热处理良好钢的刀具与不良热处理的刀具差别在哪？

一把“热处理良好”的钢刀和一把热处理不佳或低于标准的钢刀之间有什么区别？一些刀具制造商因其出色的热处理而享有近乎传奇般的声誉。热处理有什么独特之处？它能将钢的性能提高多少？或者热处理不佳的钢有多不可靠？

下面一系列的测试将告诉你答案。

什么是热处理？

让我们从基础开始。最简单的钢经过加热、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。这部分可以写满整本书。在高温下，钢会转变为一种称为奥氏体的非磁性相，其碳溶解度比低温铁素体高得多。低温铁素体中的碳与各种碳化物（碳和金属的化合物）结合在一起，因此碳对强度和硬度的贡献不大。

在高温下，碳化物溶解，碳扩散到周围的奥氏体中。通常，较高的奥氏体化温度会导致更多的碳溶解，从而使最终热处理工具的硬度更高。在本文中，钢被快速淬火，使碳没有时间像碳化物那样扩散出来。这“锁定”了碳，从而导致高硬度。形成了一种称为马氏体的新相，它类似于铁素体，但已被铁原子之间的碳扭曲。本文介绍了马氏体的形成方式以及它为何具有高硬度。然后对钢进行回火，这会稍微降低钢的硬度并增加其韧性。通常，回火温度越高意味着硬度越低，但韧性越高。

热处理失败

虽然关于某种热处理优于另一种热处理的争论不休，但有些工艺或多或少客观上会导致不良结果。最常见的有：

1. 起始微观结构不一致。我所说的不一致是指钢材内部和不同刀具之间的不一致。这对于锻造刀片锻造商来说尤其重要，因为锻造商锻造的刀具中会有各种不同的微观结构。钢材应使用一致的方法进行正火和退火，以确保晶粒结构均匀，碳化物结构可用于最终热处理。如果刀具之间的微观结构不同，那么对热处理的反应也会不同。换句话说，即使最终热处理一致，硬度、韧性等也会有所不同。

2. 奥氏体化过程中温度/时间不足。如果钢的奥氏体化不充分，淬火前可能会残留铁素体。铁素体柔软且易延展，因此钢无法达到完全硬度，铁素体会降低强度。即使完全转变为奥氏体，也需要溶解足够的碳化物以使碳溶解以达到所需的硬度。奥氏体化过程中温度/时间不足最常见于那些使用锻炉或火炬进行目测热处理的人。这就是为什么锻炉经常用锉刀检查热处理过的刀片，因为如果钢用锉刀很容易切割，则意味着它们没有完全奥氏体化。如果仍然有铁素体残留，硬度可能低于 50 Rc。

3. 奥氏体化过程中温度/时间过高。如果钢过热，可能的结果之一是晶粒长大。晶粒大会导致韧性差。另一个问题是溶液中碳含量过高，导致形成易碎的“板状马氏体”。另一个潜在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，直到低于室温。在某个点，即使是低温处理也不能将所有奥氏体转化为马氏体。残余奥氏体过多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。简单的钢实际上是最敏感的，它们没有大量的碳化物来阻止晶粒长大，而且碳化物很容易溶解为溶液中的高碳。我们发现 5160 和 CruForgeV 的韧性都大大降低，即使在热处理数据表推荐的温度下也是如此。 参见下文，在 1550°F（而非 1450-1500°F）下对 CruForgeV 进行奥氏体化处理，韧性测试中吸收的能量不到 2 英尺磅。数据表建议温度为 1500-1550°F。

1080/1084 等简单钢材在硬度和韧性方面的最佳温度-时间组合范围最窄。然而，这些钢材最有可能由初学者用锻造眼进行热处理。“不良”热处理相对常见。磁铁可以帮助确定钢材何时处于大致的温度范围内，但并不精确。

4. 在高温操作过程中，钢会结垢并导致碳失去氧，这称为脱碳。氧气保护（例如使用热处理箔）对于高合金钢尤其必要，因为所需的奥氏体化温度非常高。如果没有氧气的保护，钢会失去大量的碳，导致硬度低和性能不佳。也可以使用高温液体涂层，例如 ATP-641 或 Turco。液体防垢涂层对于需要油淬的钢特别有用，因为在进行油淬之前无需去除箔。盐瓶使用起来更方便，尽管它们更昂贵。然而，盐瓶越来越受到刀具制造商的广泛使用。

