工具钢是如何热处理

工具钢是指特别适合制成工具的各种碳钢和合金钢。它们的适用性来自它们独特的硬度、耐磨性、保持切削刃的能力和/或它们在高温下的抗变形性（红硬性）。工具钢一般在热处理状态下使用。

金属分组的示意图

碳含量介于 0.7% 和 1.5% 之间的工具钢在严格控制的条件下制造，以达到所需的质量。锰含量通常保持在较低水平，以最大限度地减少水冷过程中开裂的可能性。然而，对这些钢进行适当的热处理对于获得足够的性能很重要，并且有许多供应商提供用于油淬的模具毛坯。

工具钢被制成多种牌号以用于不同的应用。牌号的选择取决于是否需要锋利的切削刃（如冲压模具），或者工具是否必须承受冲击载荷和使用手动工具（如斧头、镐和采石工具）遇到的使用条件。通常，预期使用下的边缘温度是组成和所需热处理的重要决定因素。高碳等级通常用于冲压模具、金属切削工具等应用。

工具钢通常以退火状态提供，大约为200/250布氏硬度（约20 HRC），以方便加工。在这种情况下，大部分合金成分以合金碳化物的形式存在，分散在整个软基体中。这些钢必须经过热处理才能发挥其特有的性能。热处理工艺改变了合金的分布，并将软基体转变为能够承受金属成型中固有的压力、磨损和冲击的硬基体。热处理循环的每一步都旨在执行特定的功能，就像链条中的链接一样，最终产品的好坏取决于其最关键的部分。虽然它可能只占工具成本的10%或更少，但热处理过程可能是决定工具钢性能的最重要的因素。

预热

工具钢的预热或缓慢加热有两个重要的好处。首先，大多数工具钢对热冲击很敏感。温度突然升高1500/2000°F可能会导致工具钢开裂。其次，当工具钢从提供的退火显微组织转变为高温结构奥氏体时，它们的密度或体积会发生变化。

如果这种体积变化发生不均匀，则会导致工具不必要的变形，尤其是在截面差异导致工具的某些部分在其他部分达到所需温度之前发生变形的情况下。工具钢应该预热到刚好低于这个临界转变温度，然后保持足够长的时间以使整个横截面达到均匀的温度。当几何形状或截面尺寸的差异可能导致工具的某些部分在其他部分达到目标温度之前发生变形时，这个问题尤其明显。

奥氏体化

一般来说，较高的温度允许更多的合金扩散，从而允许稍高的硬度和强度。在奥氏体化温度下的浸泡时间通常非常短——一旦工具达到温度，大约在一到五分钟。大多数工具钢的有用合金含量以退火钢中的碳化物颗粒形式存在。该合金含量在硬化或奥氏体化温度下至少部分扩散到基体中。

工具钢

实际使用的温度主要取决于钢的化学成分。高温允许更多的合金扩散，允许稍微更高的硬度或抗压强度。使用的保持时间取决于温度。合金的扩散在较高温度下发生得更快，并且均热时间相应地减少。

工具钢颜色与温度

选择的奥氏体化温度很大程度上取决于钢的合金含量。包括硬度、拉伸强度、晶粒尺寸等在内的目标特性也会影响选择的温度。更高的温度允许更多的合金扩散，这通常允许更高的硬度。（这是真的，只要温度不超过钢的初始熔化温度。）如果使用较低的奥氏体化温度，则合金向基体中的扩散会减少。

淬火

工具钢必须冷却多快，以及在何种类型的淬火介质中完全硬化，取决于化学成分。高合金工具钢以较慢的淬火速率发展出完全硬化的特性。无论工具钢如何淬火，所产生的马氏体组织都非常脆，并且承受着很大的应力。即使在室温下保持不动，一些工具钢也会在这种情况下自发开裂。钢必须冷却到完全硬化的速度取决于化学成分。一般来说，低合金钢必须在油中淬火，以便冷却得足够快。较高的合金含量使钢能够以较慢的淬火速率发展出完全硬化的特性。空气硬化钢冷却更均匀，因此与油硬化钢相比，变形和开裂风险更小。

