素，因为它们的质量不同，但通常低于0.5%。这些金属，如镍、钨或钼，价格昂贵。使用较少的昂贵金属可为轻型应用提供价值。
这组钢需要水淬的极端冲击才能获得坚硬的外层。轻型工具、弹簧等小零件和小型紧固件可能是最终产品。它们不能在极端环境中使用，因为W系列钢比其他工具钢更脆。W系列钢更容易开裂，只能承受°F(°C)的连续温度。
冷作工具钢
冷作工具钢应在“冷”温度下使用——它们坚硬、坚韧且耐磨，但不适用于高温环境。因为切削冷材料比切削热材料承受更大的力，所以冷作工具钢必须具备抗压强度。
在这种情况下，寒冷并不意味着金属工人是时候穿上毛衣了。°F(°C)及以下被认为是这些工具的冷工作环境。与许多类型的钢不同，石墨通常在冷作钢中形成。这种石墨使这些合金中的许多可加工：石墨提供润滑。
冷作工具钢的子类别有：
油淬（O系列）：在生产过程中，这些合金在油中淬火。它们含有0.85–2.00%的碳，并且通常少于1%的其他合金元素。这些元素可以包括锰、硅、钨、铬、钒和钼。
空气淬火（A系列）：在生产过程中，这些合金在空气中淬火。它们的碳含量为0.05–2.85%。这些钢可以含有高达5%的铬。高铬意味着A系列在热处理过程中不会发生尺寸变形。铬产生更小的公差。
高碳铬（D系列）：这些冷作钢的工作温度高达°F(°C)。它们含有1.4-2.5%的碳和11-13%的铬。根据合金的不同，它们可以进行空气淬火或油淬，并且在任何一种冷却方法中都几乎没有变形。这些合金通常具有非常高的耐磨性。
热作工具钢
热作工具钢都含有更高比例的合金元素，以产生更多的碳化物并处理更高的工作温度。热作工具钢可以在高达°F(°C)的温度下工作。作为一个群体，大多数人的碳含量很低，低于0.6%。
热作工具钢通常用于高温制造，具有金属和玻璃等具有延展性的热材料。模具、冲压机、挤压机和压缩机都可以用热作钢制成。即使在长时间受热的情况下，该工具也必须继续发挥作用。
根据主要合金元素，热作工具钢分为三种主要类型：铬、钨或钼。少数具有高含量的铬和钨，因此根据制造商分类为钨或铬。主要合金元素产生钢中的碳化物类型，每种碳化物都有不同的优点。
热作工具钢的子类别有：
铬：铬热作工具钢含有3–5%的铬。其他合金元素如钨、钒或钼低于5%。钒通常用于制造切削工具的钢中。这组合金（特别是AISIH13）是最常用的热作工具。
钨：这些合金通常不含任何钼或钒。相反，它们含有9–18%的钨。大多数钨热作工具钢的铬含量在2-4%之间。这并非普遍适用：例如，合金AISIH23含有12%的铬和12%的钨。H23有时称为铬钢，有时称为钨钢，有时两者兼而有之。钨钢具有出色的耐热性，但很脆；这是通过在使用前预热到工作温度来管理的。
钼：许多铬热作工具钢中都含有少量钼。用于非常恶劣环境的优质热作钢有很多。钼在严苛的热加工应用中产生更高的热稳定性和耐磨性。钼合金AISIH42和H43通常用作金属轧机中的模具或刀具，以处理切削和锻造的热量和力。
高速工具钢
现代生产工艺在一定程度上是这类工具钢的发明的可能。高速运转的切削工具和机床钻头会因摩擦而变热。高速材料创新使机械师能够提高生产率。
年，高速工具钢在巴黎展览会上首次亮相。一群制造商喘着粗气看到尖端由于摩擦而开始发光，但仍在继续工作。年代的切割速度为每分钟5-30英尺，到年，机器以每分钟英尺的速度移动。
高速工具钢含有14-18%的钨、3-5%的铬、0.6%的碳和其他元素，具体取决于应用。
抗震工具钢
S组抗冲击工具钢非常坚固，具有高抗冲击性。它们的力量不仅仅在于工具的表面或“冲击”层。它们可用于弹簧、凿子、冲压模具和冲头。这组合金通常含有许多合金元素，其中大部分存在于其他工具钢中。然而，这类钢中含有0.15-3%的硅。
特殊用途工具钢
这组合金是奇怪的鸭子栖息的地方；这些金属用于特定应用，甚至可能由冶金学家为特定制造商制造。该组包括低合金、高铁钢，所有其他合金元素都很少使用。这些最像廉价的W钢，也是水淬的。其他元素的微量添加提高了机械性能，但降低了成本。低碳“模具”钢也在这组特殊用途合金中。这些用于必须耐热和耐磨但不需要高抗冲击性的热塑性塑料成型。