高合金工具钢金相制备
为适应客户的特定应用而生产的高合金工具钢正变得越来越多。 因此，质量控制团队需要对高合金工具钢进行金相制备和分析的数量也越来越大。 高合金工具钢的金相制备和分析有哪些重要注意事项？
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高合金工具钢的主要特点
根据化学成分，钢大致可分为三类：- 碳钢
- 含少量合金元素的低合金钢
- 合金元素含量超过 6% 的高合金钢
工具钢是一种高合金钢，含有大量的合金元素，如铬、镍、钒、钨或钼。 这些合金元素用于提高钢的耐磨性、韧性、强度或硬度，或使其具有特殊的性能，如耐腐蚀和耐热性、高温下保持硬度以及低温下保持强度等。
高合金工具钢生产中的金相分析
在高合金工具钢生产中，金相分析是保证高品质产品的关键。 高合金工具钢金相分析主要用于：- 测定工具钢中碳化物的分布和尺寸
- 检测淬火钢和回火钢的脱碳
- 检测显微偏析和掺杂物等级
图 1： 塑料模具钢，经 5% 苦酸浸蚀液蚀刻，在高倍放大下可观测到非晶马氏体中有单个针状和片状晶粒（放大倍数：1000x，DIC）
克服高合金工具钢金相制备的困难
避免热损坏
由于高合金工具钢的热处理性是一个质量标准，为确保真正代表实际微观结构，必须避免切割过程中的热影响。 切割大的剖面时，制备步骤必须非常小心。
图 2： 由于切割条件错误导致的热损坏
保护碳化物和掺杂物
高合金工具钢研磨和抛光的主要难点在于保证碳化物和非金属掺杂物的保留。 在冷加工工具钢中，初级碳化物很大，在研磨过程中容易断裂。 在完全退火条件下，二级碳化物很细，很容易从较软的基体中被拉出。
图 3： 断裂的初级碳化物（放大倍数：200x）
高合金工具钢的大批量处理
对于高合金工具钢生产中的质量控制团队而言，处理大量样品需要很有效地组织工作流程、自动化设备和标准程序。
有关高合金工具钢的切割和镶嵌的建议
切割
大多数高合金工具钢样品是采用粗糙的机械方法，从厚板和初轧机材料切割成标准尺寸。 重要的热处理样品切割或失效分析通常采用金相切割机进行。
高合金工具钢对热损坏极为敏感：
- 必须特别注意选择适当的切割轮。
- 冷却必须充分，以防止热损坏。
- 推荐使用较软的氧化铝或树脂粘结立方氮化硼切割轮。
高合金工具钢试样可以不镶样，或进行热镶样或冷镶样。
- 经过表面处理需要良好边缘保护的样品应使用纤维增强树脂 (DuroFast) 进行热压镶样。
- 不需要边缘保护的样品，如果尺寸适合样品夹，可以不镶样。
- 处理大量样品时，对样品尺寸进行标准化具有优势。 这时，推荐使用矩形硅橡胶镶样杯 (FlexiForm)。 为避免污染，使用收缩率有限的冷镶样树脂也很重要。
有关高合金工具钢的研磨和抛光的建议
为金相分析制备高合金工具钢时，必须准确代表碳化物的形态、尺寸和数量。 此外，非金属掺杂物也必须保留在未变形的基体中。- 大批量样品最好在全自动研磨和抛光机上进行处理，以保证快速高效的工作流程和可再现的结果。
- 工具钢很硬。 因此，用金刚石进行精磨比用碳化硅箔进行研磨更有效、更经济。
- 有时，最后的氧化抛光可能对碳化物的对比和鉴别非常有用。
表 1： 大型自动化设备上的高合金工具钢制备方法。
DiaPro 金刚石悬浮液可以用 DP-Diamond 悬浮液 P 代替，具体如下： FG 采用 9 μm，DP 2 采用 1 μm，配合 DP-Blue/Green 润滑剂使用。
表 2： 台式半自动设备上的高合金工具钢制备方法。
DiaPro 金刚石悬浮液可以用 DP-Diamond 悬浮液 P 代替，具体如下： FG 采用 9 μm，DP 1 采用 3 μm，DP 2 采用 1 μm，配合 DP-Blue/Green 润滑剂使用。
