島津EPMA在高速工具鋼中的應用

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。隨著科學技術的迅速發展以及高難度應用場景的更迭出現，通用性能的高速工具鋼已無法滿足工業和科研需求，對于其機械性能的提升和精準控制提出了更嚴苛的要求，下文將舉例介紹電子探針（EPMA）在高速工具鋼中的應用。

圖1. 島津場發射電子探針EPMA-8050G

島津EPMA-8050G型電子探針（圖1）搭載高質量場發射電子光學系統，結合島津*的52.5°高X射線取出角和全聚焦晶體，可以實現：

01*的空間分辨率

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

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

02大束流更高靈敏度分析

可實現其他儀器所不能達到的大束流（加速電壓30kV時可達3μA）。在超微量元素的檢測靈敏度上實現了質的飛躍，將元素面分析時超微量元素成分分布的可視化成為現實。

島津研發部門使用EPMA-8050G儀器對高速工具鋼開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程簡單來說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℃，這一過程中金屬元素碳化物不斷沉淀達到回火硬化的效果。依據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：在鋼中同時加入多種特殊合金元素時，數量最多的合金元素往往以碳化物形式優先析出，如果加入數量一致的多種元素，則與碳親和性更強的添加元素更多以碳化物形式沉淀。研究表明，對于添加多種具有強的碳親和性碳化物形成元素的合金鋼，根據合金元素的絕對含量和相對比例，從第一相碳化物析出到形成最后的多種穩定碳化物相，其中的碳化物沉淀類型、順序以及其韌性和硬度的變化均遵循一個復雜的規律軌跡。從低溫升至500℃的過程中，主要以M3C碳化物組織形式沉淀，當溫度逐漸超過500℃以后，碳化物以Fe₃C型結構為主，直至達到固溶極限以后，除Fe3C以外的合金元素碳化物開始析出。以本文中的Cr、V、W、Mo合金元素為例，Cr優先以Cr₇C₃形式與Fe₃C同時沉淀，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，而依據圖4. 三元混合相圖所展示的主要物相劃分依據，當區域內V元素含量超過24 wt.%時該區域被劃分為紅色的V碳化物主物相區，以此類推當Mo含量超過18 wt.%時被劃分為藍色的Mo碳化物主物相區，當Cr含量大于24 wt.%時被劃分為綠色的Cr碳化物主物相區，而黃色區域則代表富Fe基體且合金元素呈低含量固溶混合的區域，其中沒有一種合金元素含量超過其碳化物主物相區劃分閾值。

圖3. 相圖

圖4. 三元混合相圖

圖5. 則選擇三對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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