与热处理技术相关的热点技术

2024-01-09 14:11:20 作者：梅子来源：梅子分享至：

1	非金属夹杂物对高强度螺栓有哪些影响？

非金属夹杂物在钢中主要以氧化物和硫化物的形式存在。根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，非金属夹杂物按JK图评定（A类硫化物、B类氧化铝类、C类硅酸盐类、D类球状氧化物类和DS类单颗粒球状类）。

钢中的夹杂物通常对其性能是有害的，会造成钢的组织不均匀；夹杂物往往是裂纹源，因而钢中夹杂物是钢的断裂韧性重要影响因素，其中条状MnS影响最为明显。它的存在割裂了金属的连续性，剥落后就成为凹坑或裂纹，在冷镦成形时极易形成裂纹源，热处理时易造成应力集中，产生淬火裂纹。因此，高强度紧固件对夹杂物应严格控制，鉴于我国钢材标准GB/T 3077、GB/T 6478暂未对夹杂物做出明确要求。C类（硅酸盐类）和D类（球状氧化物类）对热处理的影响最大，硅酸盐夹杂物应不大于1.5级，球状氧化物夹杂应不大于2级为佳；对氧化物和硫化物夹杂物之和应不大于3级。

钢中的夹杂物的形状和分布可以影响高强度螺栓的综合性能。热处理如果改变钢中的夹杂物形状和分布，则夹杂物在热处理前后对材料会产生不同的影响。如果热处理不改变夹杂物形状和分布，只引起基体组织变化，则需要考虑夹杂物对热处理过程中基体组织变化的影响。

在热处理过程中，夹杂物对组织的影响主要是促进铁素体形核，从而有效分割晶粒，细化组织。实践证明，经过热处理后，虽然夹杂物的大小、级别、状态有所改变，但原材料组织不良的情况不可能根本改观，会继续遗留下来，因此对高强度螺栓冲击试验的影响较大，往往造成低温冲击功不合格。

这个问题很关键。重新调质热处理也不能满足技术要求。

2	对于钢结构M82以上大规格10.9级高强度螺栓，采用什么钢材？

这涉及一个成分和淬透性的问题，现在常用的42CrMo、B7、40CrNiMoA钢，目前的工艺能满足硬度及强度要求，但对于其它性能如断后伸长率、冲击韧性就难达到要求。一般用34CrNi3Mo钢，34CrNi3Mo钢为大截面调质用合金钢，它的化学成分为0.30%～0.40%C、0.17%～0.37%Si0.、50%～0.80%Mn、0.70%～1.10%Cr、0.25%～0.40%Mo、2.75%～3.25%Ni。油淬临界直径可达φ60～80mm，淬透性优点，其他钢种无法比拟。34CrNi3Mo钢的临界点温度Ac1=725℃、Ac3＝790℃，淬火温度选择在860～880℃水溶液冷却、880～900℃快速淬火油冷却；对于10.9级螺栓回火温度，一般在560～590℃回火水冷。

高强度螺栓规定了螺纹截面的芯部在“淬硬”状态、回火前获得约90%的马氏体组织要求。为了保证淬透性，对于直径大于φ50mm，淬火介质选用影响最大，当油淬火时不能满足机械性能要求，则必须采用水淬，原则是在不淬裂的前提下尽量采用水溶液。因为水淬有较多的优点，如有较深的淬硬层、较优的机械性能、生产成本低等。我们搞热处理的如果不把成分放在第一位那是搞不好的。可以采用含碳量≥0.34%～0.38%的钢材,带状组织偏析应控制在1.5级以下，其中控制非金属夹杂物的等级，如硫化物类、氧化铝类、球状氧化物类均不大于1.5级（包括粗、细系）。若冲击韧性不够，考虑增加一道580～600℃再回火工序，然后快冷。

