理良好钢的刀具与不良或低于标准热处理的差别

由“良好状态”钢制成的刀与热处理不良或低于标准的刀之间到底有什么区别？ 一些刀具制造商因其出色的热处理而享有近乎传奇的声誉。 就热处理而言，其独特之处在哪里？ 它能提高钢材的性能多少？ 或者说劣质的热处理钢有多不可靠？

下面一系列的测试将会给你答案。

什么是热处理？

让我们从基础开始。 最简单的形式是对钢进行加热、淬火和回火。 这最终提供了所需的性能，包括高硬度和足够的韧性。 这部分的详细内容可以写一本书。 在高温下，钢转变为一种称为奥氏体的非磁性相，它比低温铁素体更易溶于碳。 低温铁素体将碳结合在各种碳化物（碳和金属的化合物）中，因此碳对强度和硬度的贡献不大。 在高温下，碳化物溶解并且碳扩散到周围的奥氏体中。 一般来说，较高的奥氏体化温度会导致更多的碳溶解，从而导致最终热处理工具的硬度更高。 在本文中，钢被快速淬火，使得碳没有时间以碳化物的形式扩散出来。 这“锁定”了碳，从而产生高硬度。 形成一种称为马氏体的新相，它与铁素体相似，但已被铁原子之间存在的碳扭曲。 本文介绍了马氏体的形成及其高硬度的原因。 然后对钢进行回火，这会在一定程度上降低其硬度并增加其韧性。 一般来说，较高的回火温度意味着较低的硬度但较高的韧性。

热处理失败

尽管可能会争论是什么使一种热处理优于另一种热处理，但有些工艺或多或少会客观地导致不良结果。 常见的包括以下几个方面：

1、初始微观组织不一致。 钢材内部和不同刀具之间存在不一致。 这对于锻造刀片锻造者来说尤其重要，因为他们的锻造刀具会具有各种不同的微观结构。 钢应采用一致的方法进行正火和退火，以确保晶粒结构均匀，并为最终热处理提供碳化物结构。 如果每把刀的微观结构发生变化，那么对热处理的响应也会发生变化。 也就是说，即使继续进行最终热处理，硬度、韧性等也会发生变化。

2、奥氏体化时温度/时间不够。 如果钢没有充分奥氏体化，则淬火前可能会残留铁素体。 铁素体柔软且具有延展性，因此钢永远不会达到完全硬度，并且铁素体会降低其强度。 即使完全转变为奥氏体，也需要溶解足够的碳化物以使溶液中含有碳才能达到所需的硬度。 奥氏体化过程中温度/时间不足是那些用锻炉或火炬热处理眼睛的人中最常见的情况。 这就是铁匠经常用锉刀检查热处理刀片的原因，因为如果钢很容易用锉刀切割，则意味着它们没有完全奥氏体化。 如果铁素体仍然存在，硬度可能会低于 50 Rc。

3、奥氏体化时温度/时间过高。 如果钢过热，一种可能的结果是晶粒长大。 大晶粒导致韧性差。 另一个问题是溶液中碳含量过多，导致脆性“板状马氏体”的形成。 另一个潜在的问题是残余奥氏体过多。 较高的奥氏体化温度会降低马氏体形成的温度，直至低于室温。 在某一点上，即使低温处理也不能将所有奥氏体转变为马氏体。 过多的残余奥氏体会导致强度和硬度降低。 有些钢比其他钢对过度奥氏体化更敏感。 简单钢实际上是最敏感的，它们没有大量碳化物来阻止晶粒长大，而且碳化物很容易在溶液中溶解成高碳。 我们发现，即使在热处理数据表推荐的温度下，5160 和 CruForgeV 的韧性也明显较差。 参见下文，在韧性测试中，在 1550°F（而不是 1450-1500°F）下奥氏体化 CruForgeV 导致吸收的能量少于 2 英尺磅。 数据表建议 1500-1550°F。

1080/1084 等简单钢在最佳温度-时间组合下的硬度和韧性范围最窄。 然而，这些钢最有可能由具有锻造眼睛的初学者铁匠进行热处理。 “不良”热处理相对常见。 磁铁可以帮助确定钢何时处于大致温度范围内，但这并不精确。

