工具鋼常用于切割零件以及成品精加工，可大致分為：碳素工具鋼（SK）、合金工具鋼（SKS,SKD,SKT）以及高速工具鋼（SKH）。其中由于高速工具鋼所具備的突出的硬度、耐熱性和耐磨損等性能，使其更適用于各型高速切割及高速鉆孔工具。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及高難度應(yīng)用場(chǎng)景的更迭出現(xiàn)，通用性能的高速工具鋼已無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)和科研需求，對(duì)于其機(jī)械性能的提升和精準(zhǔn)控制提出了更嚴(yán)苛的要求，下文將舉例介紹電子探針（EPMA）在高速工具鋼中的應(yīng)用。

圖1. 島津場(chǎng)發(fā)射電子探針EPMA-8050G

島津EPMA-8050G型電子探針（圖1）搭載高質(zhì)量場(chǎng)發(fā)射電子光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合島津*的52.5°高X射線(xiàn)取出角和全聚焦晶體，可以實(shí)現(xiàn)：

01*的空間分辨率

EPMA-8050G可達(dá)到的更高級(jí)別的二次電子圖像分辨率3nm（加速電壓30kV）。

（加速電壓10kV時(shí)20nm@10nA/50nm@100nA/150nm@1μA）

02大束流更高靈敏度分析

可實(shí)現(xiàn)其他儀器所不能達(dá)到的大束流（加速電壓30kV時(shí)可達(dá)3μA）。在超微量元素的檢測(cè)靈敏度上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，將元素面分析時(shí)超微量元素成分分布的可視化成為現(xiàn)實(shí)。

島津研發(fā)部門(mén)使用EPMA-8050G儀器對(duì)高速工具鋼開(kāi)展了表面元素面掃描（mapping）及相分析（phase diagram）等研究。

高速工具鋼的制作過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是在高溫條件下將大量的V、Cr、Mo、W等合金元素與鋼材混熔，淬火然后回火至500℃，這一過(guò)程中金屬元素碳化物不斷沉淀達(dá)到回火硬化的效果。依據(jù)合金元素組成的差異，高速工具鋼可分為W系高速鋼、Mo系高速鋼以及V系高速鋼。

圖2. 分別展示了Mo系高速工具鋼表面鋼本體元素（Fe、C、Si）及添加元素（Mo、V、Cr、W）的面分布情況。

圖2. 高速工具鋼表面各元素面掃描圖

合金元素碳化物分析：在鋼中同時(shí)加入多種特殊合金元素時(shí)，數(shù)量最多的合金元素往往以碳化物形式優(yōu)先析出，如果加入數(shù)量一致的多種元素，則與碳親和性更強(qiáng)的添加元素更多以碳化物形式沉淀。研究表明，對(duì)于添加多種具有強(qiáng)的碳親和性碳化物形成元素的合金鋼，根據(jù)合金元素的絕對(duì)含量和相對(duì)比例，從第一相碳化物析出到形成最后的多種穩(wěn)定碳化物相，其中的碳化物沉淀類(lèi)型、順序以及其韌性和硬度的變化均遵循一個(gè)復(fù)雜的規(guī)律軌跡。從低溫升至500℃的過(guò)程中，主要以M3C碳化物組織形式沉淀，當(dāng)溫度逐漸超過(guò)500℃以后，碳化物以Fe₃C型結(jié)構(gòu)為主，直至達(dá)到固溶極限以后，除Fe3C以外的合金元素碳化物開(kāi)始析出。以本文中的Cr、V、W、Mo合金元素為例，Cr優(yōu)先以Cr₇C₃形式與Fe₃C同時(shí)沉淀，其他元素則隨后在回火硬化階段分別以V₄C₃、W₂C和Mo₂C形式析出。

碳化物相分析：從元素mapping圖中可以看出各合金元素碳化物并不是以單一物相產(chǎn)出的，而是多物相混合存在的。因此圖3. 相圖中展示的是主要物相的分布情況，而依據(jù)圖4. 三元混合相圖所展示的主要物相劃分依據(jù)，當(dāng)區(qū)域內(nèi)V元素含量超過(guò)24 wt.%時(shí)該區(qū)域被劃分為紅色的V碳化物主物相區(qū)，以此類(lèi)推當(dāng)Mo含量超過(guò)18 wt.%時(shí)被劃分為藍(lán)色的Mo碳化物主物相區(qū)，當(dāng)Cr含量大于24 wt.%時(shí)被劃分為綠色的Cr碳化物主物相區(qū)，而黃色區(qū)域則代表富Fe基體且合金元素呈低含量固溶混合的區(qū)域，其中沒(méi)有一種合金元素含量超過(guò)其碳化物主物相區(qū)劃分閾值。

圖3. 相圖

圖4. 三元混合相圖

圖5. 則選擇三對(duì)兩兩不共存的元素分別作為X/Y/Z軸的+/-兩端元，其中X+/-分別代表Mo和Cr端元，Y+/-分別代表Fe和C端元，Z+/-分別代表V和W端元，因此XYZ 3D圖中的8個(gè)象限則可分別代表8種不同的三元混合相圖，研究者可以從中提取出更多的多物相混合的信息。

圖5. 3D混合相圖（XYZ）

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