3	什么是五害元素？对冷镦钢有何危害？

H、O、N、P和S 称为“五害元素”，严重危害紧固件用的冷镦钢。对于紧固件企业而言，对紧固件生产用钢的检测就十分必要。

五害元素的减少，使冷镦钢中有可能成为裂纹源的硫化物、氧化物及氮化物夹杂在晶内及晶界的数量减少，从而使晶界弱化作用降低，断裂韧性和冲击韧性提高。研究表明，在含有0.60%～0.90%Mn冷镦钢中，S主要形成MnS夹杂，MnS夹杂在钢的基体中相当于裂纹源，S和P元素在晶界的偏析使晶界弱化，因此，S和P含量的增加降低了钢的塑性，使钢的断面收缩率降低。钢中N 主要生成氮化物夹杂，因而N 的增加使钢的断面收缩率明显降低，而断后伸长率变化不大。O在钢中主要形成氧化物夹杂，O 增加使氧化物夹杂增多，钢的断面收缩率明显降低。H 在钢中会产生白点、点状偏析等缺陷，随着H 含量降低缺陷减少，断面收缩率明显升高。

对大规格高强度螺栓用钢而言，减少五害元素，从而减少非金属夹杂物的含量及夹杂元素在晶界的偏聚，增大裂纹形核和扩展阻力，对保证螺栓正常服役十分有效。

4	钢的晶粒度如何评定？

钢的晶粒大小与所处热处理状态有关。晶粒度是奥氏体化温度和时间的函数，评定的不是在某任意规定温度下的晶粒大小，而是在热处理中实际执行奥氏体化的条件下晶粒的大小，这就是常规的“奥氏体晶粒度”。奥氏体晶粒度就是指“奥氏体的实际晶粒度”；也就是钢在实际使用时，经奥氏体化处理所得到奥氏体晶粒度。GB/T6394-2013《金属平均晶粒度测定方法》中涉及到的“奥氏体晶粒度”也就是“奥氏体的实际晶粒度”。标准规定了金属组织的平均晶粒度表示及评定方法；本方法主要适用于单相晶粒组织，但经具体规定后也适用于多相或多组元的试样中特定类型的晶粒平均尺寸的测量。

晶粒度是指晶粒大小的量度，通常使用长度、面积或体积来表示不同方法的评定或测量晶粒大小。真正影响钢材使用的是钢的奥氏体的实际晶粒度，而不是“本质晶粒度”。通过适当的显示方法将晶粒显现出来，视晶粒分布情况与状态采用相应的测量方法，美国ASTM标准就设有一系列测量方法的标准。现行的GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》就是参照美国ASTM E112制定的；与GB/T 24177-2009《双重晶粒度表征与测量方法》（参照ASTM E1181制定的）和JB/T4290-2012《金相检测面上最大晶粒尺寸级别（ALA晶粒度）测定方法》(等同采用ASTME930-99(2007)等标准的发布实施，形成完整的晶粒度测定方法标准体系,更好地与国际接轨，将组成完整晶粒度测量标准系列。

标准中使用晶粒面积、晶粒直径、截线长度的单峰分布来测量试样的平均晶粒度。这些分布近似正态分布。测量方法仅适用于平均晶粒度的测量，不适用于试样三维晶粒度的测量，即立体晶粒的测量。钢的晶粒度是很重要的检测指标，对重要紧固件是必检项目。钢的晶粒度对冲击吸收能量值影响很大。

5	什么是回炉钢、回硫钢？

GB/T699、JIS G4051、JIS G3507～3509、SAE J403标准系列优质碳素结构钢；GB/T6478标准系列等冷镦冷挤压用钢在紧固件企业使用量最大。对于此类钢材紧固件，不论在过去还是现在它仍然担当着重要角色。尤其是冷镦钢是靠冷镦成型制造螺栓、螺母、螺钉、铆钉、销钉等紧固件，冷挤压钢是通过冷挤压工艺制造汽车、自行车等机械零件，又称铆螺钢。

