К группе углеродистых инструментальных сплавов относятся стали У7(У7А), У8(У8А), У9(У9А), У10(У10А), У11(У11А), У12(У12А), У13(У13А). Углеродистые стали применяют для изготовления:
· деревообрабатывающих инструментов: топоров, пил, ножей, сверл и других;
· металлорежущих инструментов: фрез, свёрл, метчиков, развёрток, зенкеров, шаберов, напильников, ножовочных полотен и др.;
· инструментов, работающих в ударном и ударно-режущем режимах: зубил, кернеров, бородков и др.;
· бритвенных ножей.

Температура закалки инструментальных сталей несколько выше Ас₃ или Ас₁, но ниже Асm. Ввиду их небольшой прокаливаемости закалку проводят в воде или водных растворах щелочей, что создает опасность коробления и возникновения трещин. Мелкий инструмент для уменьшения деформации охлаждают в горячих средах. Для снятия внутренних напряжений и сохранения высокой твёрдости проводят отпуск.

Углеродистые стали в качестве режущего инструмента используются для обработки относительно мягких материалов и с небольшой скоростью, поскольку теплостойкость этих сталей низкая – до 200 °С.

Низколегированные нетеплостойкие углеродистые стали марок Х, 11Х, 9ХС, 9ХФ, 11ХФ, 13ХФ, ХВГ, ХВСГ и другие по сравнению с углеродистыми обладают повышенной прокаливаемостью, обусловленной значительной устойчивостью переохлаждённого аустенита, и закаливаемостью. Это позволяет выполнять охлаждение при закалке в масле и горячих средах и, следовательно, значительно уменьшить деформацию инструмента. Низколегированные углеродистые стали используются для изготовления тех же видов инструмента, что и углеродистые, но большего сечения и длины. Инструмент сохраняет высокую твёрдость при нагреве до 200–250 °С.

Быстрорежущие стали широко используются для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания в тяжёлых условиях. Различают стали умеренной, повышенной и высокой теплостойкости, сохраняющие твёрдость 60 HRC после нагрева до температур 600–625, 630–650 и 700–725 °С соответственно. Умеренной теплостойкостью обладают стали Р12, Р18, Р8М3, Р6МК, повышенной – стали Р12Ф3, Р8М3К6С, Р9М4К8Ф, Р12Ф4К5, Р6М5К5. Стали с умеренной и повышенной теплостойкостью относятся к сталям с карбидным упрочнением. Представителем стали высокой теплостойкости является быстрорежущая сталь марки В11М7К23 (ЭП 831), в обозначении которой символ «P» отсутствует. Кроме вольфрама, молибдена и кобальта, сталь содержит до 0,5 % Cr, 0,4–0,8 % V и 0,1–0,2 % Nb и 0,05–0,15 % С, т. е. сталь практически безуглеродистая. Эта сталь, как и стали ВЗМ12К23 и В14М7К25, относится к сталям с интерметаллидным упрочнением.

Термическая обработка быстрорежущих сталей умеренной и повышенной теплостойкости состоит в отжиге, закалке и последующем отпуске. Отжиг проводят после ковки при 860–880 °С с целью снижения твёрдости, улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке. После отжига структура представляет собою легированный феррит с включением сложных избыточных карбидов.

В зависимости от марки стали, закалку осуществляют с температур 1 200–1 280 °С, т. е. очень высоких температур, что необходимо для более полного растворения карбидов и получения высоколегированного аустенита. Это обеспечивает после закалки получение легированного мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью. При высокой температуре закалки избыточные карбиды препятствуют росту зерна и структура быстрорежущей стали сохраняется мелкозернистой.

Поскольку высоколегированный аустенит характеризуется большой устойчивостью, охлаждающей средой служит чаще всего масло. С целью уменьшения деформации инструментов проводят ступенчатую закалку в расплавленных солях. Структура закалённой быстрорежущей стали представляет высоколегированный мартенсит, содержащий
0,3–0,5 % С, нерастворённые карбиды и остаточный аустенит, который понижает режущие свойства инструмента.

После закалки при температуре 550–600 °С проводят отпуск (обычно трёхкратный). Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов. Благодаря этому твёрдость увеличивается (так называемая вторичная твёрдость).

Термообработка быстрорежущих сталей высокой теплостойкости с интерметаллидным упрочнением несколько отличается от термообработки сталей с карбидным упрочнением. Структура в отожжённом состоянии – феррит и интерметаллиды (Fe, Со)₇(W, Мо)₆, твёрдость – 32–36 НRС. Подобно карбидам быстрорежущих сталей частицы интерметаллидов при высоком нагреве под закалку препятствуют росту зёрен.

В процессе закалки часть интерметаллидов переходит в твёрдый раствор. Структура в закалённом состоянии представляет легированный феррит, содержащий избыточные интерметаллиды. Твёрдость после закалки невысокая – 40–45 НRС. Однако упрочняющий эффект в результате выделения интерметаллидов при дисперсионном твердении значительно больше, чем у сталей с карбидным упрочнением. Твёрдость после отпуска увеличивается до 68–69 HRС. Интервалы температур закалки и отпуска у сталей с интерметаллидным упрочнением более широкие, чем у сталей с карбидным упрочнением. После закалки стали не сохраняют остаточного аустенита, что позволяет проводить однократный отпуск вместо трёхкратного для быстрорежущих сталей с карбидным упрочнением.

Методами порошковой металлургии созданы высококачественные быстрорежущие стали Р6М5ФЗ-МП, Р6М5К5-МП, Р9М4К8-МП и другие, карбидостали марок Р6М5К5 + 20 % ТiС, РЗМЗФЗ + 20 % ТiС с твёрдостью после термической обработки
67–71 HRC.

Применение быстрорежущих сталей позволяет в 10–30 раз повысить стойкость инструментов и в 2–4 раза повысить скорость резания по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.