5. 奥氏体化后淬火速度不足。不同的钢需要不同的淬火速度才能达到完全硬度。有些钢可以简单地留在空气中并完全硬化，而其他钢则需要非常快速的油淬甚至水淬才能完全硬化。如果冷却速度太慢，则会形成软相（例如铁素体或珠光体），而不是所需的硬马氏体。这些相会降低钢的强度。某些合金元素（例如锰、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度。给定钢所需的冷却速度称为其“淬硬性”。碳化物也会在缓慢冷却过程中沿晶粒边界形成，这些碳化物会降低韧性。 可在空气中冷却并完全硬化的高淬硬性钢称为“空气淬火”，而设计用于油淬的中等淬硬性钢称为“油淬火”，硬度最低的钢称为“水淬火”。下图显示了水淬火、油淬火和空气淬火钢的硬度与冷却速度的关系，您可以看到，要使水淬火钢完全硬化，需要更高的冷却速度。

奥氏体化过程还会影响所需的冷却速度，较高的奥氏体化温度通常会导致更高的淬硬性，所需的淬火速度也会更慢。这对于低淬硬性钢（如 1095 和 W2）来说最为重要，因为奥氏体不足会导致淬火后出现软点。出于第 3 点中所述的原因，这可以抵消在过高温度下进行奥氏体化的影响。有许多可用的淬火剂，包括许多不同的油。专为淬火设计的油是最好的，必须根据速度进行选择。“快速”油的速度几乎与水一样快，而中速或慢速油的变形较少，并且对于淬硬性较高的钢有开裂的风险。一些刀匠试图使用更便宜的油，例如菜籽油，虽然它们可以工作，但它们可能不是某些钢的最佳选择，

6. 淬火太快。淬火太快也是有可能的，因为它会导致“淬火裂纹”、翘曲和其他问题。对于较厚的部件或形状复杂的部件，这尤其成问题。表面冷却速度比芯部快，由于温度变化和相变（较冷的相首先变为马氏体）导致的尺寸变化差异会导致刀片应力。显然，如果这些应力达到刀片中形成裂纹的程度，它们就是薄弱点。

7. 回火不足。如果钢的回火温度不够高或回火时间不够长，钢的韧性将达不到应有的水平。所需的回火温度取决于钢的性质以及之前的奥氏体化和淬火程序。对于许多钢而言，硬度会相对缓慢地下降，而韧性则会相应增加。我们已在回火温度仅为 300°F 的情况下测试了几种韧性良好的钢（如 AEB-L）的韧性。对于某些钢而言，低于此温度的回火温度会导致韧性相对急剧下降。在对 5160 进行的韧性研究中，我们发现 375°F 的回火可产生非常高的韧性，而 350°F 的回火会导致韧性下降一半以下。

8. 回火过度。在上面的 5160 图表中，您可以看到，如果回火温度为 450°F 而不是 400°F，韧性会略有下降。这似乎不是什么大问题，但回火温度越高，硬度也会降低，因此韧性-硬度平衡总体上会降低。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匠中相对常见，虽然它可能会导致或不会导致容易损坏，但这并不是理想的选择，应该避免。

一些钢，例如硅合金钢和高合金钢（包括大多数空气硬化工具钢），不易受到 TME 的影响。这些钢可以回火至 500°F 甚至 600°F 而不会变脆。下图显示了 A2（高合金）和 O1（低合金）工具钢的回火和韧性之间的关系，您可以看到，对于 A2，在回火温度约为 500°F 时达到峰值韧性，表明 TME 被抑制到更高的温度。

9. 回火循环不足。如不良热处理 3（过度回火）中所述，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，这种奥氏体不稳定并转变为马氏体。然后，这种新的马氏体“未回火”，需要另一个回火循环，以便成品工具中不会出现脆性马氏体。大多数钢需要至少两个回火循环，中间要冷却至室温。有些钢需要更多的回火循环，特别是如果设计为在回火过程中有大量奥氏体转变，例如一些高速钢。

“良好”热处理的选择范围

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），我们就可以获得所谓的“良好”热处理。许多工具制造商都进行良好的热处理。在大多数情况下，使用控制良好的炉子进行奥氏体化，在良好的介质中淬火并适当回火可获得良好的热处理。特别是如果遵循提供推荐温度范围的钢材数据表中的建议。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。最佳组合是什么？各种参数如何影响不同的属性？

硬度和强度

硬度是强度的量度。硬度越高，滚动阻力越小，尤其是在薄边上。如果残余奥氏体过多，即使硬度相同，屈服强度也会降低：

硬度和韧性

钢材的韧性很大程度上受其硬度控制。一般来说，硬度越高，韧性越低。因此，选择刀具的目标硬度通常是在硬度（强度；抗滚动性）和韧性（抗崩裂性）之间取得平衡。下图显示了 CruForgeV 钢材的硬度与韧性。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，切片边缘保持性越好。切片边缘保持性通常与耐磨性密切相关。硬度越高，耐磨性越好，就像软材料更容易刮伤一样。对于给定的钢材，每 1 Rc 切片边缘保持性可以提高约 5-10%。绳索切割测试显示的结果与 CATRA 测试相似。Wayne Goddard 在他的绳索切割测试中也发现边缘保持性随着硬度而有类似的改善。