4、钢在高温作业时会结垢，使碳失去氧，称为脱碳。 高合金钢特别需要氧保护，例如使用热处理箔，因为需要高奥氏体化温度。 如果没有氧的保护，钢就会失去碳中的大量碳，导致硬度低、性能差。 也可以使用高温液体涂料，例如 ATP-641 或 Turco。 液体防污涂料对于需要油淬火的钢材特别有用，因为在进行油淬火之前不需要去除金属箔。 盐瓶更容易使用，但价格更贵。 然而，盐瓶正被刀具制造商越来越广泛地使用。

5、奥氏体化后淬火速度不够。 不同的钢需要不同的淬火速率才能达到完全硬度。 有些钢可以简单地放置在空气中并完全硬化，而另一些钢则需要非常快速的油淬甚至水淬才能完全硬化。 如果冷却太慢，就会形成软相，如铁素体或珠光体，而不是所需的硬马氏体。 这些相降低了钢的强度。 某些合金元素如锰、铬和钼会抑制铁素体或珠光体的形成，因此可能会降低冷却速率。 给定钢所需的冷却速率称为其“淬透性”。 在缓慢冷却过程中，碳化物也会沿着晶界形成，这些碳化物会降低韧性。 可以在空气中冷却并完全硬化的高淬透性钢称为“空气淬火”，而设计用于油淬的具有中等淬透性的钢称为“油淬”，具有最低淬透性的钢称为“空气淬火” ”。 “水淬”。 下图显示了水硬化钢、油硬化钢和空气硬化钢的硬度与冷却速率的函数关系，您可以看到，要完全硬化水硬化钢需要更高的冷却速率。

奥氏体化处理也会影响所需的冷却速率，通常较高的奥氏体化温度会导致较高的淬透性和较慢的所需淬火速度。 这对于 1095 和 W2 等低淬透性钢来说最为重要，因为奥氏体不足会导致淬火后出现软点。 由于第 3 条中所述的原因，这可以与过高温度下的奥氏体化进行权衡。有许多淬火剂可用，包括几种不同的油。 专为淬火设计的油是最好的，并且必须根据速度进行选择。 “快速”油的工作速度几乎与水一样快，而中速或慢速油的变形较小，并且在淬透性较高的钢中存在开裂的风险。 一些刀匠尝试使用更便宜的油，例如菜籽油，虽然它们可以工作，但它们可能不是某些钢材的最佳选择，

6、淬火太快。 淬火太快也是可能的，因为它会导致“淬火裂纹”、翘曲和其他问题。 对于较厚的零件或复杂的形状，这尤其是一个问题。 表面比核心冷却得更快，并且由于温度变化和相变（首先从较冷的相变到马氏体）导致的尺寸变化差异导致叶片应力。 显然，如果这些应力达到在叶片中形成裂纹的程度，则它们是薄弱点。

7、回火不足。 如果钢没有在足够高的温度或足够的时间下回火，钢就不会像它应有的那样坚韧。 所需的回火温度取决于钢和之前的奥氏体化和淬火程序。 对于许多钢来说，硬度相对逐渐降低，韧性相应增加。 我们测试了几种韧性良好的钢材的韧性，例如回火至 300°F 的 AEB-L。 对于某些钢来说，如果回火温度低于这个温度，韧性会下降得比较快。 在对 5160 进行的韧性研究中，我们发现 375°F 回火可产生非常高的韧性，而 350°F 回火则导致韧性不到一半。

8、回火过多。 在上面的 5160 图表中，您可以看到，使用 450°F（而不是 400°F）回火温度进行回火时，韧性略有下降。 这看起来似乎没什么大不了的，但更高的回火也会降低硬度，从而整体上降低韧性-硬度平衡。 这种效应称为“回火马氏体脆化”(TME)，在 450-650°F 左右的温度下回火时韧性会降低。 在 TME 温度范围内回火在刀具制造商中相对常见，虽然它可能会也可能不会导致容易失效，但它并不理想，应该避免。

某些钢，例如硅合金钢和高合金钢（包括大多数空气硬化工具钢）不太容易受到 TME 的影响。 这些钢可以回火至 500°F 甚至 600°F 而不会脆化。 下图显示了 A2（高合金）和 O1（低合金）工具钢的回火与韧性之间的关系，您可以看到 A2 的回火温度约为 500°F 时达到峰值韧性，表明将 TME 抑制到更高的温度。