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有关高合金工具钢的蚀刻的建议
高合金工具钢样品通常先进行未蚀刻的检测，以确定掺杂物和碳化物的尺寸及形态。 为揭示微观结构，使用不同浓度的硝酸乙醇或苦酸浸蚀液。
例如，为显示冷加工钢中碳化物的分布，使用 10% 的硝酸乙醇可确保基体为黑色，并将白色的初级碳化物突显出来。 对于细小的球状珠光体，在苦酸浸蚀液中浸泡一会儿，然后用 2% 的硝酸乙醇浸泡，可以得到良好的对比，并避免染色。
硝酸乙醇蚀刻液：
100 mL 乙醇
2-10 mL 硝酸（注意： 不要超过溶液的 10%，因为它可能会爆炸！）
苦酸蚀刻液：
100 mL 乙醇
1-5 mL 盐酸
1-4 g 苦味酸
图 5： 冷加工工具钢，经 10% 硝酸乙醇蚀刻，初级碳化物突现为白色
图 6： 热加工工具钢，经苦酸浸蚀液和硝酸乙醇蚀刻，可观测到球状珠光体（放大倍数：500x）
解释高合金工具钢的微观结构
一般来说，高合金钢与普通铁碳合金具有相同的结构相：铁素体、珠光体、马氏体和奥氏体。 但是，固溶体可以吸收一定量的合金元素。碳的分布
碳与铬、钨、钒等合金元素形成复合碳化物。 此外，碳在铁中的溶解度也发生了变化。
- 加入硅、铬、钨、钼、钒等合金元素会增加铁碳平衡图中的阿尔法区域。
- 加入镍和锰会增加伽马区域。
这些特性会影响时间-温度转变，这对高合金工具钢的热处理非常重要。
通过粉末冶金工艺和后续的热等静压处理，可以改善高合金工具钢中碳化物的均匀分布。 这样可以得到均匀、无偏析的钢，这特别适合机械制造非常昂贵的非常规工具几何形状。
图 7： 传统方法生产的钢中碳化物的分布
图 8： 粉末冶金方法生产的钢中碳化物的分布
冷加工高合金工具钢
冷加工工具钢的主要结构是雷氏体。 其粗糙结构通过热轧或锻造转化为含较大初级碳化物的铁素体-珠光体基体。 随后的完全退火过程有助于形成二级细小碳化物。
图 9： 经过初始热成形的冷加工工具钢，通过短暂的最终氧化抛光形成轻微对比，显示铁素体-珠光体基体中有较大的初级碳化物（放大倍数：200x）
图 10： 经过完全热处理的冷加工工具钢，显示有非常分散的二级碳化物和小的白色初级碳化物（放大倍数：200x）
热加工高合金工具钢
在完全热处理条件下的热加工工具钢能够很好地显示包含非常细小的球状珠光体的回火马氏体基体。 化学成分不均匀可能会导致腐蚀问题。 因此，通过热处理使初级结构的偏析尽可能均匀非常重要。
图 11： 显示有偏析的热加工工具钢（放大倍数：100x）
塑料模具钢
塑料模具钢是一种耐腐蚀的工具钢，在热处理前显示有包含碳化物串的“非晶”马氏体。 退火后，它显示出非常分散的碳化物。
图 12： 塑料模具钢，经过 5% 苦酸浸蚀液蚀刻，非晶马氏体包含初级碳化物串（放大倍数：100x）
图 13： 退火后的塑料模具钢，显示有非常细小的碳化物（放大倍数：500x）
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总结
从初次铸造到最终的热处理产品，金相检查是控制高合金工具钢的生产和热处理过程的一种重要工具。金相制备的主要挑战在于管理大量样品以及进行始终良好的表面处理。 由于碳化物和掺杂物的尺寸、形态和分布是高合金工具钢的主要质量指标，因此在制备过程中保留它们非常必要。
- 采用金刚石进行精磨和抛光的自动研磨和抛光可获得良好的可再现结果。
- 采用一种适用于所有类型工具钢的制备方法可以使操作更容易、效率更高。
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所有图片均由美国应用工程师 Kelsey Torboli 提供
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