硬度和热处理变量

提高硬度主要通过两种方法实现：提高奥氏体化温度或降低回火温度。对于给定的目标硬度，存在一系列奥氏体化-回火温度组合。在较高温度下进行奥氏体化并结合较高的回火温度是否更好？还是将较低的奥氏体化温度与较低的回火温度相结合更好？这取决于目标硬度和所涉及的钢材。通常，较低的奥氏体化温度有利于提高韧性，因为晶粒尺寸较小，溶液中的碳较少。请参见下表，了解 K390 的韧性与奥氏体化温度的关系，所有钢材均回火至相同硬度。

但是，奥氏体化温度越低越好。在某些情况下，最好让钢材知道硬度和韧性的最佳组合在哪里，例如我们在 52100 的测试中发现，韧性峰值出现在奥氏体化温度为 1500 至 1525°F 时。与在 1450-1475°F 范围内进行奥氏体化相比，52100 使用此温度范围可产生更高的硬度和韧性。

52100钢热处理试验

热处理和耐腐蚀性能

然而，除了韧性之外，还有更多因素。更高的奥氏体化温度会导致更多的铬碳化物溶解，从而使铬保持“溶解状态”，从而提高耐腐蚀性。因此，对于不锈钢而言，热处理的选择也取决于耐腐蚀性。提高耐腐蚀性是另一个重要因素，它会使不锈钢平衡热处理的设计更加复杂。

低温、高温回火

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

使用二次硬化可实现“热硬度”，这样硬度在高温下不会损失。钢可以加热到略低于其原始回火温度的温度，并且在冷却至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，例如在磨削操作中，钢不易软化。

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

耐腐蚀性能与回火温度

耐腐蚀性也是选择较高和较低的回火温度范围的一个因素。在高温范围内回火会形成非常细小的铬碳化物，从而降低耐腐蚀性。因此，通常建议不锈钢使用低温范围。下图显示了 440C、S90V 和 S110V 的腐蚀率与回火温度的关系（温度越低越好）。

钢材冷加工

可以对钢进行冷处理以减少残余奥氏体，例如使用液氮或干冰。这会增加强度和硬度。残余奥氏体具有延展性并可提高韧性（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。有些研究表明低温处理可提高耐磨性，但我对这些研究的回顾表明，除了硬度增加外，结果并不十分令人信服。而 CATRA 对 154CM 的研究表明，在边缘保持测试中，低温处理没有改善。

多次淬火和热循环

一些刀匠会进行多次奥氏体化和淬火循环，以细化晶粒尺寸，从而提高性能。我们自己的多次淬火测试结果好坏参半，CruForgeV 没有改善，AEB-L 没有太大改善，A2 也没有改善。总的来说，我还没有看到过一次淬火能大幅提高韧性的案例。对于从事锻造的刀匠来说，在锻造过程中增大晶粒尺寸可能更有意义。

贝氏体

有研究表明，对钢进行热处理使其具有贝氏体而非马氏体结构可以提高韧性。

差异热处理

一些刀具制造商会进行不同的热处理，使刀脊柔软而刀刃坚硬。即使刀刃保持不变，这也可以提高刀具的整体韧性。我以前没有写过太多关于不同热处理的文章，但这是另一个例子，说明不同的热处理如何产生不同的性能。

超级热处理

一些刀具制造商以“超级”、“优秀”甚至“传奇”的热处理而闻名。很难评估其中有多少是传说，有多少是事实。好的热处理和本文开头讨论的“坏”热处理之间肯定有很大的区别。然而，设计一种热处理来将任何给定类别的给定硬度提高 10-20% 以上是非常困难的。这样做可能需要与其他属性进行权衡。冶金学家花费大量时间优化热处理，随机的刀具制造商不太可能采取超出标准研究的方法。如果没有定量测试和比较，我会发现大规模的改进非常值得怀疑。虽然许多刀具制造商的热处理效果非常好，但我对任何声称一个刀具制造商的热处理方法优于其他制造商的说法持怀疑态度。与“坏”热处理相比，刀具制造商或刀具公司可能会有很大的不同。

热处理的变异性

Crucible、Uddeholm、Bohler 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。不可能每次都获得精确的成分。即使最终成分接近完美，仍会存在一些范围，只是在较小的范围内。因此，即使在同一等级的钢中，对热处理的反应范围也很广泛。即使使用完全相同的方法进行热处理，一批钢可能产生 61.2 Rc，而另一批钢可能产生 60.5 Rc。

