4.3 工具钢及特种钢
4.3.1 工具钢
用于制造各种工具的钢称为工具钢。工具钢根据用途分为刃具钢、模具钢和量具钢，其应用中对高硬度、高耐磨性等的要求是一致的，所以应用中并无严格界限。
1.刃具钢
刃具钢是制造各种切削工具（如车刀、钻头、丝锥和锯条等）的钢。显然，刃具钢应具有高硬度、高耐磨性、高的热硬性（又称红硬性），并应具有适量的强度和韧度以防脆断，因此刃具钢通常为高碳钢和高碳合金钢。常用的刃具钢有碳素工具钢、低合金工具钢和高速钢。
1）碳素工具钢
碳素工具钢的碳的质量分数为0.65%～1.35%（以保证高硬度、高耐磨性），均属高碳钢，其经淬火、低温回火后得到的主要组织为高碳回火马氏体＋碳化物＋少量残余奥氏体。不同牌号的碳素工具钢经淬火（760～820℃）、低温回火（≤200℃）后硬度差别不大，但耐磨性和韧度有较大差别:碳的质量分数越高，耐磨性越好，韧度越差。常采用球化退火来降低这类钢的硬度，以利切削加工，同时还可为淬火作好组织准备，以降低淬火组织的脆性。这类钢价格低，加工容易，但淬透性低，热硬性差，综合力学性能不高。常用碳素工具钢的牌号、成分、热处理、性能和主要用途见表4－12，表中同时列出了作为其他工具的用途。
表4－12 常用碳素工具钢的牌号、成分、热处理、性能和主要用途
2）合金工具钢
为克服碳素工具钢淬透性较低等缺点，在碳素工具钢基础上加入Cr、Mn、Si、W、Mo、V等合金元素就形成了合金工具钢（合金刃具钢）。加入Cr、Mn、Si等元素的主要作用是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性；加入W、Mo、V等元素的主要作用是提高钢的硬度、热硬性和耐磨性（弥散强化），并能防止淬火加热时奥氏体晶粒长大，起细晶强韧化作用。
合金刃具钢的热处理特点与碳素工具钢相同，仍为淬火后低温回火，而得到的主要组织也为高碳回火马氏体＋合金碳化物＋少量残余奥氏体（部分也采用等温淬火获得下贝氏体，以保证良好的强韧性），其性能特点为高硬度、高耐磨性，但热硬性仍然较差，工作温度不能超过300℃。合金刃具钢淬透性较高（如9SiCr在油中的临界淬透直径约为40mm），可用于制造截面尺寸较大、形状较复杂的刀具。
常用合金工具钢的牌号、热处理、性能和主要用途见表4－13。
表4－13 常用合金工具钢的牌号、热处理、性能和主要用途
碳素工具钢和合金工具钢这两类钢价格相对低廉，加工容易，但淬透性低，热硬性较差，综合力学性能不高（特别是碳素工具钢），主要用于制作木工工具、切削速度较低的加工金属材料的手工工具和一般机用工具。
3）高速钢
高速钢是一类具有很高耐磨性和很高热硬性的工具钢，在高速切削条件（如50～80m/min）下刃部温度达到500～600℃时仍能保持很高的硬度，使刃口保持锋利，从而保证高速切削，高速钢由此得名。
高速钢为高碳高合金钢。高速钢中的高碳（wC＝0.7%～1.6%）可保证钢在淬火、回火后具有高的硬度和耐磨性。高速钢中含有大量合金元素（W、Mo、Cr、V、Co、Al等），其主要作用如下。
（1）提高热硬性 提高热硬性的元素主要是W和Mo，此钢加热淬火后得到含有大量W和Mo的马氏体，在回火温度达560℃左右时（对此钢仍得回火马氏体）析出弥散分布的高硬度高耐热的W2C和Mo2C，具有明显的弥散强化效果，产生二次硬化，其回火硬度甚至比淬火硬度还高2～3HRC。同时W2C和Mo2C在500～600℃温度范围非常稳定，不易聚集长大，仍保持弥散强化效果，因而具有良好的热硬性。
（2）提高钢的淬透性 提高淬透性的元素主要是Cr。Cr在退火高速钢中多以Cr23C6方式存在，而在淬火加热时几乎全部溶入奥氏体，可增大过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性，使在空气中冷却也能获得马氏体。实践表明，最佳ωCr为4%。加热时溶入奥氏体中的W、Mo等元素也可提高钢的淬透性。
（3）提高钢的耐磨性 提高耐磨性的元素主要是V，V的碳化物VC硬度极高，对提高钢的硬度和耐磨性有很大的作用；W2C和Mo2C对提高钢的耐磨性也有较大贡献。
（4）防止奥氏体晶粒粗化 退火高速钢中约有30%的各种合金碳化物，均具有较高的稳定性，尤其是W、Mo、V形成的Fe3W3C、Fe3Mo3C、VC稳定性很高，加热到1 160℃时才能较多地溶入奥氏体。其在淬火加热时通常约有10%的未溶碳化物，可阻碍奥氏体晶粒的长大，使奥氏体在高温加热时仍保持细小晶粒，这对提高强度、保持韧度具有重要意义。
常用的高速钢牌号有:W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W3Mo2Cr4VSi等（详见GB 9943—1988）。
