漫话碳钢及碳钢刀具（一）

wasp99

漫话碳钢及碳钢刀具（一）
    经常看到一些帖子，比如讨论SOG的AUS8和卡巴的1095 哪个好呢？前提是不比抗锈性。本想简单的回复一下，突然感到有很多关于碳钢的话要说，在这里，和大家交流一下。
为了下面行文方便，避免歧义，首先定义一下碳钢：“什么是碳钢？从我们话题的出发点讲，碳钢是任何非不锈钢（尽管很多碳钢也含有负责抗锈的元素）。用比较通用的定义讲，制刀用不锈钢是任何含有超过13%自由铬的铁基合金。基本上讲，碳钢可以被分为几类，包括以A2、D2、L6、O1、S7、W1和W2为代表的工具钢、以15N20和52100为代表的合金钢、“10XX”系列碳素钢（包括1050、1060、1070、1075/1085、1084和1095）以及以5160为代表的弹簧钢。”（引自 BLADE MAGAZINE 2006年6月刊，作者Steve Shackleford，感谢原作者，特别感谢jasonp 兄翻译）
    如果按照这个定义，大家就会发现一个特别有趣的现象，所谓的高端品牌，比如说美国顶级刀具 Mad Dog 疯狗，喜欢用Starrett 496-01 高碳合金钢 。BUSSE 美国巴斯战斗刀公司用的是INFI，按照BUSSE公司的说法，INFI不是不锈钢。INFI钢材在性能测试中，用老虎钳将刀弯曲35度后还能正常的弹回。这项测试表现出INFI钢材的极大的韧性和INFI刀片横向强度，这种性能足以说明INFI是一种高碳合金钢 。Mission  使命 的招牌刀， MPK_A2 海豹突击队现役标配战术直刀用的是A-2 高速钢 。卡巴，安大略， T.O.P.S 美国托普斯 ，这些所谓有军方背景的公司，选择的都是是廉价的最常见的弹簧钢1095，可以查一下1095有多便宜，只有几块钱一公斤。同样，美国著名丛林刀ESEE公司选择的也是1095碳钢。不管是高端品牌还是军方和生产野外生存刀具这些著名公司，不约而同的都选择了不那么高端的碳钢作为制作本公司刀具的制作材料，而且可以把这些刀具，买到一个相当高的价格，而市场并没有因为这些公司，采用了廉价的碳钢作为制刀材料，对这些公司表现出任何的排斥，愿意出很高的价格，购买这些公司的产品。所谓低端廉价的碳钢刀究竟有什么奥秘，使得制刀厂商和市场都对此表现出极大的热情呢？
    为了说明这个问题，我们还是从头开始，先探讨一下碳钢的制造、热处理及其优质碳钢的特性。
    碳钢出厂以后，钢材中的其他元素，比如说锰、硅、铬在钢材中的比例，在热处理当中，变化不大，优秀的热处理和锻造工艺，可以极大的改善碳钢的性能，
在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化.加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一.冷却是热处理更重要的工序。处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。过冷奥氏体将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体。珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。 过冷奥氏体在550℃- 230℃ (Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。
⑴ 上贝氏体形成温度为550-350℃。在光镜下呈羽毛状，在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。
⑵下贝氏体形成温度为350℃-Ms。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60?角。
上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。
    当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。
    1、马氏体的晶体结构
    碳在a-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.
    马氏体的形态
    马氏体的形态分板条和针状两类。
    ⑴ 板条马氏体，立体形态为细长的扁棒状。在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。马氏体的形态主要取决于其含碳量。C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体。C%在0.2~1.0%之间为板条与针状的混合组织。
    马氏体的性能
    高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。金元素对马氏体硬度的影响不大。
马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.
    淬火
    淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺.淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能.
    常用淬火介质是水和油.
    水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。
    1、单液淬火法
    加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。
    2、双液淬火法
    工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷.优点是冷却理想，缺点是不易掌握。
    3、分级淬火法
    在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。
    4、等温淬火法
    将工件在稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.适用于形状复杂及要求较高的小型件。
    淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。
淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.
    回火
    回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。
    一、回火的目的
    1、减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂.
    2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。
    3、稳定尺寸。淬火M和A’都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A’转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。
    4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。
    未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。
    表面淬火
    表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。
    表面淬火目的：
    ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;
    ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。
    化学热处理
    化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。
与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。  
    渗碳目的
    提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。
    氮化的特点及应用
    ⑴ 氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。
    ⑵ 疲劳强度高。由于表面存在压应力。
    ⑶工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。
    ⑷ 耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。
    氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。
    表面处理新技术
    一、热喷涂技术
    将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。
    二、气相沉积技术
    气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。
根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD) 和化学气相沉积(CVD)两大类。
    物理气相沉积(
    物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。
    化学气相沉积(CVD)
    化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。例如，气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。
    三、三束表面改性技术
    三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。
    激光表面处理技术是近二十年来发展起来的一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入八十年代以来，大功率工业激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种激光表面处理技术日益成熟，使得激光表面处理技术的工业应用和深入研究异常活跃，在欧美和日本，大功率激光器商业化程度很高，发展非常迅速，是工业发达国家非常瞩目的一项新技术。
    激光表面处理技术可以解决其他表面处理方法无法解决或不好的材料强化问题。激光表面处理技术是利用激光束对金属表面进行瞬间淬头处理，经激光处理后，铸铁表层强度可达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，合金钢的表层硬度可达HRC70度以上，从而提高其抗磨损，抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命。激光热处理技术与其他热处理如高频感淬头，渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：
    无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面层的组织结构。处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm。 处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层本身是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-2-10秒），故零件的热影响区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部位，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。工艺简单优越。激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，无噪音、无污染、无公害、劳动条件好。再加上激光器配以微机控制系统，很容易实现自动化生产，易干批量生产。产品成品率极高几乎达到100%。效率很高经济效益显著。