冷镦和冷挤压是在常温下利用金属塑性成形的，代替机加工，不但效率高、质量好，而且用料省、成本低(降低l0%～30%)。当代我国在冶炼技术上有了进一步发展，由于对资源的节约，使用废钢回炉冶炼的钢品种有一定增加。转炉炼钢使用80%以上的铁水，即使是电弧炉也可以使用超过60%的铁水，采用铁水预脱硫技术用于冷镦钢或高纯净度钢，此时如果不在钢包精炼或真空脱气后实施回硫工艺，钢中硫含量分别为0.005%～0.015%、0.010%～0.030%、0.025%～0.040%、0.030%～0.045%等区间。硫含量越高，钢的切削性能越好；硫含量越高，钢件的锻造流线越严重，横向性能下降越明显。

在冷镦变形部位，如果金属产生激烈的横向流动，将导致丝线状、棒状硫化物的扁平化，加剧硫化物分割基体的作用，使螺栓头部或螺母六角部分、支承面出现微小裂缝，增加淬火可裂或磨削开裂的倾向。在相同性能等级的螺栓零件，回炉钢、回硫钢与冷镦钢比少了一次820～880℃的低温奥氏体重结晶工艺，其晶粒比冷镦钢的粗大，是导致其韧性差的另一重要原因。因此，对高强度螺栓等不宜采用回炉钢、回硫钢。

GB/T3098.1-2010标准中对8.8级～10.9级的螺栓使用的材料有明确规定，对于需要热处理的高强度螺栓钢硫和磷的最大含量极限，从0.035%降到0.025%，其中有“添加元素的碳钢（如硼或锰或铬）”一类，不允许向钢中添加钙或钙合金，应采取一切合理的措施，防止从生产所用的废钢或其它合金材料中带进影响淬透性、力学性能和使用性能的元素。在我国大量使用的45#、40Cr钢往往残余合金元素过多，控制非常困难，特别是一些难于在冶炼中去除的杂质元素，S、P的含量一般都在0.025%～0.035%或更多，还有其他的杂质Cu铜、Pb铅、Sn锡、Se硒，当钢中有害元素P、S增加时，低倍组织检测的中心疏松、一般疏松、方形偏析的级别将在 2～3级，白点、缩孔、气泡、翻皮等缺陷也可见存在。此类钢材由于价格较低，不少紧固件企业还很喜欢采用。在螺栓调质时常有淬火裂纹的事故，主要是杂质元素和非金属夹杂物较多引起，在热处理时采取任何措施都不可避免开裂。对于重要的产品，建议一般不用或少用45#、40Cr钢。

6	高强度螺栓调质后为什么要进行金相检验？

GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》强调对8.8级及以上产品的材料要求应有足够的淬透性，以确保螺栓螺纹截面的芯部在淬硬状态、回火前获得约90%的马氏体。生产上常以硬度来衡量螺栓淬火后的回火转变程度，为达到良好的淬透性，对10.9级及以上高强度螺栓而言，淬火组织的均匀性尤为重要。

一些企业在热处理淬火时，没有达到钢材马氏体可能得到的最高硬度，即没有获得最大淬硬性（钢淬火时的硬化能力），只是通过调整回火温度，降低回火温度来保证螺栓的最低抗拉强度值，以此来掩盖不良热处理质量。为此，GB/T 3098.1标准中规定螺栓回火前获得约90%的马氏体组织是很有必要的。

淬火后马氏体的粗细可按JB/T9211-2008《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》进行评定。由于奥氏体化温度不同，马氏体形态和大小不一样。1级属于奥氏体化温度偏低，淬火组织是隐针马氏体、细针马氏体和不大于5%的铁素体（体积分数）；而8级则属于过热组织，是粗大的板条马氏体+粗片针马氏体。正常淬火时控制在3级～5级，其组织为细小的板条马氏体+片状马氏体，6级具有较高的冲击韧性、屈服强度和抗拉强度，适用于较大规格且要求淬透性高的螺栓。评定调质后的质量一般采用GB/T 13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图与评定方法》，试样抛光后用体积百分数2%～5%的硝酸酒精溶液侵蚀。金相组织按1～8级评定，1级组织最好；8级组织最差。该标准第三组评级图，适用于结构钢调质处理件，尤其是高强度螺栓的调质检验。被评定的调质组织介于两个级别之间时，以下一级为判定级别，例如大于3级小于4级时，则判为4级。