不同牌号高速钢的性能指标有很大差别:含钒量越高，耐磨性越高；钼系和钨钼系高速钢韧度最好，钨系高速钢次之，高含钴量的韧度最低；含钴高速钢的高温硬度最高。从刃具的磨削加工性考虑则与耐磨性相反。
在普通型高速钢中，采用最多的是W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V，以及更低合金的W3Mo2Cr4VSi等，它们正在逐步取代W18Cr4V。W14Cr4VMnRE锻造轧制工艺性能好，多用于热轧刀具，如麻花钻头。高碳、高钒高速钢CW6Mo5Cr4V3多用于难加工材料和切削速度较高的场合。在制造复杂刀具时，不宜选用钒的质量分数大于3%的高速钢，因其磨削加工性很差。对高温硬度要求很高时，才选择含钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5；为节约稀缺的钴资源，可用含铝高速钢（W6Mo5Cr4V2Al）代替前者。
不少高速钢因加入大量碳化物形成元素，已进入亚共晶的成分区域而成为所谓“莱氏体钢”，使其铸态组织含有大量粗大稳定的碳化物，热处理也不易消除，只能采用锻造方式来击碎。为此产生了用粉末冶金法生产的“粉末冶金高速钢”，其碳化物均匀细小，强韧性等性能更好，但成本高，仅适于制造大型复杂刀具和难切削材料刀具。
除用于制造高速切削或形状复杂的刃具外，高速钢还广泛用于冷作、热作模具。
2.模具钢
模具钢是指主要用于制造各种模具（如冷冲模、冷挤压模、热锻模、塑料模等）成形零件的钢。模具钢根据其用途可分为冷作模具钢、热作模具钢和成形模具（包括塑料模、橡胶模、粉末冶金模、陶土模等）钢等。
1）冷作模具钢
冷作模具钢是指主要用于制造冷冲模、冷挤压模、拉丝模等使被加工材料在冷态下进行塑性变形的模具用钢。冷作模具钢应具有高强度、高硬度和高的耐磨性，一定的韧度和较高的淬透性，因此冷作模具钢通常为高碳钢和高碳合金钢。
常用的冷作模具钢有碳素工具钢和合金工具钢。
碳素工具钢（如T8A）价格低，淬透性差，用于制造要求不太高、尺寸较小的模具；低合金工具钢中的9Mn2V、CrWMn等主要用于制造要求较高、尺寸较大的模具。
高碳高铬的Cr12、Cr12MoV含有大量碳化物形成元素，属莱氏体钢，需特别锻造及热处理。其淬透性更好、淬火变形很小，用于制造要求更高的大型模具。
Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV1、8Cr2MnMoWVS等为空冷淬火冷作模具钢，有很好的空冷淬硬性、韧度及耐磨性，热处理变形小，用于制造重负荷、高精度的模具。8Cr2MnMoWVS中因加入了S元素，使易于切削加工。
基体钢为化学成分大致相当于高速钢（W6Mo5Cr4V2）淬火后基体组织成分的一类钢，因其中共晶碳化物的数量少并且细小均匀，使韧度比高速钢明显提高，可用于要求更强韧的冷挤压模，常用钢种如6W6Mo5Cr4V、6Cr4Mo2VNb、7Cr2Mo2V2Si（LD）、012Al、CG－2等。
冷冲模中的拉伸模要特殊一些，主要是防擦伤和防黏着。拉深非铁合金、碳素钢薄板时，应对模具表面进行氮化、镀铬或其他表面处理，批量较大时更应如此。拉深奥氏体不锈钢或高镍合金钢时，除对模具进行氮化处理外，有时采用铝青铜制造凹模。
为使模具承受较高的冲击载荷和表面具有更高的硬度和耐磨性，可采用镶块模具结构。镶块选用硬质合金YG15、YG20或钢结硬质合金GT35、DT40、TLMW50等制造。
此外，无磁冷作模具钢7Mn15Cr2Al3V2WMo在某些场合也有应用。
前述高速钢等也可用于冷作模具。部分冷作模具钢的牌号、热处理、力学性能和主要用途见表4－12、表4－13。
一般冷作模具钢的热处理及使用状态的组织同前述工具钢，多在淬火＋低温回火状态下使用。而对于Cr12、Cr12MoV等高碳高铬模具钢，常高温淬火后在510～520℃经多次回火以产生二次硬化，析出的碳化物能显著提高钢的耐磨性，其使用状态组织同刃具钢。此外，为提高耐磨性，部分含Cr、Mo等氮化物元素的钢种还常进行渗氮处理。
2）热作模具钢
热作模具钢是指用于制造热锻模、压铸模、热挤压模等使被加工材料在热态下成形的模具用钢。热作模具钢应具有较高的强度、良好的塑性和韧度、较高的热硬性和高的热疲劳抗力。
热作模具钢为中碳合金钢。中碳成分（wC为0.3%～0.6%）可保证较高的强度、硬度，合适的塑性、韧度及热疲劳抗力；Cr、Ni、Mn、Mo、W、V等合金元素可提高钢的淬透性、强度和回火稳定性，Mo可防止高温回火脆性，W、Mo、V还能产生二次硬化，提高钢的热硬性。部分热作模具钢的牌号、热处理、力学性能和主要用途见表4－13。
