本文研究了采用等温淬火对35CrSiMn5-5-5钢进行纳米化处理后的表面渗碳层组织与性能。在真空渗碳处理过程中，钢的表面层富集的碳含量超过0.6%。钢试样随后进行奥氏体化、在260℃和320℃两种不同温度下淬火，随后在这些温度保温一定时间完成贝氏体转变。为了对比，将一组渗碳钢试样进行传统的热处理：马氏体淬火和低温回火。利用扫描电镜和透射电镜完成不同工艺热处理后钢的微观组织表征。研究发现，两种等温淬火处理均获得无碳化物纳米贝氏体组织，其特征是残余奥氏体薄片将铁素体板条分割开。本文还研究了三种钢的显微硬度和耐磨性能：两种经历不同温度等温淬火处理的钢和一种经传统热处理的钢。结果表明，含有大量残余奥氏体的纳米贝氏体结构比回火马氏体表现出更高的耐磨性能。

1前言

在贝氏体转变区间下限获得的无碳化物贝氏体，其特征是具有非常高的力学性能，如高的硬度和抗拉强度。另外，由于存在大量的残余奥氏体，因此钢也具有高的塑性。同时，组织中没有渗碳体析出，以及在贝氏体板条之间存在大量的薄片状残余奥氏体，使得钢具有高的断裂韧性。残余奥氏体的存在也可能会提高钢的抗摩擦磨损能力。认为在磨损试验过程中，由于摩擦产生的应力，使奥氏体可能转变成应变诱导马氏体。与传统热处理后生成回火马氏体组织的钢相比，这将提高接触区的硬度和抗摩擦磨损能力。

最初，无碳化物贝氏体钢按专门设计的化学成分进行生产。这些钢含一定量的C、Si和Mn。不过，近来也试图在商业化钢中获得这种结构。本研究的主要目标是在35CrSiMn5-5-4钢渗碳后的表层获得无碳化物贝氏体，第二个目标是确定等温淬火温度对研究材料的组织和表面性能的影响。

2试验过程

2.1真空渗碳

在 一 个15.0VPT-4022/24N真空炉内完成渗碳工序。按照FineCarb^?技术进行渗碳处理。该处理过程分成10个连续的饱和和扩散过程。特定的饱和和扩散工艺的次数根据Si m Vac Pl us^?方案实施的模拟工艺进行选择。渗碳气氛为乙炔、乙烯和氢气的混合气体。由于存在奥氏体晶粒明显长大的可能性，在渗碳处理后立即进行珠光体球化处理。之后，材料加热至850℃，保温20min，最后随炉慢冷至室温。

2.2碳含量测量

渗碳处理后，利用Q8-Magel l an布鲁克火花直读光谱仪测定表面层横截面，从而测量碳含量。从试样的前端进行测量，按0.1mm间隔测量21次，每次测量后，磨去0.1mm厚表面层，从而获得碳含量的横截面分布。在经认证的实验室进行测量，测量精度达到0.02%。

2.3热处理

为了形成纳米尺寸贝氏体组织，渗碳钢试样在900℃奥氏体化30min，随后冷却到贝氏体转变温度区间，最后在该温度进行退火处理（见图1）。等温淬火所用的冷却介质为Sn-Ag液态合金，它被加热至等温工序的温度（260℃和320℃）。等温淬火时间按照确保在等温温度下完成贝氏体转变所需的时间进行设置。同时，进行传统的热处理，即从900℃进行马氏体淬火，随后在200℃回火1h，从而比较两

种处理工艺后获得的表面层性能。对马氏体淬火，采用结构钢常用的油淬方式。

2.4组织观察

在工作电压120kV下，使用光学显微镜、日立S-3500N扫描电镜和JEOL 1200透射电镜（TEM）观察等温淬火试样的微观组织，采用光学和扫描电镜观察表面层的表面。首先，磨去试样表面50μm厚度，随后用硝酸酒精浸蚀表面。TEM观察的样品为距离表面50-100μm的表面层以及心部组织。从样品上切取200μm厚薄片，磨削至100μm厚，最后采用电解抛光直至穿孔。根据电子衍射分析确定相组成，利用不同相获得衍射点进行明场像和暗场像观察。

按照下列公式确定TEM照片观察到的铁素体板条和奥氏体薄层的厚度。

d=（2/π）L （1）

式中d代表微观组织的各组元的实际尺寸（在分析时为板条的实际厚度），L为TEM照片下实测的微观组织尺寸（此时为照片中实测的宽度）。从垂直于相间方向测量板条宽度（L）。

各相的相对体积分数是根据以下假设计算出来：给定相的体积分数等于照片中观察到面积分数。因此，在微观组织照片中划出n条长度为l的割线。采用下列公式计算相的体积分数V_v。

V_v=Σc_ik/（nl） （2）

式中Σc_ik为割线l与某相所有相切处的宽度，l为割线长度。

2.5显微硬度测量

根据PN-EN ISO 6507-1标准，利用LECO LM 248AT半自动显微硬度计对薄层横断面进行显微硬度测量。在测量过程中，利用1.96N和9.81N载荷，保荷10s。

2.6耐磨损性能测量

按照ASTM G77标准，利用环块法在T-05试验机上进行耐磨损性能测量。试样为块状，宽度6.35mm，使用外径34.99mm环作为计数样。研究用环块由100Cr6轴承钢制造，硬度（HRC）为62。扫描持续100min，施加的单位载荷为200N/mm²和400N/ mm²。旋转速度为316r/min（5.26Hz），摩擦速度为0.25m/ s，磨痕轨迹半径17.5mm。

