关于使用“热处理良好”钢的刀具与不良或低于标准热处理的刀具之间的差别到底在哪里？。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，它的独特之处在哪里？钢材因它能提高多少性能？或不良的热处理的钢材到底有多不靠谱？

下面一系列的测试，给您答案。

什么是热处理？

让我们从基础开始。最简单的形式是将钢加热，淬火和回火。这最终提供了所需的特性，包括高硬度和足够的韧性。这部分细究起来，可以写一本书。在高温下，钢转变为称为奥氏体的非磁性相，其对碳的溶解度比低温铁素体高得多。低温铁氧体将碳束缚在各种碳化物（碳和金属的化合物）中，因此碳在很大程度上不会提高强度和硬度。

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导致更多的碳溶解，从而在最终热处理的刀具中具有更高的硬度。在本文中，将钢快速淬火，使碳没有时间像碳化物那样扩散出去。这样可以“锁定”碳，从而获得高硬度。形成了称为马氏体的新相，该相类似于铁素体，但已被存在于铁原子之间的碳扭曲。本文讲述了马氏体的形成及其高硬度的原因。然后对钢进行回火，这在某种程度上降低了钢的硬度并增加了其韧性。通常，较高的回火温度意味着较低的硬度但较高的韧性。

失败的热处理

尽管可能会争论什么使一种热处理优于另一种热处理，但是有些过程或多或少地客观地导致了不良的结果。常见的有以下几个方面：

1.起始微观结构不一致。不一致是指在钢内以及不同刀之间。这对于锻造刀片锻造者尤其重要，因为锻造者将在锻造的刀中拥有各种不同的微观结构。应使用一致的方法对钢进行正火和退火，以确保晶粒结构均匀且碳化物结构可用于最终热处理。如果每个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。换句话说，即使最终的热处理持续进行，硬度，韧性等也会有所不同。

2.奥氏体化期间的温度/时间不足。如果钢的奥氏体化不足，淬火前可能会残留铁素体。铁素体柔软而易延展，因此钢不会达到**的硬度，铁素体会降低强度。即使**转变为奥氏体，也需要溶解足够的碳化物以在溶液中具有碳，以实现所需的硬度。奥氏体化期间的温度/时间不足最常见于那些用锻造或火炬进行眼睛热处理的人。这就是为什么锻工经常用锉刀检查经过热处理的刀片的原因，因为如果用锉刀轻易地切割钢材，这意味着他们没有**奥氏体化。如果仍然存在铁素体，则硬度可能会低于50 Rc。

3.奥氏体化期间温度/时间过多。如果钢过热，可能的结果之一就是晶粒长大。大晶粒导致韧性差。另一个问题是溶液中的碳过多，导致形成脆性的“板状马氏体”。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，直至其甚至低于室温。在某一点上，即使进行低温加工也无法将所有奥氏体转变为马氏体。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为敏感。简单的钢实际上是最敏感的，它们没有很多碳化物来防止晶粒长大，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，即使热处理数据表建议的温度也是如此。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 ft-lbs。该数据表建议1500-1550°F。

就硬度和韧性而言，像1080/1084这样的简单钢在**温度-时间组合下具有最窄的范围。但是，这些钢最有可能被初学者的锻造匠用锻造用眼睛进行热处理。“不良”热处理相对普遍。磁铁可以帮助确定何时钢处于大约温度范围内，但这并不精确。

4.在高温操作过程中，钢会结垢，并使碳失去氧气，这称为脱碳。尤其需要对高合金钢进行氧气保护，例如用热处理箔，因为所需的奥氏体化温度很高。如果没有氧气的保护，钢会在碳中损失大量碳，从而导致硬度低和性能差。还可以使用高温液体涂料，例如ATP-641或Turco。液体防垢涂料对于需要油淬的钢特别有用，因为在这样做之前没有需要去除的箔。盐罐的使用更容易，尽管它们更昂贵。然而，盐罐正变得越来越广泛地用于刀匠。

5.奥氏体化后淬火速度不足。不同的钢需要不同的淬火速率才能获得**的硬度。有些钢可以简单地留在空气中并**硬化，而另一些则需要非常快速的油淬或什至水淬才能**硬化。如果冷却太慢，则会形成软相，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度。给定钢所需的冷却速率称为其“淬透性”。在缓慢冷却过程中，碳化物还会沿晶界形成，而这些碳化物会降低韧性。可以在空气中冷却并**硬化的高淬透性钢称为“空气淬火”，而设计为在油中淬火的具有中等淬透性的钢称为“油淬火”，而硬度**的钢称为“水淬火”。下图显示了水硬化，油硬化和空气硬化钢的硬度与冷却速率的关系，您可以看到要**硬化水硬化钢，需要更高的冷却速率。

