易貞峰

寧波群力緊固件制造有限公司 浙江寧波 315205

1 序言

我公司主要生產高強度緊固件，材料為SCM435、42CrMo、40Cr、35K、10B21等調質鋼，wC主要在0.2%～0.42%，主要性能等級為8.8級、10.9級、12.9級等緊固件產品。按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]要求，緊固件產品除了需滿足硬度、抗拉強度、沖擊韌度等一系列力學性能要求外，還需滿足表面滲碳脫碳的要求。我公司主要熱處理設備為網帶爐生產線，其中一條網帶爐生產線型號為SY806-4（220V，250kW），可通入甲醇（直接通入爐內進行裂解）和丙烷進行爐內氣氛調節(jié)，配備SSI AC20碳勢控制儀表控制丙烷流量閥的通斷。網帶爐淬火加熱區(qū)分為4個，每區(qū)配一支熱電偶并預留有監(jiān)視熱電偶位置，氧探頭位于3區(qū)位置，在淬火油槽處有排放裝置，廢氣經過燃燒后直接排放。由于產能原因，需要將12.9級產品移至此條生產線進行熱處理生產，但該生產線主要用于生產8.8級緊固件產品，之前偶爾處理12.9級緊固件產品，頻繁發(fā)生增碳現(xiàn)象。

2 檢驗標準及體系要求

2.1 檢驗方面

按GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]規(guī)定，增碳或脫碳檢測方法有以下兩種。

1）金相法：通過取距離螺紋末端1倍直徑長度，沿螺紋軸心線方向切開取縱向截面的試樣，鑲嵌后，用砂紙打磨、拋光，用3%的硝酸酒精進行腐蝕，在金相顯微鏡下進行觀測實際的脫碳層或增碳層。

2）硬度法：按圖1所示測定3個點的值，其中E和H1的取值按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]規(guī)定進行，載荷選用為0.3kg（2.94N），硬度法為仲裁方法。在本文中用HV0.3（1）、HV0.3（2）、HV0.3（3）分別表示圖1中的1、2、3點位置的維氏硬度值，0.3表示載荷為0.3kg。

圖1 脫碳試驗和增碳試驗的硬度測量

脫碳判斷：按GB/T 3098.1—2010規(guī)定，應滿足HV0.3（2）≥HV0.3（1）－30，否則視為脫碳。

增碳判斷：按GB/T 3098.1—2010規(guī)定，應滿足HV0.3（3）≤HV0.3（1）+30，否則視為增碳。

本文主要闡述增碳控制，脫碳控制需要在淬火前的球化退火過程中進行，在此暫不述及。

2.2 CQI-9熱處理體系要求

按照CQI-9[2]熱處理體系要求，熱處理組織應采用適當?shù)姆椒ㄕ{整并重新建立/確定實際的氣氛與原有的控制和備份的氣氛讀數(shù)之間的差異。為滿足CQI-9體系要求，我公司配備了1/10000天平、箔片以便對爐內氣氛進行定碳，后來又配備了三氣分析儀以便對爐內氣氛進行迅速有效的在線檢測。

3 碳勢及碳勢控制

碳勢是表征含碳氣氛在一定溫度下改變工件表面含碳量能力的參數(shù)，如果爐內氣氛的碳勢低于產品材料的碳含量，則產品表面有可能會脫碳；反之，如果爐內氣氛的碳勢高于產品材料的碳含量，則產品表面有可能增碳。要控制產品表面的增碳或脫碳，須先控制住爐內氣氛的碳勢，讓爐內氣氛處于受控狀態(tài)。

在一定溫度下，爐內氣氛中的氧氣和碳勢存在一定的對應關系。通常在碳勢控制過程中，碳控儀表借助插入爐膛內的氧探頭取得一個代表氧含量的毫伏值，轉換成碳勢值與設定值比較，并根據(jù)比較結果控制丙烷通入爐內的量達到碳勢控制。CQI-9要求定期驗證爐內氣氛，以確保碳控儀表顯示值與爐內碳勢真實值是正確對應的，實際上也就是確定兩者之間的差值在允許范圍內，此范圍一般為±0.03%。

4 試驗流程及結果

4.1 摸底抽樣檢驗

對在線熱處理DIN912的M24×120材料為ML20MnTiB鋼10.9級產品摸底抽樣檢驗，熱處理工藝參數(shù)見表1。

表1 M24×120材料為ML20MnTiB鋼10.9級產品熱處理工藝參數(shù)

從表1現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)看，生產過程無異常，接下來進行相關測試。

1）金相檢測，如圖2所示。從金相上可看到，產品牙底增碳層深度約0.122mm，牙頂是約0.129mm，說明儀表顯示值0.18%是不真實的，需進行定碳（爐氣檢測），然后對碳控儀表進行修正。

圖2 M24×120金相組織（100×）

2）硬度法檢測，結果見表2。與金相法檢測得出的增碳結果相吻合，需對爐內氣氛進行定碳。

表2 硬度法檢測結果

4.2 爐氣摸底檢測

1）使用三氣分析儀進行在線檢測，得到爐內氣氛各組分值及碳勢，見表3。

表3 三氣分析爐內氣氛值 （%）

2）用定碳片在三區(qū)定碳，箔片原始厚度0.08mm，保溫30min，AC20儀表實際顯示0.18%，定碳方法按照JB/T 10312—2001《鋼箔測定碳勢法》[3]進行，計算公式