热作模具钢通常在淬火后中温或高温回火状态下（组织为回火屈氏体或回火索氏体）使用，也可为高硬度、高耐磨的回火马氏体基体（对某些专用模具钢），以获得较高的强度、硬度和良好的塑性、韧度。应该指出，4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiV1（H13）、4Cr5W2VSi以及3Cr3Mo3VNb等新型空冷硬化热作模具钢以其优良的性能，有取代传统热作模具钢的趋势。
此外，还有冷、热作兼用的热挤压模具钢5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al），耐高温腐蚀的奥氏体型热作模具钢如5Mn15Cr8Ni5Mo3V2、4Cr14Ni14W2Mo，或高温耐蚀热作模具钢2Cr9W2、2Cr12WMoVNbB，甚至硬质合金及高温合金TZM等都有一定的应用。
3）塑料模具钢
无论是热塑性塑料还是热固性塑料，其成形过程都是在加热加压条件下完成的。但一般加热温度不高（150～250℃），成形压力也不大（大多为40～200MPa），故与冷、热模具相比，塑料模用钢的常规力学性能要求不高。然而塑料制品形状复杂、尺寸精密、表面光洁，成形加热过程中还可能产生某些腐蚀性气体。因此，要求塑料模具钢具有优良的工艺性能（如切削加工性、冷挤压成形性和表面抛光性等）、良好的尺寸稳定性，较高的硬度（约45HRC）和耐磨、耐蚀性，以及足够的强韧性。
常用的塑料模具用钢包括各种工具钢、结构钢、不锈钢和耐热钢等。通常按模具制造方法分为两大类，即切削成形塑料模具用钢和冷挤压成形塑料模具用钢。
塑料模具钢还可分为渗碳塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐腐蚀型塑料模具钢、非调质塑料模具钢等五种。目前，用得最多的是渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢和时效硬化型塑料模具钢。
（1）渗碳型塑料模具钢 渗碳型塑料模具钢的碳质量分数一般在0.10%～0.25%的范围内，退火后硬度低、塑性好，冷加工硬化效应不明显，可用冷挤压的方法加工成模具型腔，也称冷压钢。成形后经渗碳、淬火、回火可获得较高的表面硬度。常用的钢号有DT1、20、20Cr、10Cr5、10Cr2NiMo、12CrNi2、12CrNi3A、12Cr2Ni4、18CrNiW、20Cr2Ni4、20CrNiMo及最近研制的LJ钢（0Cr4NiMoV）等。形状简单、尺寸小、多型腔的塑料模具最适合用冷挤压方法制造，可有效地缩短制造周期，减少制造费用，提高制造精度。
（2）预硬型塑料模具钢 预硬型塑料模具钢是调质处理到一定硬度（分别为10 HRC、20HRC、30HRC、40HRC四个等级）供货的钢材，有较好的切削加工性能，可直接进行型腔加工，加工后直接使用，不再进行热处理。因省略了热处理及后续的精加工，降低了成本，并缩短了制造周期。常用的预硬型塑料模具钢有3Cr2Mo（P20）、3Cr2NiMo（P4410）、40CrMnVBSCa（P20BSCa）、SM1（Y55CrNiMnMoV）钢等。预硬型塑料模具钢适用于制造成形批量大及有镜面要求的模具，硬度范围一般为32～40HRC。
（3）时效硬化型塑料模具钢 时效硬化型塑料模具钢适用于制造预硬化钢的强度满足不了要求，又不允许有较大热处理变形的模具。这种钢在调质状态进行切削加工，加工后通过数小时的时效处理，使硬度等力学性能大大提高，而时效处理的变形相当小，一般仅有0.01%～0.03%的收缩变形。若采用真空炉或辉光时效炉进行时效处理，则可在镜面抛光后再进行时效处理。时效硬化钢有低镍时效钢和马氏体时效钢两类。
我国现有的低镍时效硬化钢有25CrNi3MoAl、SM2（Y20CrNi3AlMnMo）、PMS（10Ni3MnCuAlMoS）、06Ni（06Ni6CrMoVTiAl）等。
（4）耐腐蚀型塑料模具钢 加工聚氯乙烯塑料、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品时，分解出的腐蚀性气体对模具有腐蚀作用，要求模具材料有一定的耐蚀性，为此需在模具表面镀铬或直接选用3Cr13、4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V、1Cr17Ni2、0Cr17Ni7Al等不锈钢，但Cr13系不锈钢的热处理变形较大，切削加工性能差，使用范围小。