调质的金相组织分析，在光学显微镜下用500倍观察，合格级别可由供需双方协商约定，没有约定的以1级～4级为合格。生产实践表明，在低温环境下服役、有低温冲击性能要求的螺栓，1级～3级为验收标准。如果在评级时有争议，可以参考力学性能检验结果进行判定。

7	如何正确使用淬火介质？

当今水溶性淬火介质在国内紧固件企业的普及程度越来越广，除了中低碳钢外，如合金钢，马氏体不锈钢、热作模具钢等类型的产品都在尝试采用水溶性淬火介质，且工艺控制的经验也越来越成熟，但是对于水溶性淬火介质浓度问题的控制往往会存在偏差，导致各种热处理质量问题。

目前，国内紧固件企业热处理淬火介质主要采用快速淬火油和水溶性淬火介质，它们在使用过程中与高温工件直接接触，不可避免会发生理化性能的变化，因此在使用过程中冷却性能均会发生一定程度的变化，需要有效地监控。一是提高淬火介质的稳定性，保证淬火工件的性能和变形在可控的范围内；二是提供有效的冷却性能监控方式，同时根据工况条件“量身定做”淬火介质优化方案，以保证淬火介质长期稳定的使用。

从多数紧固件企业的生产实践来看，快速淬火油主要用于合金结构钢的钢种及薄壁的螺栓、螺母及异型件；水主要用于碳素结构钢及形状简单的紧固件；PAG聚合物淬火介质介于水-油之间，在一定的条件可代替水，也可代替油，具有较宽的冷却烈度范围。

聚合物淬火介质可消除淬火油产生的油烟。减少碳排放，推广使用聚合物淬火介质是全球范围的趋势。聚合物淬火介质可完全符合安全生产要求，可以确认是我国紧固件热处理清洁生产的重要工艺材料。

目前聚合物淬火介质由于具有环保、技术和成本方面独特优势，其应用越来越广泛。近年来，为了减少热处理油烟排放，我国开发了多种环保减碳的新型淬火介质。当前聚合物淬火介质的使用约占整个淬火介质（油+聚合物淬火介质）的30%～40%。生产实践中，为提高淬火质量，对聚合物淬火介质的使用效果试验重现性，主要取决于搅拌的重现性，搅拌实际上是紊流。聚合物淬火介质的使用温度、浓度及搅拌是保证淬火质量的关键因素。

由于PAG聚合物淬火介质中细菌以有机物为原料并催化其发生变化，会加速聚合物淬火介质的老化，缩短淬火介质的使用寿命，并使对流阶段冷速加大，淬火时螺栓、螺母变形开裂倾向增大，从而使紧固件的淬火质量难以保证。现场只有调整浓度减慢冷速，但是效果并不明显。使用生物稳定的聚合物淬火介质AQ245以及环保性能优异的速冷剂，可以较好地解决变形与开裂问题。

首先采用新液配置不同浓度的淬火液，通过冷却特性测试仪测试不同浓度下淬火液的300℃冷速，从而建立不同浓度与冷速的标准表格或图谱，采用冷却特性测试仪是较理想的方法。其次，对于快速淬火油最好每年调换新油一次；水溶性淬火介质不同于淬火油，温度、浓度、搅拌强度对其冷却性能的影响较大，建议采用螺旋浆进行强力搅拌，以保证冷却的均匀性，从而获得组织和硬度的均匀性。

8	快速淬火油使用时间长了为什么会老化？

目前，快速淬火油在紧固件热处理冷却介质中仍然占主导作用，淬火油的使用温度升高，会显著加快其老化的反应速度。油温每提高10℃，化学反应速度提高约2～4倍，原则上淬火油的使用温度在60～80℃。淬火油加热使用和与热工件反复接触，导致淬火油氧化和老化，是其在生产中的最大威胁。

