本文的目的是提供關(guān)于工具鋼如何進行熱處理以及在此過程中如何工作的一般概念。特別注意硬度，韌性和尺寸穩(wěn)定性。
工具鋼是由受控化學(xué)成分制成的高質(zhì)量鋼，并被加工以產(chǎn)生對于其它材料的加工和成形有用的性能。工具鋼中的碳含量可以低至0.1％至高于1.6％，并且用許多合金元素合金化，如鉻、鉬和釩。
工具鋼用于諸如沖切和成型、塑料模制、壓鑄、擠出和鍛造的應(yīng)用。合金設(shè)計，鋼的制造工藝和高質(zhì)量的熱處理是開發(fā)高品質(zhì)工具和零件關(guān)鍵因素。
受益于耐久性、強度、耐蝕性和高溫穩(wěn)定性，除了做工具以外還有很多其它用途。基于這一原因，工具鋼在一些工業(yè)領(lǐng)域作為一些戰(zhàn)略構(gòu)件使用比其它結(jié)構(gòu)和工程用鋼更具有吸引力。
更先進的材料很容易降低維護成本，使零件輕量化，擁有更高的精度和更高的可靠性。高合金類型的工具鋼，主要用于塑料成型、沖壓和成型、壓鑄、擠壓、鍛造、木工業(yè)、回收工業(yè)和零部件業(yè)務(wù)。
粉末冶金（PM）鋼也包括在這一范圍內(nèi)。工具鋼通常在軟退火條件下交貨；這使得材料易于用切削工具加工，并且它提供了適于硬化的微觀結(jié)構(gòu)。軟退火的微觀結(jié)構(gòu)由嵌入碳化物的軟基體組成。
在碳鋼中，這些碳化物是鐵碳化合物，而在合金鋼中，取決于鋼的組成，它們是鉻（Cr）、鎢（W）、鉬（Mo）或釩（V）的碳化物。碳化物是碳和合金元素的化合物，并且具有非常高的硬度。更高的碳化物含量意味著更高的耐磨性。
在工具鋼中還使用非碳化物形成合金元素，例如溶解在基體中的鈷（Co）和鎳（Ni）。鈷通常用于改善高速鋼中的紅色硬度，而鎳用于提高硬化性能并且還提高硬化條件下的韌性。
淬火和回火。當(dāng)?shù)毒哂不瘯r，許多因素影響結(jié)果。在理論方面。在軟退火條件下，大多數(shù)碳化物形成合金元素與碳化物中的碳結(jié)合。當(dāng)鋼被加熱到硬化溫度時，基體從鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體。這意味著鐵原子改變它們在原子晶格中的位置并產(chǎn)生具有不同結(jié)晶度的新晶格。
碳和合金元素在奧氏體中具有更高的溶解度極限，并且碳化物將在一定程度上溶解到基體中。以這種方式，基體獲得碳化物形成元素的合金含量，使其提供硬化效果而不會促使晶粒長大。
如果鋼在硬化過程中足夠快速地淬火，則碳原子沒有時間自己重新定位以允許鐵素體從奧氏體中轉(zhuǎn)變，例如在退火中。相反，它們被固定在某個位置上，使它們真正沒有足夠空間被容納，結(jié)果是導(dǎo)致更高的微應(yīng)力促使硬度增加。
這種硬質(zhì)結(jié)構(gòu)稱為馬氏體。因此，馬氏體可以看作碳在鐵素體中的強制固溶體。當(dāng)鋼硬化時，基體不完全轉(zhuǎn)變成馬氏體。在結(jié)構(gòu)中總有一些奧氏體，它被稱為殘余奧氏體。
殘余奧氏體的量隨著合金含量的增加，較高的硬化溫度，較長的浸泡時間和較慢的淬火而增加。淬火后，鋼是由馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成的微觀結(jié)構(gòu)。
這種微觀結(jié)構(gòu)包含易于引起開裂的固有應(yīng)力。但這可以通過將鋼再加熱到一定溫度，消除應(yīng)力并促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，這取決于再加熱溫度的高低。這種在淬火后的再加熱稱為回火。
工具鋼硬化后應(yīng)始終立即進行回火。應(yīng)該注意的是，在低溫下的回火僅影響馬氏體，而在高溫下的回火也影響殘余奧氏體。
在高溫回火后，顯微組織由回火馬氏體、新形成的馬氏體以及一些殘余奧氏體和碳化物組成。
在高溫回火過程中析出的二次（新形成的）碳化物和新形成的馬氏體可以提高硬度。典型的例子是，例如高速鋼和高合金工具鋼二次硬化。
通常，對于鋼的每一種應(yīng)用，需要一定的硬度水平，因此需要在一定程度上選擇好熱處理參數(shù)以獲得所需要的硬度。
非常重要的是，硬度是幾個不同因素共同作用的結(jié)果，例如馬氏體基體中的碳含量、材料中所含的微應(yīng)力、回火期間殘余奧氏體和沉淀碳化物的量。
可以采用這些因素的不同組合以獲得相應(yīng)的硬度水平。這些組合中的每一種對應(yīng)于不同的熱處理，但是某些硬度不能保證材料具有任何特定的性能。材料性能由其微觀結(jié)構(gòu)決定，這取決于熱處理，而不是取決于所獲得的硬度。高質(zhì)量的熱處理不僅為所選應(yīng)用提供所需的硬度，而且提供材料的最佳性能。
工具鋼應(yīng)始終至少采用雙回火。在第一次回火之后的冷卻期間，第二次回火處理新形成的馬氏體。在以下情況下建議使用三回火：
•高碳含量的高速鋼。
•復(fù)雜的熱作業(yè)工具，特別是在壓鑄模具的情況下。
•塑料應(yīng)用的大型模具。
•當(dāng)需要高的尺寸穩(wěn)定性（例如在用于集成電路的儀表或工具的情況下）20μm。
應(yīng)力消除。當(dāng)對刀具進行粗加工時，必須考慮由于硬化引起的失真。粗加工導(dǎo)致熱和機械應(yīng)力，其將殘留嵌入在材料中。
這在簡單設(shè)計的對稱部分上可能不重要，但是在非對稱和復(fù)雜加工中（例如壓鑄模具的一半）可能是非常重要的。在這里，總是推薦采用應(yīng)力消除熱處理解決這一問題。該處理在粗加工之后并且在硬化之前進行，并且需要加熱至550-700℃（1020-1300?F）。材料應(yīng)該一直保持加熱狀態(tài)，直到它在整個過程中達到均勻的溫度，其中需要保持2-3小時，然后緩慢冷卻，例如隨爐冷卻。必要的緩慢冷卻的原因是避免在無應(yīng)力材料中因為熱產(chǎn)生新應(yīng)力。
應(yīng)力釋放背后的想法是材料在高溫下的屈服強度如此之低，使得材料不能抵抗其中包含的應(yīng)力。超過屈服強度并且迅速將這些應(yīng)力釋放掉，這將導(dǎo)致更大或更小程度的塑性變形。
當(dāng)考慮潛在的后果時，釋放應(yīng)力的借口是花費太多時間幾乎是無效的。在半精加工期間矯正零件幾乎不比在硬化刀具的精加工期間進行尺寸調(diào)整更便宜。在硬化操作之前的正確工作順序是：粗加工、應(yīng)力消除和半精加工。
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