（5）非调质塑料模具钢 非调质塑料模具钢在锻、轧后即可达到预硬化，不需再进行调质处理，有利于节约能源、降低成本、缩短生产周期。为改善其切削加工性，可加入P、S、Ca等提高切削性的元素。典型钢号有25CrMnVTiSGaRE（FT）、2Cr2MnMoVS和2Mn12CrVCaS等，其锻、轧空冷后得到下贝氏体，直径100mm的FT钢硬度可达到30～35HRC。
目前，塑料模具材料仍以模具钢为主，但根据成形工艺的不同，也可采用铍青铜（如ZCuBe2、ZCuBe2.4等）、铝合金、锌合金、钢结硬质合金、低熔点合金甚至塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料。
3.量具钢
量具钢是指用于制造各种测量工具（如卡尺、千分尺等）的钢。量具钢应具有高硬度、高耐磨性和高的尺寸稳定性。
量具钢无特别的钢种，多用高碳钢和高碳合金钢，很多碳素工具钢和合金刃具钢都可作为量具钢使用（见表4－13）。
低碳钢（如20钢）经渗碳、淬火及低温回火，中碳钢（如50钢）经表面淬火及低温回火后也可用于要求不太高的量具，如平样板、卡规等；要求高精度的量规、块规，如果尺寸不太大，可选用低合金工具钢CrWMn、9Mn2V或铬轴承钢GCr15；大尺寸且使用频繁、要求高耐磨性的量具，宜选用高合金工具钢（如Cr12）或高速钢制造。为了降低量具材料成本，也可采用镶块式结构，量具的基体和基座用时效处理后的铸铁制造，抗磨损镶块用淬硬的工具钢或硬质合金YG6、YG8制造。
为了提高量具的耐蚀性，一般对量具材料（如碳素钢或低合金钢等）进行镀铬、磷化或渗氮等表面处理。对表面处理后不易保证精度的量具（如千分表量杆镀铬层剥落，会影响齿条精度），应选用马氏体不锈钢（如9Cr18）制造，卡尺零件可采用马氏体不锈钢板3Cr13或4Cr13制造。
对碳素工具钢和合金工具钢制造的量具，通常在淬火和低温回火状态下使用；为获得高的尺寸稳定性，可在淬火后回火前进行冷处理，还可在精磨后进行时效处理。
4.滚动轴承钢
滚动轴承钢是指主要用于制造各类滚动轴承的内圈、外圈及滚动体的专用钢，常简称为轴承钢。滚动轴承钢应具有高的抗压强度和接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，同时应具有一定的韧度和耐蚀性。
滚动轴承钢的种类主要有高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢。
高碳铬轴承钢是使用最为广泛的滚动轴承钢，约占总量的90%，其碳的质量分数为0.95%～1.15%，以保证高强度、高硬度和高耐磨性；主加合金元素铬（wCr为0.40%～1.65%）的主要作用是提高钢的淬透性，并可形成合金渗碳体（FeCr）3C，以提高钢的强度、接触疲劳强度及耐磨性；加入硅（wSi＝0.40%）和锰（wMn＝1.20%）可进一步提高淬透性；其对硫、磷含量限制很严（wS≤0.020%，wP≤0.007%），以进一步保证接触疲劳强度，属高级优质钢。典型高碳铬轴承钢有GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等（注:仅Cr的质量分数以千分之几计）。其中以GCr15最为常用，主要用于制造中小型滚动轴承的内、外套圈及滚动体；而偏后者的淬透性高些，适于制造更大型的轴承。
由于GCr15等高碳铬轴承钢的成分、性能特点与低合金工具钢相似，也常用于制造量具、冷作模具、精密丝杠等，所用加工工艺路线也相同，一般也在淬火后低温回火状态下使用，组织也为极细的回火马氏体＋细粒状碳化物＋少量残余奥氏体。而对于精密轴承还常在淬火后立即进行一次冷处理（－60～－80℃），并在随后的低温回火和磨削加工后进行低温时效处理，以进一步减少残留奥氏体和应力，保证尺寸稳定。
此外，还生产有高碳无铬轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等，由于加入了钼、钒及稀土，其性能与GCr15接近，耐磨性甚至还有所提高。
对于承受较大冲击的大中型滚动轴承，常用渗碳轴承钢制造，其主要牌号有G20CrMn、G20Cr2Ni4A、G20Cr2Mn2MoA等；对要求耐腐蚀的滚动轴承可用不锈轴承钢9Cr18、9Cr18Mo甚至1Cr18Ni9Ti来制造；而耐高温的轴承可用高碳的Cr4Mo4V、CrSiWV、高铬的马氏体不锈钢Cr14Mo4V、高速钢W6Mo5Cr4V2或渗碳钢12Cr2Ni3Mo5A来制造。
5.典型工具钢——高速钢的加工工艺路线及热处理特点
1）高速钢刀具常用的加工工艺路线
下料─→锻造─→退火─→机械加工─→淬火＋回火─→磨削加工─→表面处理
2）典型高速钢刀具热处理实例
名称:直径φ60mm拉刀（见图4－2），材料:W6Mo5Cr4V2。
图4－2 W6Mo5Cr4V2拉刀