9.回火周期不足。 正如不良热处理3（过度韧化）中提到的，淬火后通常会残留一些奥氏体。 在回火过程中，冷却至室温后，该奥氏体变得不稳定并转变为马氏体。 然后，这种新的马氏体“未回火”，并且需要另一个回火循环，以便脆性马氏体不会出现在最终的工具中。 大多数钢材需要至少两次回火周期，中间冷却至室温。 有些钢需要更多的回火周期，特别是如果设计为具有大量在回火过程中转变的奥氏体，例如某些高速钢。

一系列“良好”热处理的选择

如果避免了上述所有问题（以及我没有提到或忘记的其他问题），我们将获得所谓的“良好”热处理。 许多刀具制造商都实施良好的热处理。 在大多数情况下，使用控制良好的炉进行奥氏体化、在良好的介质中淬火以及正确的回火将产生良好的热处理。 尤其是遵循钢材数据表中提供推荐温度范围的建议时。 然而，在良好的热处理范围内，有许多可接受的参数和处理组合。 最好的组合是什么？ 不同的参数如何影响不同的属性？

硬度和强度

硬度是强度的衡量标准。 更高的硬度意味着更好的滚动阻力，尤其是在薄边缘上。 一种情况是残余奥氏体过多，即使硬度相同，屈服强度也会降低：

硬度和韧性

钢的韧性很大程度上由其硬度控制。 一般来说，硬度越高意味着韧性越低。 因此，选择刀具的目标硬度通常是硬度（强度；抗滚动性）和韧性（抗碎裂性）之间的平衡。 下图显示了 CruForgeV 钢的硬度和韧性。 它还显示了“纵向”和“横向”方向的韧性测试。

硬度和边缘保持力

硬度越高意味着切片边缘保持力越好。 切片边缘的保护通常与耐磨性密切相关。 硬度越高意味着耐磨性越好，就像软材料更容易被划伤一样。 对于给定的钢材，每 1 Rc，切片边缘保留率提高约 5-10%。 绳索切割测试显示与 CATRA 测试类似的结果。 韦恩·戈达德 (Wayne Goddard) 在绳索切割测试中也发现了边缘保持力和刚度方面的类似改进。

硬度和热处理变量

获得更高的硬度主要有两种方法：较高的奥氏体化温度或较低的回火温度。 对于给定的目标硬度，存在一系列奥氏体回火温度组合。 在较高温度下奥氏体化与较高回火温度相结合是否更好？ 或者将较低的奥氏体化温度与较低的回火温度结合起来？ 这取决于目标硬度和所涉及的钢材。 一般来说，较低的奥氏体化温度有利于韧性，因为晶粒尺寸较小并且固溶体中碳含量较少。 回火至相同硬度的K390的韧性与奥氏体化温度的关系如下表所示。

然而，奥氏体化程度越低越好。 在某些情况下，最好让钢知道硬度和韧性的最佳组合在哪里，例如我们对 52100 的测试，在 1500 至 1525°F 的奥氏体化温度下发现韧性峰值。 与 1450-1475°F 范围内的奥氏体化相比，在 52100°F 的温度范围内使用可产生更高的硬度和韧性。

52100钢的热处理试验

热处理及耐腐蚀性能

但这些因素不仅仅是恢复力。 较高的奥氏体化温度会导致碳化铬更多溶解，从而使铬保持在“溶液中”以提高耐腐蚀性。 因此，对于不锈钢来说，热处理的选择也是由耐腐蚀性来驱动的。 提高耐腐蚀性是使不锈钢平衡热处理设计复杂化的另一个重要因素。

低温、高温回火

高合金钢，例如空气硬化工具钢和不锈钢，可以在两个主要范围内进行回火，即低温标准范围（

使用二次硬化可提供“热硬度”，因此在高温下不会损失硬度。 钢可以加热到略低于其原始回火温度，并且在冷却到室温时不会失去硬度。 因此，当在高温回火范围内达到硬度时，例如在磨削操作期间，钢不易软化。