奥氏体化处理也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。这对于低淬透性钢（例如1095和W2）最为重要，在这些钢中，奥氏体不足会导致淬火后产生软点。出于数字3中所述的原因，这可以与在太高的温度下奥氏体化进行权衡。有很多可用的淬火剂，包括多种不同的油。设计用于淬火的油是**的，必须根据速度选择。“快”油几乎可以和水一样快，而中或慢油对具有较高淬透性的钢来说，变形较小，并且有开裂的风险。一些刀匠试图使用价格更便宜的油，例如低芥酸菜籽油，尽管它们可以工作，但对于某些钢材而言可能不是**选择，

6.淬火太快。淬火过快也是可能的，因为它可能导致“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。表面的冷却速度快于芯部，并且由于温度变化和相变（首先是较冷的相变而先转变为马氏体的区域）而导致尺寸变化的差异，导致叶片应力。显然，如果这些应力达到了在叶片中形成裂纹的点，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回火，钢将不会像它可能的那样坚韧。所需的回火温度取决于钢以及先前的奥氏体化和淬火程序。对于许多钢而言，硬度会相对逐渐降低，而韧性会相应增加。我们已经测试了回火温度仅为300°F的几种具有良好韧性的钢的韧性，例如AEB-L。对于某些钢，回火温度低于此温度，则韧性会相对急剧下降。在5160上进行的韧性研究中，我们发现375°F的回火会产生很高的韧性，而350°F的回火导致韧性不足一半。

8.太多的回火。在上面的5160图表中，您可以看到，使用450°F的回火温度（而不是400°F）的回火，韧性略有下降。这看起来似乎没什么大不了，但是通过回火更高也降低了硬度，因此总体上降低了韧性-硬度平衡。这种效应称为“回火马氏体脆化”（TME），当在大约450-650°F的温度下回火时，韧性降低。在TME温度范围内回火在刀匠中相对普遍，虽然可能会或可能不会导致容易的故障，但这并不理想，应该避免。

诸如硅合金钢和高合金钢（包括大多数空气硬化工具钢）之类的某些钢不易发生TME。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，您可以看到在A2的回火温度约为500°F时达到了峰值韧性，显示了将TME抑制到更高的温度。

9.没有足够的回火周期。如不良热处理3（过度钢化）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，该奥氏体不稳定并转变为马氏体。然后将这种新的马氏体“不回火”，并且需要另一个回火周期，以使脆性马氏体不在最终的刀具中。大多数钢需要至少两个回火周期，中间要冷却到室温。一些钢需要更多的回火周期，特别是如果设计成具有许多在回火过程中转变的奥氏体，例如某些高速钢。

“良好”热处理的选择范围

如果避免了上述所有问题（以及其他我没有提到或忘记的问题），我们将获得所谓的“良好”热处理。许多刀具制造商执行良好的热处理。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并正确回火可导致良好的热处理。尤其是遵循提供了建议温度范围的钢数据表中的建议时。但是，在良好热处理的范围内，有许多可接受的参数和处理组合。**组合是什么？各种参数如何影响不同的属性？

硬度和强度

硬度是强度的度量。较高的硬度意味着更好的抗滚动性，特别是在薄边缘。一种情况是残留奥氏体过多，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受其硬度控制。通常，较高的硬度意味着较低的韧性。因此，为刀子选择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钢的硬度与韧性。它还显示了在“纵向”方向和“横向”方向上的韧性测试。

硬度和边缘保持力

较高的硬度意味着更好的切片边缘保持力。切片边缘的保留通常与耐磨性密切相关。更高的硬度意味着更好的耐磨性，就像柔软的材料更容易被刮擦一样。对于给定的钢，每1 Rc的切片边缘保留率可提高约5-10％。绳索切割测试显示出与CATRA测试相似的结果。韦恩·戈达德（Wayne Goddard）在他的绳索切割测试中还发现，边缘保持力与硬度都有类似的提高 。

硬度和热处理变量

可以通过两种主要方法获得更高的硬度：更高的奥氏体化温度或更低的回火温度。对于给定的目标硬度，有一系列奥氏体回火温度组合。结合较高的回火温度在较高的温度下进行奥氏体化是否更好？还是将较低的奥氏体化温度与较低的回火温度结合使用？这取决于目标硬度和所涉及的钢。通常，较低的奥氏体化温度有利于韧性，因为晶粒尺寸较小且溶液中的碳较少。均已回火至相同硬度的K390的韧性与奥氏体化温度的关系，请参见下表。