长期的螺栓、螺母淬火操作使淬火油发生许多复杂的化学改变，从而引起油的特性的显著改变，也使淬火油不断老化，包括淬火油碳氢化合物热分解出易挥发的组分或气体及一些化合物的氧化，氧化产物经聚合会导致油的黏度增大，这是淬火油老化的机制反应。同时，油接触灼热工件表面被加热至较高的温度，引起油的断链和发生次级反应而生成分解产物，被氧化的碳氢化合物均处于高的不稳定状态，会发生聚合，形成油垢，甚至发生沾污工件和淤塞管路等严重后果。显然，淬火油使用过程中碳氢化合物氧化的机制应予以重视。

快速淬火油使用时间长了为什么会老化，这是淬火油在使用过程中不断地发生氧化，工件表面出现油泥和渍斑的主要原因。随着使用时间的增加，油的氧化越来越严重，黏度进一步增大，油泥也进一步增多，这些都使淬火油的冷却性能下降，以致使工件出现软点甚至淬不硬，金相检验显微组织：碳素钢中条块状团絮铁素体增多；合金钢中呈现下贝氏体组织。这时，其实质是淬火油在使用过程中发生了严重的氧化。

随着淬火油在使用过程中发生氧化，其羧(SUO-有机化合物中的含碳、氧、氢COOH的基叫羧基)酸含量会逐步升高，故可测试油的酸值来衡量其老化的程度。淬火油在连续使用2年以上后，酸值不断升高，在酸值达到1.0～1.5mgKOH/g左右时，生成羧酸的速率明显加快。淬火油品老化后，其冷却曲线反映在蒸气膜阶段缩短，最大冷速增大，冷却曲线整体向右上方移动，高温冷速加快，工件的可淬硬性下降。酸值达到1.5mgKOH/g是淬火油老化的量化指标，也是换油的依据，一般使用达到1年就应该换新油。防止淬火油品老化的措施有：使用加氢精制的基础油和复合抗氧化剂能有效改善油的抗氧化性能，为提高淬火油的抗老化性能，在使用淬火油时，应注意如下事项：使油处于循环状态，及时过滤，防止进水，不要部分换油，尽量降低淬火油的使用温度，减少污染等。

9	聚合物淬火介质的细菌滋生问题。

目前聚合物淬火介质因具有环保、技术和成本方面的独特优势，其应用越来越广泛。然而与水和油不同，聚合物淬火介质富含有机养料，故易滋生细菌，从而加速聚合物淬火介质的老化，缩短淬火介质的使用寿命。使对流阶段的冷速加大，从而使紧固件的淬火质量难以稳定，可能堵塞网带炉的过滤系统，影响系统的正常运行。事实上有不少企业就是因为细菌的滋生问题，而不得不提前更换在用的淬火剂。

细菌滋生时会释放出酸性物质，使PH值降低，PH值降低是细菌滋生的结果。可以通过经常检测聚合物淬火介质的PH值，揭示细菌滋生的趋势或迹象，并采取相应的措施，防止细菌滋生。较低的PH值是细菌滋生的重要原因之一；试验结果证明，PH值低于8.0时就会明显促进细菌生长。

在PH值低于8～8.5时要及时将其调高，以防止细菌滋生和防锈性能的下降。可以采用添加原液的办法，或用供应商提供的PH值调节剂来调整PH值。不可用无机盐或碱如NaOH、Na2CO3，会污染聚合物淬火剂，影响浓度的准确测量，并影响淬火过程中的传热，所以现场不宜用无机碱或无机盐来提高PH值。在淬火过程中产生的氧化皮、碳黑会不断地淤积在系统中，不仅会堵塞过滤器，也易滋生细菌，因此应定期进行清理，尽可能保持淬火介质洁净。

为此，滋生细菌与聚合物淬火介质和配液用水的质量，淬火系统的循环、PH值、杂质杂油以及空气中的细菌等因素有关，应针对这些因素采取相应的措施，以减少细菌的滋生，而保证聚合物淬火介质的冷却性能。