使用低温或高温回火范围可以产生相似的硬度和韧性组合。 然而，在某些情况下，低温回火可以带来优异的韧性，例如，在进行 Z-Wear (CPM CruWear) 测试时，我们执行了以下操作：

耐腐蚀性及回火温度

耐腐蚀性也是选择上下回火温度范围的一个因素。 在高温范围内回火会导致形成非常细小的碳化铬，从而降低耐腐蚀性。 因此，通常建议不锈钢使用较低的温度范围。 440C、S90V、S110V的腐蚀速率与回火温度的关系如下（越低越好）。

钢的冷加工

钢可以进行冷处理以减少残余奥氏体，例如液氮或干冰。 这增加了强度和刚度。 残余奥氏体具有延展性，可增加韧性（参见 52100 韧性图），但它会降低屈服强度，并且奥氏体在使用过程中也可能转变为未回火马氏体。 有一些研究表明低温处理可以提高耐磨性，但我对这些研究的回顾表明，除了硬度增加之外，结果并不十分令人信服。 154CM 的 CATRA 研究表明，低温下的边缘保持测试没有改善。

多次淬火和热循环

一些刀具制造商进行多次奥氏体化和淬火循环以细化晶粒尺寸以提高性能。 我们自己的多次淬火测试的组合显示，CruForgeV 没有任何改进，AEB-L 没有太大改进，A2 也没有改进。 总体而言，我还没有看到一个案例能够导致恢复力大幅提高。 对于铁匠刀匠来说，在锻造过程中放大晶粒尺寸可能更有意义。

贝氏体

研究表明，对钢进行热处理使其具有贝氏体而不是马氏体结构可以提高韧性。

差动热处理

一些刀匠会进行不同的热处理，以提供柔软的刀脊和坚硬的边缘。 即使刀刃保持不变，这也提高了刀的整体韧性。 我过去没有写太多关于差别热处理的文章，但这是不同热处理如何产生不同性能的另一个例子。

超热处理

一些刀具制造商以其“超级”、“出色”甚至“传奇”的热处理而闻名。 很难评估这其中有多少是传说，有多少是真实的。 良好的热处理和本文开头讨论的“不良”热处理之间肯定存在很大差异。 然而，设计一种能够将任何给定类别的给定硬度提高 10-20% 以上的热处理是非常困难的。 这样做可能需要权衡其他属性。 冶金学家花费大量时间来优化热处理，随机的刀匠不太可能采取超出标准研究范围的方法。 如果没有定量的测试和比较，我发现大规模的改进是非常值得怀疑的。 尽管许多刀匠进行了非常好的热处理，但我对任何关于刀匠的热处理方法优于其他方法的断言表示怀疑。 与“糟糕”的热处理相比，刀具制造商或刀具制造公司可以发挥很大的作用。

热处理变异性

坩埚钢、Uddeholm 钢、Bohler 钢和 Carpenter 钢的数据表通常显示目标成分，而不是每种元素的可接受范围。 每次都获得精确的成分是不可能的。 即使最终的成分变化接近完美，仍然会有一定的范围，只是规模较小。 因此，即使是同一牌号的钢，对热处理的响应范围也很大。 即使使用完全相同的热处理方法，一批可以生产61.2 Rc，另一批可以生产60.5 Rc。

热处理方面也存在差异。 没有炉子可以完美地保持精确的温度，只有一个范围。 熔炉需要一段时间才能“稳定”在目标温度。 炉内存在变化，炉后角的温度可能高于或低于热电偶读数。 大型工业热处理工艺使用负载尽可能接近容量的大型熔炉。 炉内温度肯定会存在一些变化，并且在整个过程中温度都会波动。 在家进行热处理的刀具制造商通常一次只生产小批量甚至一把刀。 然而，没有人能将钢的温度保持完全相同的时间或以完全相同的方式淬火。 刀具有不同的尺寸和厚度，这会改变刀具的加热速率和淬火速率。 型芯在峰值温度下停留的时间会更少，并且在淬火过程中冷却得更慢。 当谈论用眼睛进行热处理的刀匠时，差异就更大了。

总而言之，在这些因素和其他因素之间，通常不可能对每把刀进行热处理以使其每次都具有完全相同的性能。 最终的表现会有一些变化。 通常（希望）这个范围足够窄，因此并不重要。