技术要求:刃部硬度为63～66HRC，柄部硬度为40～52HRC；碳化物级别不大于5级，淬火后晶粒度级别为9.5～11号。其预先热处理工艺见图4－3，最终热处理工艺见图4－4。
图4－3 W6Mo5Cr4V2的等温退火工艺曲线
图4－4 W6Mo5Cr4V2的最终热处理工艺曲线
最终热处理工艺路线:
预热（二次）→加热→冷却（淬火）→热校直→清洗→回火→热校直→回火→热校直→柄部处理→清洗→检验（硬度和变形量）→表面处理或喷砂。
表面处理（如硫化处理、硫氮共渗、TiC及TiN涂层等）可进一步提高高速钢刀具寿命。
3）锻造及热处理特点
（1）锻造特点 因其含较多的合金元素及碳，不仅使相图中的E点明显左移，而且使C曲线明显右移，其铸态组织为含有大量粗大鱼骨状共晶碳化物和树枝状马氏体与屈氏体组成的亚共晶组织，属于莱氏体钢。此组织不仅脆性大，而且很难用热处理消除掉。由于它们的存在，不仅造成刀具在使用中崩刃和磨损，并且在热处理过程中容易过热和过烧。因此，高速钢锻造的目的不仅在于成形，更重要的是击碎莱氏体中粗大的碳化物，以获得碳化物细小均匀分布的刀具锻造毛坯。
（2）预先热处理特点 高速钢的退火与碳素工具钢相似，也属于不完全退火或球化退火。退火温度为Ac1以上30～50℃（840～860℃），在此温度下，碳化物未全部溶入奥氏体，最终获得共晶碳化物（已锻造细化）＋索氏体球化组织，以降低硬度，利于切削加工，并为淬火作组织准备。W6Mo5Cr4V2钢退火后硬度为229～269 HBS。
（3）最终热处理特点 高速钢的淬火、回火工艺特殊、复杂而且十分重要，必须予以重视，严格控制，具体要点如下。
①淬火加热温度较高。为了保证高速钢的热硬性，淬火加热时应有足量的合金元素（如W、Mo、V等）溶入奥氏体，才能在淬火、回火后析出较多的弥散分布的合金碳化物，产生明显的二次硬化效果。高速钢中的W、Mo、V等元素的碳化物稳定性较高，只有在加热温度超过1 160℃时才能较多地溶入奥氏体。
②高速钢属高碳高合金工具钢，塑性及热导性差，并且淬火加热温度高，因此淬火加热前必须预热。一般刀具可用一次中温（800～850℃）预热；大型或形状复杂的刀具，用中、低温（500～550℃）两次预热，可减少温差和热应力，预防变形和开裂。
③多采用盐浴分级淬火，以避免淬火变形和开裂。有时为进一步减小淬火变形、提高韧度，也采用多次分级或分级淬火后再在240～280℃进行贝氏体等温淬火。
④淬火后采用多次“高温”回火。一般在560℃左右回火（对高速钢而言仍属低温回火），且重复三次。其原因是:高速钢淬火后残余奥氏体量达20%～25%，需要在560℃回火三次才能逐步减少残余奥氏体到合适量；此外，经550～570℃回火后，因产生二次硬化而使硬度和强度最高，塑性和韧度也有较大的改善。
同所有高碳工具钢一样，高速钢使用状态组织一般为回火马氏体＋粒状碳化物＋少量残余奥氏体。
4.3.2 不锈钢
1.不锈钢耐蚀的主要原因
不锈钢是指在自然环境或一定工业介质中耐腐蚀（电化学腐蚀及化学腐蚀）的钢种，是典型的耐蚀合金。它是在碳钢基础上加入Cr、Ni、Si、Mo、Ti、Nb、Al、N、Mn、Cu等形成的。其中铬是保证“不锈”的主要元素，当呈原子态溶入钢中的铬含量达一定量（wCr＞12%）时，不仅使基体电极电位大大提高（即使化学稳定性提高），从而减小了腐蚀原电池形成的可能性，而且在氧化性介质中还会使钢表面快速形成致密、稳定、牢固的Cr2O3膜，以减小或阻断腐蚀电流（这是耐蚀的主要原因）；并且一定量的铬（或与其他元素配合）可使钢在室温下形成单相铁素体或奥氏体，而不利于腐蚀原电池的产生，可进一步提高耐蚀性。
由于Cr为强碳化物形成元素，易与碳反应而使溶入基体中原子态的Cr含量降低，甚至低于12%，所以钢中碳越少、Cr越多，则越耐蚀（但却使强度、硬度有所降低）。为此，大多数不锈钢碳的质量分数均很低。特别地，Cr2O3膜易受氯等卤族元素的离子穿透及破坏，同时铬在非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸等）和碱中钝化能力较差，会使不少不锈钢在含此类离子的介质中易产生点蚀、应力腐蚀、晶界腐蚀等。而含一定量Mo、Nb、Ti等碳化物或金属化合物形成元素的不锈钢或更多Cr和Ni的不锈钢及双相不锈钢，则耐蚀性有所提高，强度也有所增加。在非氧化性酸中工作的部件，可选含一定量Mo、Cu的及高镍的钢种；在含卤族离子介质中的部件，可选含Mo、N、Si的和高铬的钢种以抗点蚀；抗应力腐蚀的则可选含硅较高或含铜及超低碳的奥氏体不锈钢、双相不锈钢、高纯高铬的铁素体不锈钢等。
2.常用不锈钢