3结果和讨论

对35CrSiMn5-5-4钢进行的早期研究表明，在等温淬火过程中可以形成纳米尺寸或亚微米晶粒尺寸的无碳化物贝氏体。不过，由于钢的碳含量低，残余奥氏体相对低。为了提高表面层的碳含量，表1所示的35CrSiMn5-5-4钢采用注入法进行真空渗碳处理。碳含量的增加促进了钢中纳米贝氏体组织的形成。

对钢试样渗碳层横截面进行的化学分析结果表明，表面处碳含量为0.64%，而这一数值稳定维持到距离表面深度0.5mm处。在2mm深度处碳含量为0.39%（图2）。

渗碳层在260℃等温淬火过程中形成了细晶针状组织。该组织中的贝氏体铁素体板条或者彼此平行，或者彼此间以不同的角度分布，形成组或束。提高处理温度，导致组织中出现未浸蚀的残余奥氏体区，它们与彼此平行分布的细小贝氏体板条分开。

利用TEM对在260℃处理的试样进行观察，结果表明，组织中存在马氏体和无碳化物纳米贝氏体。马氏体和贝氏体彼此分开，中间为残余奥氏体薄层。铁素体和马氏体平均宽度为（102±7）nm，而残余奥氏体层厚度为（33±3）nm。将处理温度提高到320℃，则形成无碳化物贝氏体和残余奥氏体的组织。贝氏体板条平均宽度（65±4）nm，而残余奥氏体层的厚度为（26±2）nm。另外，也发现面积不超过1μm²的块状奥氏体。

根据TEM照片，估计在260℃和320℃等温淬火钢的表层中残余奥氏体的相对体积分数分别为（20.5±3.5）%和（20.2±3.5）%。在320℃等温淬火获得的微观组织中的晶粒尺寸相对均匀。不过，组织中观察到不同奥氏体含量的不同区域，同时也观察到没有形成簇的一些二次碳化物。

在260℃等温淬火钢的心部形成了马氏体-贝氏体组织，平均晶粒尺寸为（152±23）nm。马氏体出现是由于该钢的马氏体开始转变温度为307℃，高于等温淬火温度。马氏体板条中存在高密度的碳化物，表明在等温淬火过程中试样心部发生回火。在320℃等温淬火过程中，在心部形成亚微米无碳化物贝氏体，尺寸为（140±10）nm。不过，也观察到大量的大晶粒铁素体，尺寸约0.5μm。

在260℃和320℃两种等温温度下，心部区域奥氏体相对体积分数分别为（13±3）%和（11.4±2.3）%，都明显低于渗碳层中的奥氏体体积分数。奥氏体主要以三种不同形式存在：在260℃处理时以极薄层存在（29±4）nm；较厚的层厚（46±6）nm；在320℃处理时以小块状存在（面积0.086-0.288μm²）。

在320℃等温淬火的情况下，由于温度高于Ms点，几个因素可能影响心部的组织以及各相的体积分数。早期对35CrSiMn5-5-4钢进行的研究表明，完成贝氏体转变所需的时间略微小于2h。根据研究结果，将等温处理时间延长至超过临界时间，导致铁素体晶粒聚集并形成块状奥氏体。特定相的晶粒尺寸增加也可能受到处理温度的影响。同时，随着处理时间的延长，奥氏体体积分数存在降低的趋势。

本研究所采用的热处理时间持续24h。因此，心部铁素体和奥氏体晶粒尺寸增加，而与早期研究时采用2h的等温处理相比，奥氏体体积分数降低。

以不同载荷测量了各层硬度。对渗碳、淬火、回火层，其硬度高于在260℃等温淬火的渗碳层，后者在不同载荷下的硬度分别为130HV_0.2和125HV₁，也高于在320℃等温淬火的渗碳层，后者在不同载荷下的硬度分别为225HV_0.2和205HV₁（图3）。这可能与在纳米贝氏体组织中存在相对较软的残余奥氏体有关。当钢经历传统的热处理时，截面硬度不发生变化。在经过纳米组织化处理后，随着距离表面的距离增加，钢的硬度稍微提高。随着距表面距离增加，晶粒尺寸也增加，这易造成硬度降低。不过，在纳米贝氏体组织中的碳含量和残余奥氏体体积分数均降低，因此，等温淬火钢的心部硬度稍高。

图4给出了在200N/mm²和400N/mm²载荷下摩擦磨损测量结果。随着外加载荷增加，磨损量增加。磨损试验表明，与传统处理时造成更硬的渗碳层淬回火后相比，渗碳后等温淬火处理的表面层具有明显高的耐摩擦磨损能力。这种差异在260℃等温淬火情况下尤为显著。最可能的原因是这与纳米尺寸贝氏体组织中的残余奥氏体量有关。尽管奥氏体相对较软，但是在摩擦过程中，在应力作用下可能由于TRIP效应而转变成马氏体。由于TRIP效应，接触区的硬度可能显著增加，这会改善摩擦磨损性能。不过，为了证实这一理论，需要用XRD进行进一步的物相分析。

4结语

35CrSiMn5-5-4钢在渗碳后进行等温淬火处理，可以在渗碳层形成纳米尺寸的贝氏体组织，在心部形成马氏体或亚微米尺寸的无碳化物贝氏体组织。

35CrSiMn5-5-4钢在渗碳过程中表面层碳含量增加，有利于残余奥氏体的形成，它可能在摩擦试验中由于应力而发生马氏体转变。形成的马氏体可能显著提高试验钢的耐摩擦磨损能力。

低温等温淬火可能是一种适用于钢在渗碳后进行热处理的方式，也可能替代传统的淬火和低温回火处理。它看起来有利于改善表面层的耐摩擦磨损性能，并降低淬火造成的工件扭曲。

（杨雄飞）