高合金工具钢的金相制备

越来越多的高合金工具钢正在生产，以适应客户特定的应用。因此，质量控制团队需要对越来越多的高合金工具钢进行金相制备和分析。在高合金工具钢的金相制备和分析中有哪些关键注意事项?

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主要特点
挑战
制备方法
结构解释
总结

高合金工具钢的主要特点

钢根据化学成分大致可分为三类:

碳素结构钢
含少量合金元素的低合金钢
含>6%合金元素的高合金钢

工具钢是一种高合金钢，由大量合金元素制成，如铬、镍、钒、钨或钼。这些合金元素用于增加钢的耐磨性、韧性、强度或硬度，或赋予其特定的性能，如耐腐蚀性和耐热性，高温下保持硬度，低温下保持强度等。

高合金工具钢生产中的金相分析

在高合金工具钢生产中，金相分析是保证高质量产品的关键。高合金工具钢的金相分析主要用于:

用工具钢确定碳化物的分布和尺寸
检测淬火后再回火钢的脱碳情况
检测微分离和包含等级

图1:塑料模具钢用5%的异丙酸蚀刻，在高倍放大下显示出一些奇异的非晶态马氏体(Mag: 1000x, DIC)。

克服了高合金工具钢金相制备中的困难

避免热损伤
由于高合金工具钢的热处理性是一种质量标准，为了确保真实的组织表现，必须避免切削过程中的热影响。当切割较大的部分时，这个准备步骤必须非常小心地进行。

图2:错误切割条件导致的热损伤

保存碳化物和夹杂物
高合金工具钢磨削和抛光的主要困难是确保碳化物和非金属夹杂物被保留。在冷加工工具钢中，初级碳化物很大，在磨削过程中容易断裂。在完全退火条件下，二次碳化物非常细，可以很容易地从较软的基体中抽出。

图3:断裂的原生碳化物(Mag: 200x)

大批量加工高合金工具钢
对于在高合金工具钢生产中工作的质量控制团队来说，处理大量样品需要非常有效的工作流程组织、自动化设备和标准程序。

高合金工具钢切削和安装的建议

切割

大多数高合金工具钢样品是用粗糙的机械方法从平板和初轧机材料切割成标准尺寸的。热处理样品的关键切割或失效分析总是用金相切断机进行。

高合金工具钢对热损伤极其敏感:

必须特别注意选择合适的截止轮。
冷却必须足以对抗热损伤。
软铝氧化物或树脂结合立方氮化硼截止轮推荐。

越来越多的

高合金工具钢试件可以拆装，也可以热装或冷装。

需要保持良好边缘的表面处理样品应使用纤维增强树脂进行热压缩安装(DuroFast）.
不需要保留边缘的样品，如果它们的尺寸适合样品夹，可以不安装。
在处理大容量样品时，标准化样本大小是一个优势。在这种情况下，矩形硅安装杯(FlexiForm)。为了避免污染，使用收缩有限的冷安装树脂也很重要。

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高合金工具钢刻蚀的建议

高合金工具钢样品通常在未蚀刻的情况下进行初步检查，以确定夹杂物和碳化物的大小和形成。为了揭示微观结构，使用了不同浓度的硝酸或苦味醇。

例如，为了显示冷加工钢中的碳化物分布，10%的尼特确保基体是深色的，白色的初级碳化物突出。对于细小的球状珠光体，短暂地浸入苦味酸中，然后再加入2%的硝酸，可以得到很好的对比，并避免染色。

硝酸蚀刻液:
100毫升乙醇
2-10毫升硝酸(注意:不要超过溶液的10%，因为它会爆炸!)

Picral蚀刻液:
100毫升乙醇
盐酸1-5毫升
苦味酸1-4克

图5:冷加工工具钢蚀刻10%氮，初级碳化物突出白色

图6:热加工工具钢蚀刻的picral和nital，球状珠光体(Mag: 500倍)

解释高合金工具钢的显微组织

一般来说，高合金钢具有与普通铁碳合金相同的组织相:铁素体、珠光体、马氏体和奥氏体。但是，固溶体可以吸收一定数量的合金元素。

碳分布
碳与铬、钨和钒等合金元素形成复杂的碳化物。此外，碳在铁中的溶解度也发生了变化。

添加合金元素，如硅、铬、钨、钼和钒，增加了铁碳平衡图的α面积。
加入镍和锰会扩大伽马面积。

这些特性影响着时间-温度的转变，这对高合金工具钢的热处理尤为重要。

通过粉末冶金工艺和随后的热等静压，可以改善高合金工具钢中碳化物的均匀分布。这就产生了一种均匀的、无偏析的钢材，特别适用于机械制造成本昂贵的非常规刀具几何形状。

图7:常规生产钢中的碳化物分布

图8:粉末冶金钢中的碳化物分布

冷加工高合金工具钢
冷加工工具钢的主要组织是莱氏体。通过热轧或锻压，将其粗大的结构转变为具有较大初生碳化物的铁素体-珠光体基体。随后的完全退火过程有助于形成次生细碳化物。

图9:初始热成形后的冷加工工具钢，与短暂的最终氧化抛光形成轻微对比，显示铁素体-珠光体基体中存在大量初级碳化物(Mag: 200倍)

图10:完全热处理的冷加工工具钢，显示非常精细分散的二次碳化物和小的白色初级碳化物(Mag: 200x)

热加工高合金工具钢
热工工具钢在完全热处理条件下理想地显示回火马氏体基体包含非常细的球状珠光体。不均匀的化学成分会导致腐蚀问题。因此，重要的是通过热处理使初级结构的偏析尽可能均匀。