不锈钢按热处理后组织的不同，分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型、奥氏体－铁素体型和沉淀硬化型五种（GB/T 1220—1992）。
1）马氏体不锈钢
这类钢的碳含量范围较宽（wC＝0.1%～1.0%），铬含量wCr＝12%～18%。由于合金元素单一，故此类钢只在氧化性介质中（如大气、海水、氧化性酸等）耐蚀，而在非氧化性介质中（如盐酸、碱溶液等）因达不到良好的钝化而使耐蚀性很低。钢的耐蚀性随铬含量的降低和碳含量的增加而受到损害，但其强度、硬度和耐磨性则随碳的增加而增高。
常见的此类钢有低、中碳的Cr13型（如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等）和高碳的Cr18型（如9Cr18、9Cr18MoV等）。此类钢的淬透性良好，即空冷或油冷便可得到马氏体，锻造后须经退火处理来改善其切削加工性。工程上，一般将1Cr13、2Cr13进行调质处理，得到回火索氏体组织，作为耐蚀结构零件使用（如螺栓、汽轮机叶片、水压机阀等）；而对3Cr13、4Cr13及9Cr18进行淬火＋低温回火处理，获得回火马氏体，用以制造高硬度、高耐磨性和一定耐蚀性结合的零件或工具（如医疗器械、量具、塑料模、滚动轴承、餐刀、弹簧等）。马氏体不锈钢与其他类型不锈钢相比，具有价格最低、可热处理强化（即强度、硬度较高）的优点，但耐蚀性较低，塑性加工与焊接性能较差。
2）铁素体不锈钢
这类钢的碳含量较低（wC＜0.15%）、铬含量较高（wCr为12%～13%），因而耐蚀性优于马氏体不锈钢。此外，Cr是铁素体形成元素，致使此类钢从室温到高温（1 000℃左右）均为单相铁素体，这进一步改善了耐蚀性，但却使其不可进行热处理强化，故强度与硬度低于马氏体不锈钢，而塑性加工、切削加工和焊接性较好。为了进一步提高其在非氧化性酸中的耐蚀性（如点蚀、应力腐蚀等），也加入Mo、Ni、Ti、Cu等其他合金元素（如1Cr17Mo2Ti）或提高纯净度（如000Cr25Mo1）。铁素体不锈钢一般是在退火或正火状态下使用。此类钢在氧化性介质如硝酸中有很高的耐蚀性，并且对应力腐蚀敏感性比一般奥氏体不锈钢低，因此，其主要用于对力学性能要求不高，而对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，如耐硝酸、有机酸及其盐、碱、硫化氢、磷酸的结构和抗高温氧化结构，也常用于装饰型材及厨具等方面。
常用的此类钢有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。热处理、焊接或锻造时应注意的主要问题是其脆性问题（如晶粒粗大导致的脆性，σ相析出脆性，475℃脆性等）。
铁素体不锈钢的成本虽略高于马氏体不锈钢，但因其不含贵金属元素Ni，故其价格远低于奥氏体不锈钢，应用仅次于奥氏体不锈钢。
3）奥氏体不锈钢
这类钢原是在Cr18Ni8（简称18－8）基础上发展起来的，具有低碳（绝大多数wC＜0.12%），高铬（wCr＞17%～25%）和较高镍（wNi＝8%～29%）的成分特点。由此可知，此类钢具有最佳的耐蚀性，对苛性碱（熔融碱除外）、硫酸及硝酸盐、硫化氢、磷酸、醋酸、大多数无机酸及有机酸、100℃以下的中低浓度硝酸及850℃以下高温空气环境耐蚀性很好，并有良好抗氢、氮能力，而对还原性介质如盐酸、稀硫酸则不太耐蚀。Ni的存在使钢在室温下为单相奥氏体组织，这进一步改善了钢的耐蚀性，并且还赋予了奥氏体不锈钢优良的低温韧度、高的加工硬化能力、耐热性和无磁性等特性，其冷塑性加工性和焊接性能较好，但切削加工性差。其在化工设备、装饰型材等方面应用广泛。
这类钢典型牌号有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2等。加入Mo、Cu、Si等合金元素，可显著改善不锈钢在非氧化性酸等介质中的耐蚀性（因Cr在其中的钝化能力较差），如00Cr17Ni12Mo2。因Mn、N与Ni同为奥氏体形成元素，为了节约Ni资源，国内外研制了许多节镍型和无镍型奥氏体不锈钢（如1Cr17Mn9、0Cr17Mn13Mo2N和1Cr18Mn10Ni5Mo3N等，而Mn、N的加入还提高了其在有机酸中的耐蚀性），无镍铬的奥氏体不锈钢（如Mn30Al10Si等）。因奥氏体不锈钢的切削加工性较差，为此还发展了改善切削加工性的易切削不锈钢（如Y1Cr18Ni9Se等）。
一类高钼含氮的奥氏体不锈钢（如00Cr20Ni18Mo6N等）常称为超级奥氏体不锈钢，其除在还原性介质中有优良的耐蚀性外，还有好的抗应力腐蚀、点蚀与缝隙腐蚀的能力。
