二次硬化技术浅析：提升金属材料性能

一些高合金钢在一次或多次回火后硬度上升的现象，称为二次硬化。这种二次硬化现象主要是由于碳化物弥散析出所致，残余奥氏体转变为马氏体或贝氏体的二次淬火也起到了重要作用。

图18-11是W18Cr4V高速钢经1 280℃淬火再经不同温度回火后的硬度。由图可见，当回火温度高于150℃时，由于马氏体固溶度的降低和合碳化物的析出、聚集与长大，硬度不断下降。当回火温度超过300～400℃时，硬度重新回升，在550℃左右达到最高点。这主要是因为随着回火温度的升高，通过合金元素的富集析出了较θ碳化物更稳定的弥散分布的特殊合金碳化物。这些细小弥散的特殊合金碳化物是通过渗碳体不断回溶于α基体，独立形核长大析出的，与基体保持共格关系，从而使回火硬度得到显著提高。如前所述，高速钢在550℃左右回火加热时残余奥氏体被催化，回火冷却时转变为马氏体，产生二次淬火效应，也给二次硬化做出重要贡献。但二次硬化的主要原因是由于某些特殊合金碳化物弥散析出，这样一个观点已是大家公认的了。随回火温度的进一步升高，合金碳化物也将发生聚集长大而使硬度重新下降。

二次硬化效应的大小取决于引起二次硬化的合金碳化物的种类、数量、大小和形态，并不是已经提到过的合金碳化物都能有效地引起二次硬化的。电镜观察等证实，有明显的二次硬化效应的合金碳化物是M2C及MC型碳化物。Mo、W、V、Ti、Nb等元素均能形成M2C和MC这两种类型的碳化物，故有明显的二次硬化效应。

图18-11　1 280℃淬火后的回火温度对高速钢W18Cr4V的硬度的影响

铬不能形成M2C及MC型碳化物，故碳化铬与碳化铁一样，弥散析出时虽也能产生硬化效应，但很弱，甚至没有作用。这是由于Cr7C3碳化物在550℃下迅速粗化所致。只是在铬含量足够大时，才能显示出明显的二次硬化效应。(www.xing528.com)

凡能促进这两种类型的碳化物弥散析出的因素均能促进二次硬化效应。如Co、Ni虽不能形成碳化物，但在含Mo、W等合金元素的钢中，Co和Ni都能促进M2C的析出（阻止α多边形化，使之保留高密度位错，便于其他元素的碳化物在位错处析出，同时使α固溶体含有过饱和程度较高的碳），故能提高二次硬化效应。又如高速钢淬火后采用320～380℃低温回火可以促进560℃回火时M2C碳化物的析出，故可使560℃回火后的硬度提高。M2C及MC碳化物均在位错区呈细针状高度弥散析出，且与α保持共格联系。例如，用W6Mo5Cr4V2高速钢试验得出，引起二次硬化的VC细丝直径仅2nm，长10～20nm。碳化物间距仅1～2nm。如回火温度高，回火时间长，引起二次硬化的合金碳化物已经长大，则硬度将下降。因此凡能提高合金碳化物析出时的弥散度的因素也均能提高二次硬化效应，例如对高速钢采用中温形变淬火等。此外，凡是能抑制碳化物长大的因素均能提高二次硬化效应的稳定性，即将碳化物的聚集长大阶段推向高温，如加人Nb，Ta等。

能够引起二次硬化的合金碳化物的量决定于马氏体的成分。图18-12是马氏体中的Mo含量对二次硬化效应的影响，由图可见，碳含量固定不变时，随Mo含量的增加，二次硬化效应不断增加，这是因为Mo含量的增加使回火时析出的Mo2C增多。

图18-12　回火温度及Mo含量对低碳Mo钢（0.1%C）马氏体回火后硬度的影响

合金碳化物越稳定越细小，强化效果就越大。二次硬化效应在工业上有十分重要的意义。例如，工具钢靠它可保持高的红硬性，某些耐热钢靠它可维持高温强度，某些结构钢和不锈钢靠它可以改善力学性能。等温淬火所得贝氏体在回火时也有二次硬化现象。贝氏体回火时的二次硬化效应大于马氏体，但由于贝氏体的硬度低于马氏体，故贝氏体回火后所能达到的最高硬度仍低于马氏体。同时加入多种碳化物形成元素可使析出颗粒更小，密度更大，而且所用合金元素总量还有所下降。这一原理对于发展在高温下使用的铬钢具有重要意义。因为欲提高抗氧化性，必须加入铬，而铬的二次硬化效果并不强，即使大量加入也是如此，但是如果同时再加人一些钼、钒、钛等元素，则会收到很好的强化效果。

二次硬化时，由于较粗渗碳体微粒溶解，所以屈服强度的升高伴有韧性增大，这是很有意义的现象。随着回火时间的延长，由于特殊碳化物部分粗化，屈服强度通常下降而韧性增加，因此，有可能选择最佳回火时间，获得最佳化时的高韧性和高屈服极限。