本文的目的是提供關(guān)于工具鋼如何進(jìn)行熱處理以及在此過(guò)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(duì)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(jì)，鋼的制造工藝和高質(zhì)量的熱處理是開(kāi)發(fā)高品質(zhì)工具和零件關(guān)鍵因素。
受益于耐久性、強(qiáng)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(jìn)的材料很容易降低維護(hù)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(shí)，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(shí)，基體從鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體。這意味著鐵原子改變它們?cè)谠泳Ц裰械奈恢貌a(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(huì)促使晶粒長(zhǎng)大。
如果鋼在硬化過(guò)程中足夠快速地淬火，則碳原子沒(méi)有時(shí)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(gè)位置上，使它們真正沒(méi)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(qiáng)制固溶體。當(dāng)鋼硬化時(shí)，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(zhǎng)的浸泡時(shí)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(kāi)裂的固有應(yīng)力。但這可以通過(guò)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(jìn)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(guò)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)刀具進(jìn)行粗加工時(shí)，必須考慮由于硬化引起的失真。粗加工導(dǎo)致熱和機(jī)械應(yīng)力，其將殘留嵌入在材料中。
這在簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的對(duì)稱部分上可能不重要，但是在非對(duì)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(wèn)題。該處理在粗加工之后并且在硬化之前進(jìn)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(gè)過(guò)程中達(dá)到均勻的溫度，其中需要保持2-3小時(shí)，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(wú)應(yīng)力材料中因?yàn)闊岙a(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(qiáng)度如此之低，使得材料不能抵抗其中包含的應(yīng)力。超過(guò)屈服強(qiáng)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(shí)，釋放應(yīng)力的借口是花費(fèi)太多時(shí)間幾乎是無(wú)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(jìn)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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