2.1 工具钢的相组成与相变点

2.1.1 工具钢中的相

工具钢中的相主要有铁素体、碳化物（包括渗碳体）、珠光体（铁素体+碳化物）、奥氏体（高温下）、马氏体、贝氏体、残留奥氏体等。

1.铁素体

铁素体是碳溶入α铁后形成的固溶体，在室温下碳在铁素体中的溶解度几乎为零，伴随温度的升高，碳在铁素体中的溶解度不断升高，最大溶解度出现在727℃，但也只有0.02%。在普通的碳钢中，铁素体接近100%是铁。在合金钢的铁素体中含有合金元素。在共析钢中，铁素体与渗碳体组成珠光体，不存在游离的铁素体。在亚共析钢中，除珠光体中的铁素体外，还存在有游离铁素体。铁素体几乎是纯铁，很软。铁素体通常只出现在退火状态的工具钢中，在淬火和回火状态下不会出现铁素体。如果淬火后的工具钢中出现铁素体，会大大降低工具钢的性能。

2.碳化物

碳素工具钢中的碳化物是渗碳体，是Fe ₃ C型碳化物，其碳的质量分数为6.67%。渗碳体型碳化物的硬度并不高，据测定，只有950～1050HV，它对工具钢的耐磨性影响不太大。当工具钢中的合金元素含量较高时，碳化物形成元素就会取代渗碳体中的铁，形成合金碳化物。例如Cr12型高铬工具钢形成的是M ₃ C ₇ 型碳化物，主要是Cr的碳化物，其中也含有少量的Mo和Fe。高速钢处于退火状态时有三种碳化物，即M ₆ C、MC和M ₂₃ C ₆ 碳化物，在高碳W6Mo5Cr4V2高速钢中出现M ₃ C ₇ 碳化物。淬火高速钢在回火后会析出M ₂ C型碳化物。

合金碳化物是很硬的相，M ₆ C碳化物的显微硬度达1495～1812HV0.025，MC碳化物的显微硬度达2700～2990HV0.025。高硬度的碳化物对提高工具钢的耐磨性有很大作用，因此含有大量碳化物的高速钢比普通的碳素工具钢和合金工具钢的耐磨性高得多，特别是高速钢回火时析出的M ₂ C型碳化物形成高速钢的回火硬度峰值，从而对高速钢的耐磨性和工具的寿命的提高发挥巨大作用。

碳化物对工具钢的影响有其双面性，除上述对耐磨性的正面影响外，也有其不良影响的一面。碳素工具钢和合金工具钢如果在热处理过程中形成碳化物网，会大大增加工具钢的脆性。高速钢中的碳化物严重不均匀分布，碳化物堆积和大块碳化物对高速钢的性能有严重的不良影响，它们会降低高速钢的强度、韧性和热硬性，甚至降低工具的寿命或导致切削时崩刃，并在热处理时易造成晶粒不均匀长大、淬火过热、甚至形成淬火开裂。

3.珠光体

珠光体是铁素体与渗碳体的混合物，其中渗碳体的质量分数为11.3%，铁素体的质量分数为88.7%。珠光体中的铁素体和渗碳体呈层状分布，珠光体形成的温度越低，片间距越小，硬度越高。珠光体通常出现在退火状态的钢中。经过球化退火的工具钢珠光体可以形成球状组织。

工具钢通常是以退火状态供应给用户的，其可加工能十分重要。珠光体的形态影响工具钢的可加工性，球状珠光体比片状珠光体有更好的可加工性。

4.奥氏体和残留奥氏体

当工具钢加热到 A ₁ 点以上温度时迅速形成奥氏体，随着温度的升高，珠光体逐渐转变成奥氏体，游离的铁素体（亚共析钢）或过剩碳化物（过共析钢）逐渐溶入奥氏体，经过保温形成比较均匀的奥氏体。奥氏体是相变的起始组织，也被称为母相。一般的热处理工艺（回火除外）都要首先加热形成奥氏体，然后从奥氏体开始，通过不同的冷却方法，转变成珠光体、贝氏体或马氏体。

通常，奥氏体只在高温下出现，但在工具钢淬火冷却时，奥氏体不可能全部转变成马氏体，有部分奥氏体未转变，形成残留奥氏体。奥氏体是一种很软的组织，工具钢淬火后如果残留奥氏体数量过多，会影响钢的性能。通常，通过回火可以减少残留奥氏体的数量。通过深冷处理，冷却到马氏体转变终了点（ Mf 点）以下温度可以完全消除残留奥氏体。

