本文的目的是提供关于工具钢如何进行热处理以及在此过程中如何工作的一般概念。特别注意硬度，韧性和尺寸稳定性。

　　工具钢是由受控化学成分制成的高质量钢，并被加工以产生对于其它材料的加工和成形有用的性能。工具钢中的碳含量可以低至0.1％至高于1.6％，并且用许多合金元素合金化，如铬、钼和钒。

　　工具钢用于诸如冲切和成型、塑料模制、压铸、挤出和锻造的应用。合金设计，钢的制造工艺和高质量的热处理是开发高品质工具和零件关键因素。

　　受益于耐久性、强度、耐蚀性和高温稳定性，除了做工具以外还有很多其它用途。基于这一原因，工具钢在一些工业领域作为一些战略构件使用比其它结构和工程用钢更具有吸引力。

　　更先进的材料很容易降低维护成本，使零件轻量化，拥有更高的精度和更高的可靠性。高合金类型的工具钢，主要用于塑料成型、冲压和成型、压铸、挤压、锻造、木工业、回收工业和零部件业务。

　　粉末冶金（PM）钢也包括在这一范围内。工具钢通常在软退火条件下交货；这使得材料易于用切削工具加工，并且它提供了适于硬化的微观结构。软退火的微观结构由嵌入碳化物的软基体组成。

　　在碳钢中，这些碳化物是铁碳化合物，而在合金钢中，取决于钢的组成，它们是铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）或钒（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着更高的耐磨性。

　　在工具钢中还使用非碳化物形成合金元素，例如溶解在基体中的钴（Co）和镍（Ni）。钴通常用于改善高速钢中的红色硬度，而镍用于提高硬化性能并且还提高硬化条件下的韧性。

　　淬火和回火。当刀具硬化时，许多因素影响结果。在理论方面。在软退火条件下，大多数碳化物形成合金元素与碳化物中的碳结合。当钢被加热到硬化温度时，基体从铁素体转变成奥氏体。这意味着铁原子改变它们在原子晶格中的位置并产生具有不同结晶度的新晶格。

　　碳和合金元素在奥氏体中具有更高的溶解度极限，并且碳化物将在一定程度上溶解到基体中。以这种方式，基体获得碳化物形成元素的合金含量，使其提供硬化效果而不会促使晶粒长大。 

　　如果钢在硬化过程中足够快速地淬火，则碳原子没有时间自己重新定位以允许铁素体从奥氏体中转变，例如在退火中。相反，它们被固定在某个位置上，使它们真正没有足够空间被容纳，结果是导致更高的微应力促使硬度增加。

　　这种硬质结构称为马氏体。因此，马氏体可以看作碳在铁素体中的强制固溶体。当钢硬化时，基体不完全转变成马氏体。在结构中总有一些奥氏体，它被称为残余奥氏体。

　　残余奥氏体的量随着合金含量的增加，较高的硬化温度，较长的浸泡时间和较慢的淬火而增加。淬火后，钢是由马氏体、残余奥氏体和碳化物组成的微观结构。

　　这种微观结构包含易于引起开裂的固有应力。但这可以通过将钢再加热到一定温度，消除应力并促使残余奥氏体转变，这取决于再加热温度的高低。这种在淬火后的再加热称为回火。

　　工具钢硬化后应始终立即进行回火。应该注意的是，在低温下的回火仅影响马氏体，而在高温下的回火也影响残余奥氏体。

　　在高温回火后，显微组织由回火马氏体、新形成的马氏体以及一些残余奥氏体和碳化物组成。

　　在高温回火过程中析出的二次（新形成的）碳化物和新形成的马氏体可以提高硬度。典型的例子是，例如高速钢和高合金工具钢二次硬化。

　　通常，对于钢的每一种应用，需要一定的硬度水平，因此需要在一定程度上选择好热处理参数以获得所需要的硬度。

　　非常重要的是，硬度是几个不同因素共同作用的结果，例如马氏体基体中的碳含量、材料中所含的微应力、回火期间残余奥氏体和沉淀碳化物的量。

　　可以采用这些因素的不同组合以获得相应的硬度水平。这些组合中的每一种对应于不同的热处理，但是某些硬度不能保证材料具有任何特定的性能。材料性能由其微观结构决定，这取决于热处理，而不是取决于所获得的硬度。高质量的热处理不仅为所选应用提供所需的硬度，而且提供材料的最佳性能。

　　工具钢应始终至少采用双回火。在第一次回火之后的冷却期间，第二次回火处理新形成的马氏体。在以下情况下建议使用三回火：

　　•高碳含量的高速钢。

　　•复杂的热作业工具，特别是在压铸模具的情况下。

　　•塑料应用的大型模具。

　　•当需要高的尺寸稳定性（例如在用于集成电路的仪表或工具的情况下）20μm。

　　应力消除。当对刀具进行粗加工时，必须考虑由于硬化引起的失真。粗加工导致热和机械应力，其将残留嵌入在材料中。

　　这在简单设计的对称部分上可能不重要，但是在非对称和复杂加工中（例如压铸模具的一半）可能是非常重要的。在这里，总是推荐采用应力消除热处理解决这一问题。该处理在粗加工之后并且在硬化之前进行，并且需要加热至550-700℃（1020-1300�F）。材料应该一直保持加热状态，直到它在整个过程中达到均匀的温度，其中需要保持2-3小时，然后缓慢冷却，例如随炉冷却。必要的缓慢冷却的原因是避免在无应力材料中因为热产生新应力。

　　应力释放背后的想法是材料在高温下的屈服强度如此之低，使得材料不能抵抗其中包含的应力。超过屈服强度并且迅速将这些应力释放掉，这将导致更大或更小程度的塑性变形。

　　当考虑潜在的后果时，释放应力的借口是花费太多时间几乎是无效的。在半精加工期间矫正零件几乎不比在硬化刀具的精加工期间进行尺寸调整更便宜。在硬化操作之前的正确工作顺序是：粗加工、应力消除和半精加工。