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(lái)自它們獨(dú)特的硬度、耐磨性、保持切削刃的能力和/或它們?cè)诟邷叵碌目棺冃涡裕t硬性）。工具鋼一般在熱處理狀態(tài)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(yán)格控制的條件下制造，以達(dá)到所需的質(zhì)量。錳含量通常保持在較低水平，以最大限度地減少水冷過(guò)程中開(kāi)裂的可能性。然而，對(duì)這些鋼進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚韺?duì)于獲得足夠的性能很重要，并且有許多供應(yīng)商提供用于油淬的模具毛坯。

工具鋼被制成多種牌號(hào)以用于不同的應(yīng)用。牌號(hào)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(dòng)工具（如斧頭、鎬和采石工具）遇到的使用條件。通常，預(yù)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(jí)通常用于沖壓模具、金屬切削工具等應(yīng)用。

工具鋼通常以退火狀態(tài)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(gè)軟基體中。這些鋼必須經(jīng)過(guò)熱處理才能發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)槟軌虺惺芙饘俪尚椭泄逃械膲毫Α⒛p和沖擊的硬基體。熱處理循環(huán)的每一步都旨在執(zhí)行特定的功能，就像鏈條中的鏈接一樣，最終產(chǎn)品的好壞取決于其最關(guān)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(guò)程可能是決定工具鋼性能的最重要的因素。

預(yù)熱

工具鋼的預(yù)熱或緩慢加熱有兩個(gè)重要的好處。首先，大多數(shù)工具鋼對(duì)熱沖擊很敏感。溫度突然升高1500/2000°F可能會(huì)導(dǎo)致工具鋼開(kāi)裂。其次，當(dāng)工具鋼從提供的退火顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷亟Y(jié)構(gòu)奧氏體時(shí)，它們的密度或體積會(huì)發(fā)生變化。

如果這種體積變化發(fā)生不均勻，則會(huì)導(dǎo)致工具不必要的變形，尤其是在截面差異導(dǎo)致工具的某些部分在其他部分達(dá)到所需溫度之前發(fā)生變形的情況下。工具鋼應(yīng)該預(yù)熱到剛好低于這個(gè)臨界轉(zhuǎn)變溫度，然后保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間以使整個(gè)橫截面達(dá)到均勻的溫度。當(dāng)幾何形狀或截面尺寸的差異可能導(dǎo)致工具的某些部分在其他部分達(dá)到目標(biāo)溫度之前發(fā)生變形時(shí)，這個(gè)問(wèn)題尤其明顯。

奧氏體化

一般來(lái)說(shuō)，較高的溫度允許更多的合金擴(kuò)散，從而允許稍高的硬度和強(qiáng)度。在奧氏體化溫度下的浸泡時(shí)間通常非常短——一旦工具達(dá)到溫度，大約在一到五分鐘。大多數(shù)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?jǐn)U散到基體中。

工具鋼

實(shí)際使用的溫度主要取決于鋼的化學(xué)成分。高溫允許更多的合金擴(kuò)散，允許稍微更高的硬度或抗壓強(qiáng)度。使用的保持時(shí)間取決于溫度。合金的擴(kuò)散在較高溫度下發(fā)生得更快，并且均熱時(shí)間相應(yīng)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(qiáng)度、晶粒尺寸等在內(nèi)的目標(biāo)特性也會(huì)影響選擇的溫度。更高的溫度允許更多的合金擴(kuò)散，這通常允許更高的硬度。（這是真的，只要溫度不超過(guò)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(kuò)散會(huì)減少。

淬火

工具鋼必須冷卻多快，以及在何種類(lèi)型的淬火介質(zhì)中完全硬化，取決于化學(xué)成分。高合金工具鋼以較慢的淬火速率發(fā)展出完全硬化的特性。無(wú)論工具鋼如何淬火，所產(chǎn)生的馬氏體組織都非常脆，并且承受著很大的應(yīng)力。即使在室溫下保持不動(dòng)，一些工具鋼也會(huì)在這種情況下自發(fā)開(kāi)裂。鋼必須冷卻到完全硬化的速度取決于化學(xué)成分。一般來(lái)說(shuō)，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(fā)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(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)更小。

簡(jiǎn)化的 Fe-C 相圖

無(wú)論工具鋼如何淬火，產(chǎn)生的馬氏體組織都非常脆，并承受很大的應(yīng)力。如果在這種情況下投入使用，大多數(shù)工具鋼都會(huì)破碎。即使在室溫下保持不動(dòng)，一些工具鋼也會(huì)在這種情況下自發(fā)開(kāi)裂。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)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(guò)較慢的淬火過(guò)程獲得完全硬化的性能。

回火

進(jìn)行回火以消除在淬火過(guò)程中形成的脆性馬氏體的應(yīng)力。大多數(shù)鋼具有相當(dāng)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(yīng)讓材料完全冷卻至室溫 (50/75°F) 或更低。大多數(shù)鋼具有相當(dāng)寬的可接受回火溫度范圍。通常，使用能夠?yàn)楣ぞ咛峁┍匾捕鹊淖罡呋鼗饻囟取?/p>

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(duì)于許多更復(fù)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(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這些鋼在第一次回火后達(dá)到最大硬度，被稱(chēng)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(zhuǎn)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(guò)程中產(chǎn)生的馬氏體. 通過(guò)進(jìn)行二次回火，這種新的馬氏體被軟化，從而減少了開(kāi)裂的機(jī)會(huì)。

退火

工具鋼通常以退火狀態(tài)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(duì)于發(fā)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(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力的積累。可能需要重新硬化的模具和工具必須進(jìn)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(jìn)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(duì)所涉及的工具鋼牌號(hào)推薦的特定速率進(jìn)行仔細(xì)控制。

尺寸變化

該熱處理過(guò)程中不可避免的工具尺寸的增加導(dǎo)致他們的微觀結(jié)構(gòu)的變化。大多數(shù)工具鋼在熱處理過(guò)程中每英寸原始長(zhǎng)度增長(zhǎng)約0.0005至0.002英寸。這在一定程度上基于許多理論和實(shí)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(zhǎng)奧氏體化時(shí)間或高溫、過(guò)早停止淬火過(guò)程、回火之間冷卻不充分或過(guò)程中的其他因素，可能會(huì)導(dǎo)致某些高溫組織，奧氏體，在室溫下保留。換句話說(shuō)，在正常淬火過(guò)程中，組織并未完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

這種殘余奧氏體狀態(tài)通常伴隨著意外的尺寸收縮，有時(shí)還伴隨著吸磁能力下降。這種情況通常可以簡(jiǎn)單地通過(guò)將工具暴露在低溫下來(lái)糾正，如在低溫或冷藏處理中，以促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變的完成。

深度冷凍

對(duì)于大多數(shù)工具鋼，殘余奧氏體是非常不受歡迎的，因?yàn)槠潆S后轉(zhuǎn)化為馬氏體會(huì)導(dǎo)致尺寸（體積）增加，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力并導(dǎo)致使用中過(guò)早失效。通過(guò)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(fā)生轉(zhuǎn)變。新形成的馬氏體與原始的淬火組織相似，必須進(jìn)行回火。由于擔(dān)心開(kāi)裂，通常在回火前進(jìn)行深凍，但有時(shí)會(huì)在多次回火之間進(jìn)行。

由于多種原因，殘留奧氏體可能是不受歡迎的。通過(guò)將鋼冷卻到低溫（低于零）溫度，這種殘余奧氏體可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。新形成的馬氏體與原始的淬火組織相似，必須進(jìn)行回火。低溫處理應(yīng)包括冷凍后的回火。