热处理也有变化。没有炉子可以完美地保持精确的温度，只能保持一个范围。炉子需要一段时间才能“稳定”在目标温度上。炉内有变化，炉后角的温度可能比热电偶读数高或低。大型工业热处理工艺使用大型炉子，它们运行尽可能接近容量的负载。炉内的温度肯定会有变化，温度会在整个过程中波动。在家进行热处理的刀匠通常一次只做一小批甚至一把刀。然而，没有人会将钢保持在完全相同的温度下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，这会改变刀的加热速度和淬火速度。刀的核心在峰值温度下停留的时间会更短，淬火时冷却速度会更慢。当谈到用眼睛进行热处理的刀匠时，变化就更大了。

总而言之，由于这些因素和其他因素，通常不可能每次都对每把刀进行热处理以使其具有完全相同的属性。最终属性会有一些变化。通常（希望如此），范围足够窄，因此无关紧要。

钢材、热处理和边缘几何形状

换用另一种钢材对钢材性能的影响比改进热处理效果更大。通过改变单一钢材的热处理，可以获得一系列性能。

韧性

但是，使用“坚韧”的钢材会比对高耐磨钢进行以韧性为重点的热处理提供更高的韧性。以下显示了几种 Uddeholm 钢材的韧性与硬度关系。假设您已经用 60 Rc Vanadis 8（10V 等效，K390 等效）生产了一把刀，但您发现预期的刀上有微缺口。降低到 58 Rc 甚至 56 Rc 会增加韧性。但是，56 Rc Vanadis 8 仅比 62.5 Rc Vanadis 4 Extra 略强。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 可能会在保持与之前使用的 Vanadis 8 相同的强度的同时，提供更大的韧性提升。Vanadis 4 Extra 中碳化物含量较低，因此在相同硬度下比 Vanadis 8 具有更高的韧性。

边缘保留

类似的原则也适用于刀刃保持力和耐磨性。硬度越高，刀刃保持力越好。但是，使用碳化物含量更多和/或碳化物更硬的钢材可以大大提高刀刃保持力。下图显示了 Carpenter Steel 测试的几种钢材的耐磨性和硬度之间的关系，您可以看到，使用更耐磨的钢材比增加硬度更有效（图表上硬度越低越好）：

在 CATRA 和绳索切割边缘保持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更大的影响是刀刃几何形状。较薄、较锋利的刀刃比较厚、较钝的刀刃切割效果更好、切割时间更长。下图显示了 CATRA 测试中各种钢材切割后切割的库存量与刀刃角度的关系。每侧刀刃 25°（此图上总共 50°），刀刃保持度可达 200 毫米。即使使用磨损率非常低的钢材，每侧使用 15° 仍可切割 200 毫米的卡片纸，使用高磨损率钢材，则可切割 800 毫米。使用恒定角度但后面的刀刃较薄时，也可以看到类似的效果。

同样的原理反过来也适用于刀刃的强度和韧性。较厚、较钝的刀刃更难变形或碎裂。

刀刃几何形状是刀具设计中最重要的部分，最好的钢材和热处理组合也无法取代它。设计可能是一个反复的过程，几何形状部分取决于最终用途，但也取决于钢材的极限。优秀的钢材选择和热处理可以为给定应用提供更薄的刀刃几何形状，从而获得更好的切割性能。仅改进钢材或热处理而不改变几何形状将带来较少的好处。

明晰

使用更薄的几何形状也意味着可以更轻松地进行锐化，因为要去除的材料更少。但是，钢材的选择和热处理也会影响锐化的难易程度。硬度越高意味着耐磨性越高，因此需要更多时间来去除材料。但是，由于边缘粗糙度增加，较低硬度的钢无法达到相同的锋利度。低硬度钢和残余奥氏体过多的钢往往更容易形成毛刺，尤其是在薄边缘上。硬钢不太可能形成大毛刺，但如果钢易碎，在锐化薄边缘时微崩裂可能是一个问题。

总结

出于上述原因，我认为许多刀匠的热处理可以归因于他们出色的刀片设计和外观。毕竟，客户看到的是制作精良、舒适且切割顺畅的刀片。我并不是说刀匠的热处理技术不够好，但最终用户不太可能注意到比设计和形状精美的刀片更好的热处理。但是，当谈到“不良”热处理时，如果对柔软、易碎等的刀片应用了错误的热处理，最终用户会注意到这一点。刀匠或刀具公司的工作是确保他们选择正确的钢材，正确地进行热处理，并针对刀片设计优化其性能，并设计出外观美观的刀片，该刀片可在钢材极限范围内工作，以满足预期用途和最终用户的需求。没有打破物理学的“神奇”热处理方法，但是，可以测试和调整各种热处理变量，以找到目标属性的最佳组合。