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离子注入表面改性技术
    离子注入是指在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。离子注入的特点是：可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；注入温度可控，不氧化、不变形；注入层厚度可控，注入元素分布均匀；注入层与基体结合牢固，无明显界面；可同时注入多种元素，也可获得两层或两层以上性能不同的复合层。通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。
    通过以上的介绍，我们可以了解到，碳钢通过各种适合的锻造和热处理，可以获得良好的 金属材料的力学性能。
    以上的很多材料，来自教科书以及网络，根据手头现有材料整理，因来源纷杂，不一一列举，在此感谢原作者。
    在后面我们将一起探讨碳钢金属材料的力学性能以及严格定义的各种指标，ABS 及其他著名刀匠为什么喜欢用碳钢制作刀具等等一系列的问题。
    （本文未完，待续

wasp99

敬爱的版主，收集整理材料，加上码字，累死了，多加点分鼓励鼓励吧，嘻嘻

px119

学习了！楼主辛苦了！

沙漠军刀D9

楼主帖子内容较多，看完记不住，帖子是好帖子。加分我看行。

blacksky707

学习了，慢慢看完。

唐搏虎

期待续集！很深奥啊。

王道815

你这个绝对是技术贴，狂顶加分！
可惜包括我这么狂热碳素钢的也.....看不懂。你说了这么多，我稍微谈谈观后感吧：
碳素钢相比不锈钢优势：
第一，处理技术更成熟，性能表现更平衡！
第二，的处理工序设备简单现成，材料处理过程中可控性强！
第三，热处理成本低！
而使用更加昂贵的不锈钢即便也能处理好无非也就是多了一个抗锈功能，而这个功能，很多表面技术都可以达到，而成本却要低的多！
所以观念中的不锈钢更贵，碳素钢比较朴素没有错，就看这个人是拿刀“看”作为主要需求还是“用”为主要需求！
最后总结，用刀的，买碳钢，看刀的，不锈钢！

刃少点

这样的帖子，是要支持的，学习无限

wasp99

感谢王道815 兄弟支持，您说的我完全同意，不锈钢作为日常使用，特别是处理食品和医疗卫生行业，有着先天的优势，但在恶劣环境当中的重度使用，特别是作为冷兵器的搏击格斗的武器，碳钢刀具有着不可替代的作用，谢谢鼓励！

星月刀痴

其实碳钢就是很好用，这个是不争的事实

LP188

我来点实质的图片吧，碳钢做为折刀钢材也有很多优点，一把热处好的碳钢刀保持性绝不低于S30V和CPM 154这些常见的钢材。另外碳钢有自然氧化的功效，切食物绝没问题。

高碳钢的氧化



洗完之后照样切菜和水果


洗完擦干以后不会生锈

dai3523358

碳钢性价比高啊，如果只是用一把的话，只要经常用也不用刻意包养。

abczhjxm

好文章，学习了，了解了新的选刀的意义

hanhanchina888

很专业，碳钢成本低，可售格不低不锈钢低呀！这是为什么呢？