工具钢热处理

  预热 工具钢的缓慢加热速率和适当的预热步骤提供了多种好处。首先，大多数工具钢对热冲击很敏感，降低由快速加热速率产生的热梯度可以最大限度地减少工具钢开裂的趋势。此外，工具钢在加热至高温时从其退火微观结构转变为奥氏体时会发生体积变化。如果这种体积变化发生不均匀，可能会导致意外失真，尤其是在截面大小存在差异的情况下。

对于大多数工具钢，选择刚好低于材料临界转变温度 (Ac1) 的预热温度，并保持足够长的时间以使整个横截面达到均匀的温度。另一次预热并保持在临界温度之上，可使材料体积均匀发生变化，从而减少变形。预热后应迅速加热至奥氏体化温度。 奥氏体化 奥氏体化的目的是让碳化物颗粒部分或完全溶解并扩散到基体中。作为温度的函数，不同类型的碳化物以不同的速率溶解，因此适当的奥氏体化温度主要取决于钢的化学成分。此外，奥氏体化温度可能会略有不同，以根据特定应用调整最终的性能。

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。在较低温度下，较少的合金扩散，所得基体更坚韧且不易碎，但其硬度可能不那么高。

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。负载热电偶通常放置在零件内部或有代表性的横截面——一旦零件中心达到温度，就开始保温时间。性能的最佳组合通常是在最低硬化温度下获得的，这将为预期应用提供足够的硬度。

  淬火 在奥氏体化过程中合金含量重新分布后，钢必须足够快地冷却以转变为马氏体。大多数工具钢实际上在 600°F (315°C) 至 200°F (95°C) 的温度范围内形成马氏体结构。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。通常，使用适合的最慢淬火速率来开发优化的零件微观结构和硬度，同时最大限度地减少变形和开裂风险。

对于在 2000°F (1095°C) 以上加工的高合金工具钢，从大约 1800°F (980°C) 到低于 1200°F (650°C) 的淬火速率对于最佳热处理响应和材料至关重要韧性。

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。如果在这种情况下投入使用，则该工具很可能会发生故障。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。因此，一旦工具钢通过任何方法淬火到 150°F (65°C) 左右的处理温度，就应该立即回火，通常解释为在 15-30 分钟内。

  深度冷冻 对于大多数工具钢，残留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。

  回火 进行回火既可以消除淬火过程中形成的脆性马氏体的应力，又可以减少残留奥氏体的数量。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。加热到回火温度和从回火温度冷却的速度通常并不重要。应让材料冷却到 150°F (65°C) 以下，并且通常在回火之间和回火后完全冷却到室温。一个好的经验法则是在整个工具达到温度后，每英寸最厚部分浸泡一小时，但无论大小，在任何情况下都不得少于两小时。

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。第二次或第三次回火的目的是将硬度降低到所需的工作水平，并确保任何由于回火中奥氏体转变而形成的新马氏体得到有效回火。 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而均匀地加热到高于临界温度 (Ac3) 的温度并进入奥氏体范围，然后保持直到完全均匀化。加热后的冷却按照钢铁制造商针对所涉及的工具钢等级推荐的特定速率进行仔细控制。当钢可以从炉子中取出并空气冷却到室温时，冷却通常会持续到 1000°F (540°C) 左右。

  归一化 正火的目的是细化晶粒并确保微观结构成分均匀地分散在整个基体中。过度偏析会导致工具断裂韧性差或变形，部分原因是偏析和不同的转变速率。

正火包括缓慢加热到正火温度（即在奥氏体范围内），保持在足以发生均质化的温度，然后空气冷却到室温。必须注意，因为许多工具钢等级在从奥氏体化温度冷却时会空气硬化。

  缓解压力 在刀具经受过剧烈加工的情况下，必须去除内部残余应力的积累。在 925°F-1025°F（500°C-550°C）下进行应力消除，使工具在热处理前冷却至室温。通常使用作为预热步骤的应力消除。

  常见的热处理问题 脱碳

这可能发生在所有热处理过程中（即使在真空炉中，如果存在泄漏），并且由于随后对成品工具的硬度产生不利影响而应避免（除非通过机加工去除）。使用真空或保护气氛将最大限度地减少或消除脱碳。还使用了其他技术，例如使用硼砂或玻璃涂层。

尺寸变化

热处理工艺会导致不可避免的尺寸变化——由于工具微观结构的变化而导致尺寸增加或减少。变量的组合通常会造成影响，包括合金含量高、预热不当、保温时间长、奥氏体化温度高于必要的温度、淬火变化、回火之间的冷却不足或过程中的其他因素。

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