二次淬火技术的优化方案

当钢中存在较多合金元素时，淬火后将产生大量残余奥氏体。例如，高速工具钢淬火后的残余奥氏体可能高达20%～30%。如果回火保温时残余奥氏体没有分解，在随后的冷却中残余奥氏体将转变为淬火马氏体，这一现象称为二次淬火。

此前已经提到淬火时冷却中断或冷速较慢均将引起奥氏体热稳定化，即使得奥氏体不易转变为马氏体而使淬火到室温时的残余奥氏体量增多。

图18-9　几种常见合金元素对含0.2%C钢回火引起的硬度增量（ΔHV）

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图18-10　W18Cr4V高速钢TTT曲线

奥氏体的热稳定化现象可以通过回火加以消除。将淬火零件加热到某一温度进行回火，如在回火过程中残余奥氏体未发生分解，则在回火后的冷却过程中残余奥氏体将转变为马氏体，亦即回火使残余奥氏体恢复了转变为马氏体的能力。这一现象被称为反稳定化或催化。出现催化的温度因钢种热处理工艺不同而异，高速钢出现催化的温度为500～550℃，高速钢多次回火工艺即为催化理论的实际应用。W18Cr4V高速钢在1 280℃加热淬火冷却至室温的过程中，将产生奥氏体热稳定化，Ms点降至室温以下，残余奥氏体可高达23%，淬火后被加热到560℃回火。由于560℃正好处于高速钢的珠光体与贝氏体转变之间的奥氏体稳定区（见图18-10），故在回火加热过程中残余奥氏体不会发生转变，但在回火冷却过程中部分残余奥氏体将转变为淬火马氏体。再次在560℃回火又可使部分残余奥氏体在冷却时转变为马氏体，同时使前一次回火形成的二次淬火马氏体得到回火。经过3～4次560℃每次1h的回火即可使残余奥氏体全部转变为马氏体。由于残余奥氏体是在回火加热过程中被催化、在冷却过程中被转化为二次淬火马氏体的，故每次转化的数量有限，需要多次才能将残余奥氏体全部转变为马氏体，并对二次淬火马氏体进行回火，所以淬火高速钢必须经过3～4次500℃每次1h的回火，才能达到目的，而绝不能采用一次560℃回火3～4h的错误工艺。

对于催化的本质目前有几种解释。一种观点认为虽然回火时残余奥氏体没有发生分解，但实际上已从奥氏体中析出了碳化物而使奥氏体的碳含量及合金元素含量下降，使残余奥氏体的马氏体转变点从室温提高到室温以上，因此在回火后冷却到室温的过程中就有可能转变为马氏体。如果回火温度足够高（如600℃以上），回火时间足够长（在2～3h以上），则在回火过程中析出一些碳化物是完全可能的，电镜观察也证实了在回火时有碳化物析出。但是还不能解释为何在较低温度短时间回火中无碳化物析出的情况下也有催化现象，且碳化物析出学说也不能解释下述的催化与热稳定化的可逆性。柯俊得出，淬火态W18Cr4V经560℃×1h回火后冷至250℃停留5min，残余奥氏体又将变得稳定，在继续冷却到室温时不再转变为马氏体，只有将其再次加热到560℃回火1h才能使残余奥氏体重新获得转变为马氏体的能力。这样的热稳定化与催化可以多次反复。基于这一事实，柯俊等认为催化现象是热稳定化的逆过程，是碳、氮等原子与位错的交互作用引起的。淬火时在MC点以下缓冷或等温停留，为降低畸变能，碳、氢原子将进人位错膨胀区形成所谓Cottrell气团并对位错起钉扎作用，使马氏体切变阻力增大而产生奥氏体热稳定化。若将已经发生热稳定化的残余奥氏体加热到MC点以上进行回火，则为了增加熵以降低系统的自由能，碳、氮等原子将从位错逸出而使Cottrell气团瓦解，这就消除了热稳定化而使残余奥氏体恢复了转变为马氏体的能力，亦即引起了催化。由此可见，过冷奥氏体在MC点以下中断冷却或缓冷将引起热稳定化；残余奥氏体在MC点以上回火则将引起催化。

除碳化物析出理论及Cottrell气团理论外也有人认为回火消除了马氏体转变所引起的相硬化而使残余奥氏体恢复了转变为马氏体的能力。