工具鋼是如何熱處理

工具鋼是指特別適合制成工具的各種碳鋼和合金鋼。它們的適用性來自它們獨特的硬度、耐磨性、保持切削刃的能力和/或它們在高溫下的抗變形性（紅硬性）。工具鋼一般在熱處理狀態下使用。

金屬分組的示意圖

碳含量介于 0.7% 和 1.5% 之間的工具鋼在嚴格控制的條件下制造，以達到所需的質量。錳含量通常保持在較低水平，以最大限度地減少水冷過程中開裂的可能性。然而，對這些鋼進行適當的熱處理對于獲得足夠的性能很重要，并且有許多供應商提供用于油淬的模具毛坯。

工具鋼被制成多種牌號以用于不同的應用。牌號的選擇取決于是否需要鋒利的切削刃（如沖壓模具），或者工具是否必須承受沖擊載荷和使用手動工具（如斧頭、鎬和采石工具）遇到的使用條件。通常，預期使用下的邊緣溫度是組成和所需熱處理的重要決定因素。高碳等級通常用于沖壓模具、金屬切削工具等應用。

工具鋼通常以退火狀態提供，大約為200/250布氏硬度（約20 HRC），以方便加工。在這種情況下，大部分合金成分以合金碳化物的形式存在，分散在整個軟基體中。這些鋼必須經過熱處理才能發揮其特有的性能。熱處理工藝改變了合金的分布，并將軟基體轉變為能夠承受金屬成型中固有的壓力、磨損和沖擊的硬基體。熱處理循環的每一步都旨在執行特定的功能，就像鏈條中的鏈接一樣，最終產品的好壞取決于其最關鍵的部分。雖然它可能只占工具成本的10%或更少，但熱處理過程可能是決定工具鋼性能的最重要的因素。

預熱

工具鋼的預熱或緩慢加熱有兩個重要的好處。首先，大多數工具鋼對熱沖擊很敏感。溫度突然升高1500/2000°F可能會導致工具鋼開裂。其次，當工具鋼從提供的退火顯微組織轉變為高溫結構奧氏體時，它們的密度或體積會發生變化。

如果這種體積變化發生不均勻，則會導致工具不必要的變形，尤其是在截面差異導致工具的某些部分在其他部分達到所需溫度之前發生變形的情況下。工具鋼應該預熱到剛好低于這個臨界轉變溫度，然后保持足夠長的時間以使整個橫截面達到均勻的溫度。當幾何形狀或截面尺寸的差異可能導致工具的某些部分在其他部分達到目標溫度之前發生變形時，這個問題尤其明顯。

奧氏體化

一般來說，較高的溫度允許更多的合金擴散，從而允許稍高的硬度和強度。在奧氏體化溫度下的浸泡時間通常非常短——一旦工具達到溫度，大約在一到五分鐘。大多數工具鋼的有用合金含量以退火鋼中的碳化物顆粒形式存在。該合金含量在硬化或奧氏體化溫度下至少部分擴散到基體中。

工具鋼

實際使用的溫度主要取決于鋼的化學成分。高溫允許更多的合金擴散，允許稍微更高的硬度或抗壓強度。使用的保持時間取決于溫度。合金的擴散在較高溫度下發生得更快，并且均熱時間相應地減少。

工具鋼顏色與溫度

選擇的奧氏體化溫度很大程度上取決于鋼的合金含量。包括硬度、拉伸強度、晶粒尺寸等在內的目標特性也會影響選擇的溫度。更高的溫度允許更多的合金擴散，這通常允許更高的硬度。（這是真的，只要溫度不超過鋼的初始熔化溫度。）如果使用較低的奧氏體化溫度，則合金向基體中的擴散會減少。

淬火

工具鋼必須冷卻多快，以及在何種類型的淬火介質中完全硬化，取決于化學成分。高合金工具鋼以較慢的淬火速率發展出完全硬化的特性。無論工具鋼如何淬火，所產生的馬氏體組織都非常脆，并且承受著很大的應力。即使在室溫下保持不動，一些工具鋼也會在這種情況下自發開裂。鋼必須冷卻到完全硬化的速度取決于化學成分。一般來說，低合金鋼必須在油中淬火，以便冷卻得足夠快。較高的合金含量使鋼能夠以較慢的淬火速率發展出完全硬化的特性。空氣硬化鋼冷卻更均勻，因此與油硬化鋼相比，變形和開裂風險更小。