式中C——采用稱重法測得的鋼箔滲碳后的碳含量（%）；

C0——鋼箔滲碳前的原始碳含量（%）；

Wf、Wi——用分析天平測量的滲碳前后鋼箔的重量（g）。

計算后得出爐內實際碳勢為0.30%，見表4。

表4 箔片法測量碳勢值

三氣分析法和箔片法測試結果相差0.02%，可認為測試結果可靠。

由上面的兩種方法可知，爐內實際碳勢高于碳控儀表的顯示值，需對碳控儀表進行修正。

4.3 對碳控儀表SSI AC20進行COF參數(shù)修正

SY806-4三永網帶爐沒有配備往爐內通入空氣的通道，AC20碳控儀表控制的是丙烷流量閥，由此可得出修正爐內碳勢的思路為：先固定尾氣的排放量，然后將通入爐內的甲醇流量降下來，使得爐內氣氛中的CO占比隨之下降，從而將爐內氣氛的碳勢實際值降低，再使AC20碳控儀表的顯示值正確地顯示實際碳勢值，即可實現(xiàn)低碳勢的控制。當碳勢設定值高于降低流量后甲醇能供給的碳勢時，由AC20碳控儀表控制丙烷電磁閥的開啟通入丙烷，降低流量后通入的甲醇裂解提供不了的碳勢差值由丙烷通入爐內裂解來補充。這些都須基于AC20碳控儀表正確顯示爐內實際碳勢。

具體修正操作如下：

1）鑒于前面的分析，先將尾氣排出量調節(jié)閥固定住，不允許調節(jié)其開啟大小，并固定產品裝載量。

2）調整通入甲醇流量，將其由50mL/min降至25mL/min，因為通入爐內的甲醇量少了，產氣量也隨之少了，爐壓隨之降低，導致淬火油槽處的尾氣火焰長度由400mm左右降到了300mm左右。

3）SSI AC20碳控儀表操作說明書中修正COF參數(shù)方法為：將AC20的COF值200和顯示碳勢值0.40%（見圖3）相連PIVOT交于一點，通過此點將定碳所得真實值0.35%連接起來，延長線與右側線交于175，則所需設置的COF值即為175。實際可用內插法計算求出所需的COF值，假設所需的COF值為X，則X/200=0.35/0.4，由此得出X=200×0.35/0.4=175，與在圖3上作圖所得結果一致。

圖3 COF值與碳勢關系

依此法，AC20儀表COF原始值為308，需要修正的COF參數(shù)值=308×0.3/0.18=513，在此暫取500。如果后面發(fā)現(xiàn)此值不合適再重新計算確定，同時將AC20碳勢表里的COF值更新為500。

4.4 檢測COF參數(shù)修正后的爐氣

同樣使用箔片定碳法和三氣分析法進行。熱處理工藝參數(shù)見表5，三氣分析儀分析結果見表6，箔片法定碳結果見表7。

表5 熱處理工藝參數(shù)

表6 三氣分析爐內氣氛值 （%）

表7 箔片法測量碳勢值

由上結果可知，修正后CO的占比降至了25.6%，爐內碳勢實際值降至了0.22%/0.24%，AC20儀表的顯示為0.22%。兩種方法檢測結果與儀表顯示均在0.03%以內，結果可以接受。

4.5 檢測COF參數(shù)修正后熱處理爐內的產品

金相檢驗如圖4所示，從金相上看表面已無增碳層，說明爐內氣氛在修正后達到預期的效果。

圖4 COF修正后M24×120金相組織（100×）

硬度法檢測金相樣件，結果見表8。

表8 增碳測試數(shù)據(jù)

表8數(shù)據(jù)與金相檢測結果吻合，說明經過調整后，碳勢控制達到了預期的效果。

4.6 進一步驗證處理12.9級產品符合性

處理12.9級材料SCM435規(guī)格M12×80產品時，碳勢設置為0.35%，實際顯示也為0.35%，金相分析如圖5所示，從金相上看產品能達到要求。

圖5 M12×180金相組織（100×）

硬度法檢測金相樣件，結果見表9。

表9 材料為SCM435鋼的產品增碳測試數(shù)據(jù)

由檢測結果可知，材料由20MnTiB換為SCM435，爐內碳勢同樣也能達到預期的要求。跟蹤 ML40Cr和SCM435材料的12.9級產品多批次生產，發(fā)現(xiàn)均能達到要求。

5 結束語

SY806-4三永網帶爐生產線AC20碳勢控制儀表的顯示碳勢與爐內實際碳勢之差超出了要求，通過降低甲醇流量，固定住尾氣排放閥的開放量大小以及產品的裝載量，用三氣分析儀及箔片定碳法對爐內氣氛進行檢測（箔片法為仲裁法，但三氣分析儀可得出爐內氣氛組分），然后修改AC20儀表COF參數(shù)值為500，使爐內氣氛得到精確控制，實現(xiàn)了在SY806-4三永網帶爐中量產12.9級緊固件產品的目的。