碳素工具钢淬火后残留奥氏体量较少，正常回火后几乎不能减少碳素工具钢的残留奥氏体数量。合金工具钢淬火后残留奥氏体量较多，正常回火不会减少合金工具钢的残留奥氏体数量。高速钢淬火后残留奥氏体数量高达20%以上，但是经过多次回火以后残留奥氏体的数量可以减少到1%以下，冷却到0℃以下的冷处理和深冷处理可以减少甚至消除残留奥氏体。

5.马氏体

马氏体是奥氏体快速冷却后形成的碳在α铁中的过饱和固溶体，合金工具钢的马氏体中也溶有大量的合金元素。奥氏体向马氏体的转变是一种无扩散切变型的相变。要完成奥氏体向马氏体的转变必须有足够的冷却速度，就是冷却速度足以避开奥氏体等温转变图的鼻部，即不形成珠光体型组织和其他非马氏体组织。马氏体是一种亚稳定相。当被加热到一定温度，碳原子扩散速度加快时，马氏体就会分解成铁素体和渗碳体。

工具钢淬火的目的就是为了得到马氏体组织，最好可以得到100%马氏体，但通常情况下总会有残留奥氏体存在，不可能得到100%马氏体，高速钢淬火后大约只能得到70%～80%马氏体。马氏体的硬度高，高速钢淬火马氏体的硬度为1043～1141HV0.025。马氏体的高硬度使工具钢可以得到高的耐磨性，这是切削工具所必需的。

碳素工具钢与合金工具钢淬火后通常以马氏体针的大小来衡量淬火质量的好坏，并制定有马氏体合格级别标准。高速钢淬火后马氏体针很细小，通常马氏体针在奥氏体晶粒内形成，在检查高速钢淬火质量时通常以检查奥氏体晶粒度代替马氏体针的检查。

6.贝氏体

贝氏体形成的温度区域介于珠光体形成区域和马氏体形成区域之间，它与珠光体和马氏体均有相似之处和不同之处。与珠光体相同之处是贝氏体也由铁素体和渗碳体的混合物组成，与珠光体不同之处是贝氏体中的铁素体和渗碳体不是层状分布，它的特性取决于合金成分和转变温度。贝氏体与马氏体类似之处在于，贝氏体中的铁素体也能形成含有位错组织的条或片，因此贝氏体形成机制在一定程度上既包括切变，也包括扩散。

高速钢在 Ms 点以上稍高温度（大约250℃上下）长时间等温形成贝氏体组织。贝氏体等温淬火高速钢的硬度稍低于马氏体淬火高速钢的硬度，但韧性高于马氏体淬火高速钢。在工具热处理生产中，只有高速钢工具的贝氏体等温淬火应用较多，主要用于减少高速钢工具的淬火开裂和淬火畸变，同时可以提高高速钢的韧性。

7.晶粒度

这里指的是奥氏体晶粒度，即工具钢在加热转变成奥氏体时形成的晶粒度。虽然晶粒度并不是工具钢中的相，但是它对相的转变和形成有重大影响。奥氏体是母相，无论是哪种相变都是从奥氏体开始的，退火过程的相变在奥氏体晶粒内形成珠光体和铁素体，淬火过程的相变在奥氏体晶粒内形成马氏体。

高速钢淬火加热时，奥氏体晶粒尺寸伴随温度的升高而长大，所以在热处理实践中，人们常常以奥氏体晶粒度的大小来衡量加热程度，并因此制定有高速钢淬火的晶粒度标准。晶粒度过细表示淬火加热温度低，淬火加热不足；晶粒度过于粗大，表示淬火加热温度过高，有淬火过热的危险。

2.1.2 工具钢的相组成

在退火状态下工具钢由铁素体和碳化物组成，其中某些铁素体和碳化物以珠光体的形式出现。共析钢的组织全部是珠光体组织（铁素体与碳化物的混合物）；亚共析钢由先共析铁素体和珠光体组成；过共析钢由过剩碳化物和珠光体组成。

退火状态W18Cr4V高速钢含有质量分数为27.6%的碳化物，其余为α-Fe基体。在α-Fe基体中W、V、Cr的质量分数分别为1.38%、0.16%和1.92%。退火状态的W6Mo5Cr4V2高速钢含有质量分数为23.2%的碳化物，其中M ₆ C占13%，MC占1.7%，M ₂₃ C6占8.5%。

