預(yù)熱 工具鋼的緩慢加熱速率和適當(dāng)?shù)念A(yù)熱步驟提供了多種好處。首先，大多數(shù)工具鋼對熱沖擊很敏感，降低由快速加熱速率產(chǎn)生的熱梯度可以最大限度地減少工具鋼開裂的趨勢。此外，工具鋼在加熱至高溫時從其退火微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時會發(fā)生體積變化。如果這種體積變化發(fā)生不均勻，可能會導(dǎo)致意外失真，尤其是在截面大小存在差異的情況下。

對于大多數(shù)工具鋼，選擇剛好低于材料臨界轉(zhuǎn)變溫度 (Ac1) 的預(yù)熱溫度，并保持足夠長的時間以使整個橫截面達(dá)到均勻的溫度。另一次預(yù)熱并保持在臨界溫度之上，可使材料體積均勻發(fā)生變化，從而減少變形。預(yù)熱后應(yīng)迅速加熱至奧氏體化溫度。 奧氏體化 奧氏體化的目的是讓碳化物顆粒部分或完全溶解并擴(kuò)散到基體中。作為溫度的函數(shù)，不同類型的碳化物以不同的速率溶解，因此適當(dāng)?shù)膴W氏體化溫度主要取決于鋼的化學(xué)成分。此外，奧氏體化溫度可能會略有不同，以根據(jù)特定應(yīng)用調(diào)整最終的性能。

一般來說，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。在較低溫度下，較少的合金擴(kuò)散，所得基體更堅韌且不易碎，但其硬度可能不那么高。

在奧氏體化溫度下的浸泡時間通常非常短——一旦工具達(dá)到溫度，大約在一到五分鐘。負(fù)載熱電偶通常放置在零件內(nèi)部或有代表性的橫截面——一旦零件中心達(dá)到溫度，就開始保溫時間。性能的最佳組合通常是在最低硬化溫度下獲得的，這將為預(yù)期應(yīng)用提供足夠的硬度。

  淬火 在奧氏體化過程中合金含量重新分布后，鋼必須足夠快地冷卻以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。大多數(shù)工具鋼實際上在 600°F (315°C) 至 200°F (95°C) 的溫度范圍內(nèi)形成馬氏體結(jié)構(gòu)。工具鋼必須冷卻多快，以及在何種類型的淬火介質(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。通常，使用適合的最慢淬火速率來開發(fā)優(yōu)化的零件微觀結(jié)構(gòu)和硬度，同時最大限度地減少變形和開裂風(fēng)險。

對于在 2000°F (1095°C) 以上加工的高合金工具鋼，從大約 1800°F (980°C) 到低于 1200°F (650°C) 的淬火速率對于最佳熱處理響應(yīng)和材料至關(guān)重要韌性。

無論工具鋼如何淬火，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。如果在這種情況下投入使用，則該工具很可能會發(fā)生故障。即使在室溫下保持不動，一些工具鋼也會在這種情況下自發(fā)開裂。因此，一旦工具鋼通過任何方法淬火到 150°F (65°C) 左右的處理溫度，就應(yīng)該立即回火，通常解釋為在 15-30 分鐘內(nèi)。

  深度冷凍 對于大多數(shù)工具鋼，殘留奧氏體是非常不受歡迎的，因為其隨后轉(zhuǎn)化為馬氏體會導(dǎo)致尺寸（體積）增加，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力并導(dǎo)致使用中過早失效。通過深度冷凍至 -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)心開裂，通常在回火前進(jìn)行深凍，但有時會在多次回火之間進(jìn)行。

  回火 進(jìn)行回火既可以消除淬火過程中形成的脆性馬氏體的應(yīng)力，又可以減少殘留奧氏體的數(shù)量。大多數(shù)鋼具有相當(dāng)寬的可接受回火溫度范圍。通常，使用能夠為工具提供必要硬度的最高回火溫度。加熱到回火溫度和從回火溫度冷卻的速度通常并不重要。應(yīng)讓材料冷卻到 150°F (65°C) 以下，并且通常在回火之間和回火后完全冷卻到室溫。一個好的經(jīng)驗法則是在整個工具達(dá)到溫度后，每英寸最厚部分浸泡一小時，但無論大小，在任何情況下都不得少于兩小時。

多次回火是典型的，特別是對于許多更復(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，被稱為二次硬化鋼。第二次或第三次回火的目的是將硬度降低到所需的工作水平，并確保任何由于回火中奧氏體轉(zhuǎn)變而形成的新馬氏體得到有效回火。 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?？赡苄枰匦掠不哪＞吆凸ぞ弑仨氝M(jìn)行退火。

完全退火包括將鋼緩慢而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，然后保持直到完全均勻化。加熱后的冷卻按照鋼鐵制造商針對所涉及的工具鋼等級推薦的特定速率進(jìn)行仔細(xì)控制。當(dāng)鋼可以從爐子中取出并空氣冷卻到室溫時，冷卻通常會持續(xù)到 1000°F (540°C) 左右。

  歸一化 正火的目的是細(xì)化晶粒并確保微觀結(jié)構(gòu)成分均勻地分散在整個基體中。過度偏析會導(dǎo)致工具斷裂韌性差或變形，部分原因是偏析和不同的轉(zhuǎn)變速率。

正火包括緩慢加熱到正火溫度（即在奧氏體范圍內(nèi)），保持在足以發(fā)生均質(zhì)化的溫度，然后空氣冷卻到室溫。必須注意，因為許多工具鋼等級在從奧氏體化溫度冷卻時會空氣硬化。

  緩解壓力 在刀具經(jīng)受過劇烈加工的情況下，必須去除內(nèi)部殘余應(yīng)力的積累。在 925°F-1025°F（500°C-550°C）下進(jìn)行應(yīng)力消除，使工具在熱處理前冷卻至室溫。通常使用作為預(yù)熱步驟的應(yīng)力消除。

  常見的熱處理問題 脫碳

這可能發(fā)生在所有熱處理過程中（即使在真空爐中，如果存在泄漏），并且由于隨后對成品工具的硬度產(chǎn)生不利影響而應(yīng)避免（除非通過機(jī)加工去除）。使用真空或保護(hù)氣氛將最大限度地減少或消除脫碳。還使用了其他技術(shù)，例如使用硼砂或玻璃涂層。

尺寸變化

熱處理工藝會導(dǎo)致不可避免的尺寸變化——由于工具微觀結(jié)構(gòu)的變化而導(dǎo)致尺寸增加或減少。變量的組合通常會造成影響，包括合金含量高、預(yù)熱不當(dāng)、保溫時間長、奧氏體化溫度高于必要的溫度、淬火變化、回火之間的冷卻不足或過程中的其他因素。

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