简化的 Fe-C 相图

无论工具钢如何淬火，产生的马氏体组织都非常脆，并承受很大的应力。如果在这种情况下投入使用，大多数工具钢都会破碎。即使在室温下保持不动，一些工具钢也会在这种情况下自发开裂。这个过程称为淬火。通常，低合金钢如 01 必须在油中淬火以足够快地冷却。合金含量较高的钢可以通过较慢的淬火过程获得完全硬化的性能。

回火

进行回火以消除在淬火过程中形成的脆性马氏体的应力。大多数钢具有相当宽的可接受回火温度范围。通常，使用最高回火温度，这将为工具提供必要的硬度。加热到回火温度和从回火温度冷却的速度并不重要。在回火之间和回火后，应让材料完全冷却至室温 (50/75°F) 或更低。大多数钢具有相当宽的可接受回火温度范围。通常，使用能够为工具提供必要硬度的最高回火温度。

工具钢 - 硬度与回火温度

加热到回火温度和从回火温度冷却的速度通常并不重要。多次回火是典型的，特别是对于许多更复杂的工具钢（例如 M 系列和 H 系列），需要两次甚至三次回火才能将残余奥氏体完全转变为马氏体。这些钢在第一次回火后达到最大硬度，被称为二次硬化钢。二次或三次回火的目的是将硬度降低到所需的工作水平，并确保回火中奥氏体转变形成的任何新马氏体得到有效回火。 回火是为了软化淬火过程中产生的马氏体. 通过进行二次回火，这种新的马氏体被软化，从而减少了开裂的机会。

退火

工具钢通常以退火状态提供给客户，其典型硬度值约为 200-250 布氏硬度 (» 20 HRC)，以方便加工和其他操作。这对于发生部分或完全空气硬化的锻造工具和模具尤为重要，从而导致内部应力的积累。可能需要重新硬化的模具和工具必须进行退火。完全退火包括将钢缓慢且均匀地加热到高于临界温度 (Ac3) 的温度并进入奥氏体范围，然后保持直至完全均匀化。加热后的冷却按照上海墨钜特殊钢针对所涉及的工具钢牌号推荐的特定速率进行仔细控制。

尺寸变化

该热处理过程中不可避免的工具尺寸的增加导致他们的微观结构的变化。大多数工具钢在热处理过程中每英寸原始长度增长约0.0005至0.002英寸。这在一定程度上基于许多理论和实践因素而有所不同。

在某些情况下，变量的组合，包括高合金含量、长奥氏体化时间或高温、过早停止淬火过程、回火之间冷却不充分或过程中的其他因素，可能会导致某些高温组织，奥氏体，在室温下保留。换句话说，在正常淬火过程中，组织并未完全转变为马氏体。

这种残余奥氏体状态通常伴随着意外的尺寸收缩，有时还伴随着吸磁能力下降。这种情况通常可以简单地通过将工具暴露在低温下来纠正，如在低温或冷藏处理中，以促进马氏体转变的完成。

深度冷冻

对于大多数工具钢，残余奥氏体是非常不受欢迎的，因为其随后转化为马氏体会导致尺寸（体积）增加，从而产生内应力并导致使用中过早失效。通过深度冷冻至 -120°F (-85°C) 或在某些情况下低温冷却至 -320°F (-195°C)，残余奥氏体发生转变。新形成的马氏体与原始的淬火组织相似，必须进行回火。由于担心开裂，通常在回火前进行深冻，但有时会在多次回火之间进行。

由于多种原因，残留奥氏体可能是不受欢迎的。通过将钢冷却到低温（低于零）温度，这种残余奥氏体可能会转变为马氏体。新形成的马氏体与原始的淬火组织相似，必须进行回火。低温处理应包括冷冻后的回火。