一些奥氏体不锈钢退火组织为奥氏体＋碳化物，该组织不仅强度低，而且耐蚀性也有所下降。为使耐蚀性得到保证，必须进行固溶处理——高温加热使碳化物溶解，再快速冷却得单相奥氏体的组织。但其强度较低（σb≈600MPa），强度潜力未充分发挥。奥氏体不锈钢虽然不可热处理（淬火）强化，但因其具有强烈的加工硬化能力，故可通过冷变形方法使之显著强化（σb升至1 200～1 400MPa），随后必须进行去应力退火（300～350℃加热空冷），以防止应力腐蚀现象。
4）双相不锈钢
主要指奥氏体－铁素体双相不锈钢，它是在Cr18Ni8的基础上调整Cr、Ni含量，并加入适量的Mn、Mo、W、Cu、N、Si等合金元素，通过加热到1 000～1 100℃淬火（韧化处理）而形成奥氏体和铁素体双相组织。双相不锈钢兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，如良好的韧度、焊接性能、较高的屈服强度（σs≥350MPa），但抗应力腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、氯化物腐蚀及焊缝热裂能力大为提高。常用典型双相不锈钢有00Cr22Ni5Mo3N、0Cr21Ni6Mo2Ti、1Cr18Mn10Ni5Mo3N、00Cr18Ni5Mo3Si2N等，主要用于管道系统、阀门、热交换器、压力容器等。
5）沉淀硬化不锈钢（PH不锈钢）
奥氏体不锈钢虽可通过冷变形予以强化，但对尺寸较大、形状复杂的零件，冷变形强化的难度较大，效果欠佳。为了解决这些问题，在各类不锈钢中单独或复合加入硬化元素（如Ti、Al、Mo、Nb、Cu等），并通过适当的热处理（固溶处理后再时效处理，促使析出金属间化合物，从而在马氏体和奥氏体基体上产生沉淀硬化），而获得高的强度（σb＝1 000～1 500MPa）、高的韧度并具有较好的耐蚀性，这就是沉淀硬化不锈钢。包括马氏体沉淀硬化不锈钢（由Cr13型不锈钢发展而来，如0Cr17Ni4Cu4Nb）、奥氏体沉淀硬化不锈钢（如0Cr15Ni20Ti2MoAlVB）、奥氏体－马氏体沉淀硬化不锈钢（由18－8型不锈钢发展而来，如0Cr17Ni7Al）等。与18－8型不锈钢相比，其耐蚀性稍差或相当，对应力腐蚀较敏感，常用于腐蚀条件不太苛刻但要求耐磨、耐冲刷的泵、阀、轴、反应器结构或零件，也可作为超高强钢使用。
此外，还有适应海洋工程而开发的铁素体时效不锈钢（如00Cr26Ni6－Mo4Cu1Ti）、马氏体时效不锈钢（如00Cr10Ni10Mo2AlTi）等。
为了解决一般不锈钢无法解决的工程腐蚀问题，在化工设备及管道工程上还应用了镍（纯镍N2、N4、N6）及镍基耐蚀合金，如Ni－Cu（Monel 400即Ni70Cu28Fe）、Ni－Cr（Inconel 600即0Cr15Ni75Fe）、Ni－Mo（NS322即00Ni70Mo28或Hastelloy B－2Hastelloy）型等。Ni－Cu及Ni－Mo合金在还原性介质中具有良好的耐蚀性，但在氧化性介质中耐蚀性较差，而Ni－Cr合金则刚好相反。我国耐蚀合金以拼音字母“NS”加三位数字表示，如NS322。镍及其合金价格高，多用于一般材料不宜胜任的氯碱、热碱等石油化工及高温耐蚀的容器、管道、阀门等。
4.3.3 耐热钢
金属长时间在高温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形即发生蠕变，此时应选用耐热钢等高温结构材料。
耐热钢是指用于制造在高温条件下使用的零件或构件的钢。耐热钢应具有良好的抗氧化能力和高温强度。而评定高温强度的指标有持久强度和蠕变极限两项指标。
1.提高钢耐热性的方法
耐热钢多为中碳合金钢、低碳合金钢（wC较高则使塑性、抗氧化性、焊接性及高温强度下降），所含合金元素主要有Cr、Ni、Mn、Si、Al、Mo、W、V等，这些合金元素均可产生固溶强化作用:其中的Cr、Si、Al在高温下可被优先氧化形成致密的氧化膜，将金属与外界氧气隔离，避免氧化的进一步发生；Mo、V、W、Ti等元素可与碳结合形成稳定性高、不易聚集长大的碳化物，起弥散强化作用。同时，这些元素大多数可提高钢的再结晶温度，增大基体相中原子之间的结合力，提高晶界强度，从而提高钢的高温强度。如含少量稀土（RE）元素，则会使性能进一步提高。
2.常用耐热钢
按使用特性不同，耐热钢分为抗氧化钢和热强钢；按组织不同，耐热钢又可分为铁素体类耐热钢（又称α－Fe基耐热钢，包括珠光体钢、马氏体钢和铁素体钢）和奥氏体类耐热钢（又称γ－Fe基耐热钢），详见GB 1221—1992。
1）珠光体热强钢