工具钢经淬火和回火后，组织发生变化，基体淬火成马氏体，过共析钢淬火后还保留部分碳化物，以及部分尚未转变的奥氏体，即残留奥氏体。几种有代表性的碳素工具钢、合金工具钢和高速钢热处理（淬火、回火）后的相组成见表2-1。

由表2-1可知，亚共析钢T7钢、共析钢T8钢由于没有过剩碳化物，淬火后的组织中94%～98%（体积分数）为马氏体，仅有2%～5%（体积分数）的残留奥氏体。回火后钢中的残留奥氏体几乎没有变化，但有体积分数为3%～5%的碳化物析出。过共析钢T12钢淬火后有体积分数为3%～5%的碳化物未溶入奥氏体而被保留下来，同时还有体积分数为5%～8%的残留奥氏体未发生转变。回火后残留奥氏体的数量没有变化，但有碳化物析出，使碳化物的体积分数增加到10%～12%。

CrWMn、Cr12Mo等合金工具钢的情形与T12钢相似，只是淬火后残留的碳化物和残留奥氏体的数量更多。残留碳化物的体积分数达4%～9%，残留奥氏体的体积分数达16%～20%。回火后这两种钢中碳化物的体积分数增加到12%～16%，而残留奥氏体的体积分数未发生变化（Cr12MoV钢1000℃淬火）。

W18CrV高速钢和W6Mo5Cr4V2高速钢淬火后的相组成：隐针马氏体的基体上还保留有体积分数为14%～19%的未溶碳化物和体积分数为20%～25%的残留奥氏体。回火后碳化物的体积分数增加到20%～24%，残留奥氏体的体积分数减少到1%以下。碳化物的增加是由于回火时析出了二次碳化物。

表2-1所叙列的只是通常情况下淬火回火后工具钢的相组成情况，伴随淬火加热温度和淬火冷却方法的不同其相组成情况会有所不同。例如，高合金工具钢采用分级淬火和等温淬火时相组成会有较大的变化，高速钢采用等温淬火时会产生贝氏体组织。

2.1.3 工具钢的相变点

工具钢的相变点指的是工具钢加热和冷却时发生相变的温度。加热时的相变点包括铁碳相图上由珠光体向奥氏体转变以及铁素体和渗碳体完全溶入奥氏体的温度。冷却时的相变点包括铁碳相图上由奥氏体向珠光体转变的温度和先共析铁素体和先共析渗碳体析出的温度，还包括马氏体转变的开始温度和马氏体转变的终了温度。

工具钢与普通钢一样，有3个重要的临界点：

（1） A ₁ 点 从铁碳相图上看，对于共析钢， A ₁ 代表珠光体相区与奥氏体相区的边界；对于亚共析钢， A ₁ 代表珠光体+铁素体相区与奥氏体+铁素体相区的边界；对于过共析钢， A ₁ 代表珠光体+渗碳体转相区与奥氏体+渗碳体相区的边界。

（2） A ₃ 点 从铁碳相图上看， A ₃ 代表奥氏体+铁素体相区与单一奥氏体相区的边界。

（3） A _cm 点 从铁碳相图上看， A _cm 代表奥氏体+渗碳体相区与单一奥氏体相区的边界。

铁碳相图上的临界点是平衡状态下的临界点，但是在钢中发生的转变是受扩散控制的，临界点对于加热和冷却的速率很敏感，因此实际上加热和冷却时的临界点与平衡状态下的临界点有所偏离，为更准确的表达相变的温度，必须将加热和冷却的临界点区分开来。如图2-1所示，加热时的临界点以“c”代表，冷却时的临界点以“r”代表：

Ac ₁ ——共析钢加热时的上临界点。

Ac ₃ ——亚共析钢加热时上临界点。

Ac _cm ——过共析钢加热时的上临界点。

Ar ₁ ——共析钢冷却时的下临界点。

Ar ₃ ——亚共析钢冷却下临界点。

Ar _cm ——过共析钢冷却时的下临界点。

Ms ——马氏体开始转变的温度。

Mf ——马氏体转变终了的温度。

不仅加热和冷却速度对临界点有影响，钢中的合金元素对临界点也有影响。合金元素对钢临界点的影响可以通过下列公式进行计算，根据合金元素的种类和数量计算出每个钢的临界点（℃）。

这里各元素符号实际为各元素在钢中的质量分数。

在实际生产中加热和冷却的相变点更有实用价值，是确定钢的淬火加热温度，正火加热温度和退火加热温度和钢的冷处理的依据。常用工具钢的临界点见表2-2～表2-4。