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）

更多電子探針儀器信息和相關應用敬請關注島津科技資訊通推文內容。

本文內容非商業廣告，僅供專業人士參考。