此类钢在正火状态下的组织为细片珠光体＋铁素体，用于350～600℃以下工作的耐热构件。其碳含量为低、中碳（wC＝0.10%～0.40%），典型钢种有:①低碳珠光体钢（如15CrMo、12Cr1MoV），具有优良的冷热加工性能，主要用于锅炉管线等（故又称锅炉管子用钢），常在正火状态下使用；②中碳珠光体钢（如35CrMo、35CrMoV等），在调质状态下使用，具有优良的高温综合力学性能，主要用于耐热的紧固件和汽轮机转子（主轴、叶轮）等，故又称紧固件及汽轮机转子用钢。钢中加入铬主要是提高抗氧化性，加入钼、钒则是为了提高高温强度。
2）马氏体热强钢
此类钢淬透性良好，空冷即可形成马氏体，常在淬火＋高温回火状态下使用。包括两小类:①低碳高铬型，它是在Cr13型马氏体不锈钢基础上加入Mo、W、V、Ti、Nb等合金元素而形成，常用牌号有1Cr11MoV、1Cr12WMoV等，因这种钢还有优良的消振性，最适宜制造工作温度在600℃以下的汽轮机叶片，故又称叶片钢；②中碳铬硅钢，常用牌号有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，经调质处理后有良好的高温抗氧化性和热强性，还有较高的硬度和耐磨性，最适合于制造工作温度在750℃以下的发动机排气阀，故又称气阀钢（其中含钼的还不易产生回火脆性）。
3）奥氏体热强钢
此类钢是在奥氏体不锈钢的基础上加入了热强元素W、Mo、V、Ti、Nb、Al等，它们强化了奥氏体并能形成稳定的特殊碳化物或金属间化合物，具有比珠光体热强钢和马氏体热强钢更高的热强性和抗氧化性。此外，还有高的塑性、韧度及良好可焊性、冷塑性成形性。常用牌号有1Cr18Ni12Ti、1Cr18Ni9Ti、4Cr14Ni14W2Mo等，主要用于工作温度高达800℃的各类紧固件与汽轮机叶片、发动机气阀，使用状态为固溶处理状态或时效处理状态。
工作温度达到900～1 050℃的汽轮机叶片和导向片等，可使用镍基、钴基、钼基高温合金。当工作温度升至1 050℃以上时，就要使用以高温合金为基的复合材料，甚至要使用工程陶瓷。
4）铁素体型抗氧化钢
这类钢是在铁素体不锈钢的基础上加入了适量的Si、Al而发展起来的。其特点是抗氧化性强，但高温强度低、焊接性能差、脆性较大。常分为四小类:①低中Cr型，如1Cr3Si、1Cr6Si2Ti，工作温度800℃以下；②Cr13型，如1Cr13SiAl，工作温度800～1 000℃；③Cr18型，如1Cr18Si2，工作温度1 000℃左右；④Cr25型，如1Cr25Si2，工作温度1 050～1 100℃。主要用于受力不大的炉用构件。
5）奥氏体型抗氧化钢
这类钢是在奥氏体不锈钢的基础上加入适量的Si、Al等元素而发展起来的。其特点是比铁素体钢的热强性高，铸造和焊接性较好。典型钢号有Cr－Ni型（如3Cr18Ni25Si2，工作温度1 100℃）、节Ni型（如2Cr20Mn9Ni2Si2N及3Cr18Mn12Si2N，工作温度850～1 050℃）及无Cr－Ni型（如6Mn18Al5Si2Ti及6Mn28Al9TiRE，工作温度低于1 000℃）。奥氏体抗氧化钢多在铸态下使用（此时为铸钢，如ZG3Cr18－Ni25Si2），也可制作锻件。
特别要指出的是，不少抗氧化钢及热强钢在应用中并无严格区别。
4.3.4 耐磨钢
常用的耐磨料有四大类:合金钢（低合金钢和工具钢）、高锰钢、抗磨铸铁和硬质合金。
耐磨钢是指用于制造耐磨料磨损件的特殊钢种，习惯上是指在强烈冲击磨损下会发生冲击硬化而具有高耐磨耐冲击的高锰钢。
此钢成分特点是高碳（wC＝0.90%～1.50%）、高锰（wMn＝11%～14%）。其铸态组织为粗大的奥氏体＋晶界析出碳化物，此时脆性很大，耐磨性也不高，不能直接使用。经固溶处理（1 060～1 100℃高温加热、快速水冷）后可得到单相奥氏体组织，此时韧度很高（故又称“水韧处理”）。高锰钢固溶状态下硬度虽然不高（≤200 HBS），但当其受到高的冲击载荷和高应力摩擦时，表面发生塑性变形而迅速产生强烈的加工硬化，并诱发产生一定量的马氏体，从而形成硬（＞500HBW）而耐磨的表面层，心部仍为高韧度的奥氏体。随着硬化层的逐步磨损，新的硬化层不断向内产生、发展，故总能维持良好的耐磨性（永远表硬心韧）。而在低冲击载荷和低应力摩擦下，高锰钢的耐磨性并不比相同硬度的其他钢种高。因此，高锰钢主要用于耐磨性要求特别好并在高冲击与高压力条件下工作的零件，如坦克、拖拉机、挖掘机的履带板，破碎机牙板，铁路道岔等。
高锰钢的加工硬化能力极强，故冷塑性加工性能和切削加工性能较差；且又因其热裂纹倾向较大、导热性差，故焊接性能也不佳。一般而言，大多数高锰钢零件都是铸造成形的。
常用高锰钢基本牌号为ZGMn13，含有钼或稀土元素的高锰钢，则使耐磨性大大提高。
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