残留奥氏体对下贝氏体短时热处理工具钢性能的影响

　　0 引言

　　近来，结合了马氏体-贝氏体转变或复合贝氏体转变的在不同温度范围的工艺技术为短时热处理工艺提供了可能。冷作工具钢的淬火/回火无法避免残留奥氏体，其随后的马氏体转变会引起工件尺寸的变化。下贝氏体等温转变可获得不同级别的表面硬度，并能防止淬火和相变过程中产生的有害应力，这种工艺可避免工件畸变。但是，完全的贝氏体转变，主要是盐浴回火技术，所需的处理时间较长，它显示了生产成本高的不利因素(见图1)。

　　1 贝氏体相变

　　贝氏体相变受扩散过程所控制，而扩散过程又依赖于奥氏体化温度、贝氏体相变孕育期、相变温度和冷却特性等。在Fe-Cr-C钢中，铬是强碳化物形成元素，贝氏体转变的动力学过程和形貌变化都主要由这类元素产生的溶质类拖曳效应所致，其显著降低了碳在奥氏体中的活度。这种机制可概括为以下四步(图2):

　　(1) 接近无碳化物的铁素体条(脊)的析出。

　　(2) 次生铁素体条随之形核，通常在初始铁素体条(脊)一侧沿着约55°～60°方向。

　　(3) 碳化物在铁素体/奥氏体界面沉淀析出，在次生铁素体条间形成间隙。

　　(4) “退火”过程，此时间隙被进一步长大的铁素体充填，且更多碳化物析出并长成渗碳体薄片，TEM观察的结果证实了下贝氏体形成是基于扩散机制的理论。碳化物析出导致局部贫碳，在析出的碳化物附近形成原子尺度的铁素体条(脊)亚单元(图2)。碳化物与铁素体之间存在Ohmori-Isaichev位向关系(图3)。这些机制为高分辨电镜(场发射扫描电镜—FESEM)的观察结果所证实(图4)。由图4可见，呈羽毛状下贝氏体的层片状铁素体形成于奥氏体的晶界。高分辨TEM分析表明(图5)，碳化物(Fe2-3C)或呈织构状平行线分布于针状贝氏体内，或分布于次生铁素体条内。

　　2 短时贝氏体处理

　　德国不莱梅材料研究所(IWT Bremen)最近的研究项目从实验上证明，特定的贝氏体-马氏体复合处理或者两步法贝氏体处理工艺(表1和图6中B1M*和BB)均可大大缩短热处理周期，同时能确保钢的淬硬和避免畸变。结果表明，冷作模具钢和滚珠轴承钢的短时贝氏体处理可缩短工艺周期至完全贝氏体化转变工艺的20%左右。

　　由膨胀曲线可知，贝氏体转变量可通过控制在下贝氏体区等温处理的时间来改变。贝氏体转变量达70%(体积分数，下同)后再进行淬火/回火可得到贝氏体、马氏体和残留奥氏体的混合组织。试验发现，回火温度应与贝氏体形成温度相当或稍高，而回火时间则可缩短些。采用这种工艺可使热处理时间缩短至完全贝氏体转变工艺的15%～25%。与完全贝氏体化处理相比，两步法贝氏体处理同样可以大大缩短热处理周期。根据TTT图(图6)，第二步连续加热的温度应高于前面的温度平台而低于贝氏体开始转变的平均温度。硬度可根据需要通过选择第二步温度进行调整，可采用贝氏体-马氏体工艺(B1M*)或两步法贝氏体处理工艺(BB)。奥氏体化温度应在Ac1e以上尽可能低些(图6)以获得细晶粒的初始组织，贝氏体转变温度应稍高于马氏体转变开始温度Ms。两步法贝氏体处理表明，较低饱和度奥氏体在随后的高温短时回火中分解为碳化物和铁素体(图6中BB)。而贝氏体-马氏体复合处理加上随后在Ms以上温度的短时回火(图6中B1M*工艺)可以得到几乎相同的结果。