但是，奥氏体化越低越好。在某些情况下，**让钢知道硬度和韧性的**组合在哪里，例如我们在52100的测试中发现，在奥氏体化温度为1500至1525°F的情况下，发现了韧性峰值。与1450-1475°F范围内的奥氏体化相比，在52100下使用该温度范围可产生更高的硬度和韧性。

热处理和耐腐蚀性

但是，因素不仅仅是韧性。较高的奥氏体化温度导致碳化铬更多的溶解，这使铬“处于溶液中”以提高耐腐蚀性。因此，对于不锈钢，热处理的选择也受耐蚀性的驱动。增加耐腐蚀性是另一个重要因素，可以使不锈钢的平衡热处理设计更加复杂。

低温与高温回火

诸如空气硬化工具钢和不锈钢之类的高合金钢可以在两个主要范围内回火，即低温标准范围（<750°F）和高温“二次硬化”范围（850-1150°F）。下图显示了具有大量二次硬化的高速钢的硬度与回火温度的关系。

二次硬化的使用提供了“热硬度”，因此在高温下不会损失硬度。可以将钢加热到刚好低于其原始回火温度，并且冷却到室温后不会失去硬度。因此，当在高温回火范围内达到硬度时，钢就更不易软化，例如在磨削操作中。

使用低温或高温回火范围均可导致硬度和韧性的相似组合。但是，在某些情况下，低温回火会导致优异的韧性，例如，在进行Z-Wear（CPM CruWear）测试时，我们执行了以下操作：

耐腐蚀性和回火温度

耐腐蚀性也是在上下回火温度范围之间进行选择的一个因素。在高温范围内回火会导致形成非常细的碳化铬，从而降低耐蚀性。因此，通常建议将低温范围用于不锈钢。440C，S90V和S110V的腐蚀速率与回火温度的关系如下所示（越低越好）。

钢的冷加工

可以对钢进行冷处理以减少残留的奥氏体，例如液氮或干冰。这增加了强度和硬度。残余奥氏体具有延展性并提高了韧性（请参见52100韧性图），但它会降低屈服强度，并且在使用过程中奥氏体还可能转变为未回火马氏体。有一些研究表明，低温加工会提高耐磨性，但是我对研究的评论表明，除了硬度增加外，结果还不是很令人信服。而在154CM一个CATRA研究显示，与边缘保持力试验低温无改善。

多次淬火和热循环

一些刀匠进行多次奥氏体化和淬火循环，以细化晶粒尺寸以改善性能。我们自己的多次淬火测试混合在一起，显示CruForgeV没有任何改善，AEB-L没有多少改善，而A2没有改善。总体而言，我还没有看到一种导致韧性大幅度提高的案例。对于锻造派的刀匠来说，在锻造过程中炸毁晶粒尺寸可能更有意义。

贝氏体

有研究表明，对钢进行热处理以使其具有贝氏体而不是马氏体结构，可以提高韧性。

差异热处理

一些刀匠将执行不同的热处理，以提供柔软的书脊和坚硬的边缘。即使边缘仍然相同，也可以提高刀的整体韧性。过去，我没有写太多关于差异热处理的文章，但这是另一个例子，说明不同的热处理如何导致不同的属性集。

超级热处理

一些刀具制造商以“超级”，“出色”甚至“传奇”热处理而闻名。很难评估其中有多少是传说，有多少是真理。好的热处理与本文开头讨论的“不良”热处理之间肯定会有很大的差异。但是，要设计出能够使给定硬度在任何给定类别中提高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优化热处理，而且随机的制刀师不可能采取超出标准研究范围的方法。如果没有定量测试和比较，我会发现大规模的改进是非常值得怀疑的。尽管许多制刀者执行非常好的热处理，我会怀疑任何说法，认为制刀匠的热处理方法比其他方法都要高。与“不良”热处理，制刀匠或制刀公司相提并论时，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，而不是每个元素的可接受范围。每次都不可能获得精确的组成。即使最终的成分变化接近**，仍然会有**的范围，只是在较小的范围内。因此，即使在相同等级的钢中，对热处理的响应范围也很大。即使使用**相同的方法进行热处理，一批也可以产生61.2 Rc，另一批可以产生60.5 Rc。