钢材、热处理和边缘几何形状

更换为另一种钢对钢性能的影响比改进热处理的影响更大。 通过改变单一钢的热处理可以获得一系列性能。

韧性

然而，使用“延展性”钢将比对高耐磨钢进行注重韧性的热处理提供更高的韧性。 几种 Udholm 钢的韧性与硬度关系如下所示。 想象一下，您用 Vanadis 60 Rc 8（10V 等效，K390 等效）生产了一把刀，但您在打算使用的刀中看到了微芯片。 降低到 58 Rc 甚至 56 Rc 会增加韧性。 然而，56 Rc Vanadis 8 仅比 62.5 Rc Vanadis 4 Extra 更强。 在如此低的硬度下使用 Vanadis 8 可能会导致强度问题。 在相同硬度下改用 Vanadis 4 Extra 可大幅提高韧性，同时保持与之前使用的 Vanadis 8 相同的强度。在相同硬度下，Vanadis 4 Extra 的碳化物含量更低，韧性比 Vanadis 8 更高。

边缘保留

类似的原理也适用于边缘保持力和耐磨性。 提高刚度将提供更好的边缘保持力。 然而，通过使用具有更多碳化物和/或更硬碳化物的钢可以大大改善边缘保持力。 下图显示了 Carpenter Steel 测试的几种钢材的耐磨性与硬度的关系，您可以看到，改用更高耐磨性的钢材比提高硬度更有效（图表中越低越好）：

在 CATRA 和绳索切削刃保持力测试中也发现了类似的差异。

边缘几何形状

比钢材选择和热处理影响更大的是边缘几何形状。 较薄、较锋利的边缘比较厚、较钝的边缘切割效果更好，并且需要更长的时间。 下图显示了各种钢材的 CATRA 测试中切角后的毛坯切割量相对于拐角的情况。 边缘保留最大 200 毫米，每侧边缘 25°（该图中总共 50°）。 即使使用非常低的耐磨性钢，也可以使用每侧 15° 切割 200 毫米的卡片纸，使用高耐磨性钢则可切割 800 毫米。 在恒定角度下可以看到类似的效果，但边缘后面更薄。

对于边缘强度和韧性，同样的原理相反。 较厚、较钝的边缘更难以翘曲或碎裂。

刀片几何形状是刀设计中最重要的部分，钢材和热处理的最佳组合无法取代它。 设计可以是一个迭代过程，几何形状部分取决于最终目标，但也取决于钢材的限制。 优秀的钢材选择和热处理可以为给定的应用提供更薄的边缘几何形状，从而获得更好的切削性能。 仅仅改进钢材或热处理而不改变几何形状会带来更少的增益。

明晰

使用更薄的几何形状还意味着可以更轻松地进行锐化，因为需要去除的材料更少。 然而，钢材的选择和热处理也会影响刃磨的难易程度。 硬度越高意味着耐磨性越高，因此去除材料需要更多时间。 然而，由于边缘粗糙度增加，低硬度钢无法达到相同的清晰度。 低硬度钢和含有过量残余奥氏体的钢容易形成毛刺，特别是在薄边缘上。 硬钢不太可能形成大毛刺，但如果钢很脆，则在锐化薄边缘时微碎屑可能会成为问题。

总结与结论

出于上述原因，我相信许多刀匠的热处理技术都可以归因于他们出色的刀具设计和作品的完美呈现。 毕竟，顾客看到的是一把做工精良、手感舒适、切割顺畅的刀。 我并不是说刀具制造商没有良好的热处理，而是说，如果刀具设计和形状精美，最终用户不太可能会注意到一种热处理比另一种更好。 但说到“不良”热处理，如果对刀片进行了错误的热处理，使其变软、变脆等，最终用户就会注意到。 刀具制造商或刀具公司的工作是确保他们选择正确的钢材，对其进行正确的热处理，并针对刀具的设计优化其性能，并在钢材的预期用途范围内设计出美观的刀具形状，最终用户 。 不存在打破物理原理的“神奇”热处理方法，但是可以测试和调整各种热处理变量，以找到目标性能的最佳组合。