簡化的 Fe-C 相圖

無論工具鋼如何淬火，產生的馬氏體組織都非常脆，并承受很大的應力。如果在這種情況下投入使用，大多數工具鋼都會破碎。即使在室溫下保持不動，一些工具鋼也會在這種情況下自發開裂。這個過程稱為淬火。通常，低合金鋼如 01 必須在油中淬火以足夠快地冷卻。合金含量較高的鋼可以通過較慢的淬火過程獲得完全硬化的性能。

回火

進行回火以消除在淬火過程中形成的脆性馬氏體的應力。大多數鋼具有相當寬的可接受回火溫度范圍。通常，使用最高回火溫度，這將為工具提供必要的硬度。加熱到回火溫度和從回火溫度冷卻的速度并不重要。在回火之間和回火后，應讓材料完全冷卻至室溫 (50/75°F) 或更低。大多數鋼具有相當寬的可接受回火溫度范圍。通常，使用能夠為工具提供必要硬度的最高回火溫度。

工具鋼 - 硬度與回火溫度

加熱到回火溫度和從回火溫度冷卻的速度通常并不重要。多次回火是典型的，特別是對于許多更復雜的工具鋼（例如 M 系列和 H 系列），需要兩次甚至三次回火才能將殘余奧氏體完全轉變為馬氏體。這些鋼在第一次回火后達到最大硬度，被稱為二次硬化鋼。二次或三次回火的目的是將硬度降低到所需的工作水平，并確保回火中奧氏體轉變形成的任何新馬氏體得到有效回火。 回火是為了軟化淬火過程中產生的馬氏體. 通過進行二次回火，這種新的馬氏體被軟化，從而減少了開裂的機會。

退火

工具鋼通常以退火狀態提供給客戶，其典型硬度值約為 200-250 布氏硬度 (? 20 HRC)，以方便加工和其他操作。這對于發生部分或完全空氣硬化的鍛造工具和模具尤為重要，從而導致內部應力的積累。可能需要重新硬化的模具和工具必須進行退火。完全退火包括將鋼緩慢且均勻地加熱到高于臨界溫度 (Ac3) 的溫度并進入奧氏體范圍，然后保持直至完全均勻化。加熱后的冷卻按照上海墨鉅特殊鋼針對所涉及的工具鋼牌號推薦的特定速率進行仔細控制。

尺寸變化

該熱處理過程中不可避免的工具尺寸的增加導致他們的微觀結構的變化。大多數工具鋼在熱處理過程中每英寸原始長度增長約0.0005至0.002英寸。這在一定程度上基于許多理論和實踐因素而有所不同。

在某些情況下，變量的組合，包括高合金含量、長奧氏體化時間或高溫、過早停止淬火過程、回火之間冷卻不充分或過程中的其他因素，可能會導致某些高溫組織，奧氏體，在室溫下保留。換句話說，在正常淬火過程中，組織并未完全轉變為馬氏體。

這種殘余奧氏體狀態通常伴隨著意外的尺寸收縮，有時還伴隨著吸磁能力下降。這種情況通常可以簡單地通過將工具暴露在低溫下來糾正，如在低溫或冷藏處理中，以促進馬氏體轉變的完成。

深度冷凍

對于大多數工具鋼，殘余奧氏體是非常不受歡迎的，因為其隨后轉化為馬氏體會導致尺寸（體積）增加，從而產生內應力并導致使用中過早失效。通過深度冷凍至 -120°F (-85°C) 或在某些情況下低溫冷卻至 -320°F (-195°C)，殘余奧氏體發生轉變。新形成的馬氏體與原始的淬火組織相似，必須進行回火。由于擔心開裂，通常在回火前進行深凍，但有時會在多次回火之間進行。

由于多種原因，殘留奧氏體可能是不受歡迎的。通過將鋼冷卻到低溫（低于零）溫度，這種殘余奧氏體可能會轉變為馬氏體。新形成的馬氏體與原始的淬火組織相似，必須進行回火。低溫處理應包括冷凍后的回火。