热处理也有差异。没有一个炉子能够**地维持精确的温度，只有一个范围。炉子需要一段时间才能“稳定”在目标温度上。炉子内部存在变化，炉后角的温度可能比热电偶读取温度的温度高或低。大型工业热处理工艺使用大型炉子，它们将要装载的负荷尽可能接近产能。炉内温度肯定会有所变化，并且整个过程中的温度都会波动。在家中进行热处理的刀匠通常一次只能做小批量甚至是一把刀。但是，没有人会在**相同的时间内保持钢的温度或以**相同的方式淬火。刀具有不同的尺寸和厚度，这将改变刀的加热速率和淬火速率。刀芯在峰值温度下的时间会更少，而淬火时的冷却速度会更慢。当谈论用眼睛热处理的刀匠时，差异更大。

总而言之，在这些因素和其他因素之间，通常不可行的是每次对每把刀进行热处理以使其具有**相同的特性。最终性能会有一些变化。通常（希望如此），这个范围足够狭窄，没关系。

钢，热处理和边缘几何

换用另一种钢与改善热处理相比，对钢性能的影响更大。通过改变单一钢的热处理可以获得一系列性能。

韧性

但是，与在高耐磨钢上进行以韧性为中心的热处理相比，使用“韧性”钢将提供更高的韧性。下面显示了几种乌德霍姆钢的韧性与硬度的关系。想象一下，您已经在60 Rc的Vanadis 8中生产了一把刀（相当于10V，相当于K390），但是您已经看到了打算用的刀中的微碎屑。降低到58 Rc或什至56 Rc会增加韧性。但是，56 Rc Vanadis 8仅比62.5 Rc Vanadis 4 Extra强。在如此低的硬度下使用Vanadis 8可能会导致强度问题。以相同的硬度转向Vanadis 4 Extra可以提供更大的韧性提高，同时保持与以前使用的Vanadis 8相同的强度。在相同硬度下，Vanadis 4 Extra中碳化物的含量较低，比Vanadis 8具有更高的韧性。

边缘保持

在边缘保持性和耐磨性方面也适用类似的原则。转向更高的硬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，可以大大提高边缘保持性。下图显示了经过Carpenter钢测试的几种钢的耐磨性与硬度之间的关系，您可以看到，转向更高耐磨性的钢比增加硬度更有效（在图表上越低越好）：

在CATRA和绳索切削刃保持力测试中可以看到类似的差异。

边缘几何

比钢的选择和热处理更大的效果是边缘几何形状。较薄，更尖锐的边缘比较厚，更钝的边缘切割得更好，切割时间更长。下图显示了在CATRA测试中针对各种钢材对切角相对于边角的切割后原料的切割量。每个侧边缘为25°（在该图上总计为50°）时，边缘固位**为200 mm。即使使用非常低的耐磨性钢，每侧使用15°仍可切割200毫米的卡片纸，使用高耐磨性的钢则可切割至800毫米。以恒定的角度可以看到类似的效果，但是在边缘后面更薄。

 

对于边缘的强度和韧性，同样的原理也相反。较厚，更钝的边缘更难以变形或碎裂。

刀刃的几何形状是刀设计中最重要的部分，而最出色的钢材和热处理组合无法替代它。设计可以是一个反复的过程，其几何形状部分取决于最终目的，也取决于钢的极限。出色的钢材选择和热处理可以使给定应用的刃口几何形状更薄，从而获得更好的切削性能。仅改进钢或热处理而不改变几何形状将带来较少的收益。

清晰度

使用较薄的几何形状还意味着可以更轻松地进行锐化，因为要除去的材料更少。但是，钢的选择和热处理也会影响锐化的容易程度。更高的硬度意味着更高的耐磨性，因此去除材料需要更多的时间。然而，由于边缘粗糙度的增加，低硬度钢不能达到相同的清晰度。低硬度钢和残余奥氏体过多的钢容易形成毛刺，特别是在薄边缘。硬钢不太可能形成大毛刺，尽管如果钢易碎，则在锐化薄边缘时微碎屑可能是一个问题。

总结

由于上述原因，我认为许多刀匠的热处理之所以牛逼可归因于他出色的刀具设计和**的作品呈现。毕竟，客户看到的是一把制作精良，手感舒适，切削顺手的好刀。我没说刀匠没有很好的热处理，但是与设计和形制优美的刀具相比，最终用户不太容易注意到比另一种热处理更好的热处理。但是，当涉及到“不良”热处理时，如果对刀片进行了软，脆等错误的热处理，最终用户就会注意到它。刀匠或刀具公司的工作是确保他们选择正确的钢，对其进行正确的热处理，并针对刀的设计优化其性能，并设计出围绕钢材极限的好看的刀型，以供预期用途和最终用户使用。不存在打破物理学的“魔术”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**组合。

 

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