王澤斌，楊國(guó)民

1.冷水江市科技信息中心 湖南婁底 417500

2.冷水江天寶實(shí)業(yè)有限公司 湖南婁底 417500

1 序言

35CrMoA鋼是石油化工用緊固件的一種常用鋼種，主要用于生產(chǎn)螺栓、螺柱。緊固件加工行業(yè)此類產(chǎn)品通行的加工工藝路線為：材料改制→切斷→倒角→滾絲→熱處理→發(fā)黑上油。熱處理回火溫度過(guò)高時(shí)，工件容易氧化，影響余熱發(fā)黑的效果，螺柱表面發(fā)黑膜容易脫落、表面粗糙，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

根據(jù)大多數(shù)緊固件加工企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)條件，M48以下螺柱滾絲或搓絲后是采用托輥式網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線進(jìn)行熱處理。由于35CrMoA鋼的淬火臨界直徑為40mm，因此M36以下螺柱采用油淬，其工藝曲線如圖1所示[1]。為防止氧化，回火爐會(huì)采用氮?dú)庾霰Ｗo(hù)性氣氛，回火后直接余熱發(fā)黑。

圖1 M20×80mm螺柱35CrMoA鋼制管法蘭用熱處理工藝

余熱發(fā)黑是利用工件回火余熱，依據(jù)熱聚合反應(yīng)機(jī)理形成黑色的高分子材料保護(hù)膜，從而達(dá)到防銹、防腐的目的[2]。它既解決了常溫發(fā)黑膜結(jié)合力小的問(wèn)題，又利用回火余熱達(dá)到高溫發(fā)黑的效果，降低能耗[3]。因?yàn)槠涔に嚟h(huán)保、節(jié)能、高效，且發(fā)黑色澤效果好，膜層光澤度高，所以廣泛用于標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)。

對(duì)M20×80mm螺柱熱處理后進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1，符合SH/T 3404—2013《石油化工鋼制管法蘭用緊固件》的相關(guān)要求。

表1 M20×80mm螺柱常規(guī)熱處理力學(xué)性能

由表1可看出，網(wǎng)帶爐采用常規(guī)熱處理工藝處理，已經(jīng)能夠保證其力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求?；鼗饻囟瘸^(guò)了580℃，且回火保溫時(shí)間長(zhǎng)，盡管有氮?dú)獗Ｗo(hù)，回火發(fā)黑后部分產(chǎn)品表面有凸起的氧化皮，且有剝落現(xiàn)象，如圖2所示。因表面起氧化皮而導(dǎo)致發(fā)黑膜脫落（見(jiàn)圖3）、掉色和表面粗糙，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品外觀質(zhì)量和表面防腐能力，屬于質(zhì)量不合格產(chǎn)品。為解決該質(zhì)量問(wèn)題，往往需要在回火后增加拋丸工序，拋丸后再次發(fā)黑處理，不僅增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率，對(duì)M20以上螺柱還容易引起牙紋碰傷，在解決發(fā)黑質(zhì)量問(wèn)題的同時(shí)，又新產(chǎn)生了螺紋通止規(guī)的質(zhì)量問(wèn)題。

圖2 表面有氧化皮且存在剝落現(xiàn)象

圖3 發(fā)黑膜脫落明顯

3 原因分析與改進(jìn)

3.1 余熱發(fā)黑的影響因素

由于35CrMoA鋼自身的特性原因，工藝設(shè)計(jì)時(shí)必然要求在600℃以上回火，才能保證產(chǎn)品力學(xué)性能要求。而鋼鐵在560℃以上且處于空氣環(huán)境下，工件極易氧化甚至產(chǎn)生氧化皮，進(jìn)而影響發(fā)黑效果。

為保證產(chǎn)品發(fā)黑效果，在發(fā)黑前，工件必須達(dá)到可引起熱聚合反應(yīng)的溫度，同時(shí)具有干燥、潔凈的表面，使發(fā)黑劑在發(fā)生熱聚合反應(yīng)時(shí)能形成有效的保護(hù)膜。

但當(dāng)工件的熱量超過(guò)保護(hù)膜的極限溫度時(shí)，就會(huì)減弱發(fā)黑膜與基體的結(jié)合力，產(chǎn)生發(fā)黑膜掉色、脫落等問(wèn)題。

3.2 發(fā)黑異常原因分析

在回火爐的設(shè)計(jì)中，進(jìn)料端為敞開(kāi)狀態(tài)，以方便工件的進(jìn)入。油淬后工件會(huì)通過(guò)清洗，空氣及工件上附著的水分也隨工件一起進(jìn)入爐內(nèi)，爐內(nèi)氣體中以氧氣、水蒸氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w為主，當(dāng)工件溫度高于560℃時(shí)，工件就會(huì)發(fā)生氧化甚至產(chǎn)生氧化皮。

由于回火爐的出料口直接通入發(fā)黑槽內(nèi)，所以當(dāng)高溫工件直接落入發(fā)黑槽內(nèi)時(shí)，發(fā)黑劑受熱氣化，產(chǎn)生水蒸氣。當(dāng)水蒸氣上升進(jìn)入回火爐內(nèi)時(shí)，會(huì)與高溫工件發(fā)生氧化反應(yīng)。

工件溫度越高、尺寸越大，攜帶的熱量也就越多，其心部的熱量也越難以轉(zhuǎn)移出去，通過(guò)熱聚合作用在工件表面形成的發(fā)黑膜受工件心部熱量的影響，當(dāng)工件溫度高于550℃時(shí)，其心部傳出的熱量可能引起表面高分子膜破裂。

3.3 改進(jìn)思路

通過(guò)上面的初步分析，我們將改進(jìn)的方向重點(diǎn)放在減少空氣和水分進(jìn)入、降低水蒸氣的影響及防止工件溫度過(guò)高這三個(gè)方面。

1）針對(duì)減少空氣及水分進(jìn)入方面：可采用風(fēng)機(jī)吹干工件附帶的水分，同時(shí)要進(jìn)一步提高爐內(nèi)氮?dú)獾拿芏龋黾訝t內(nèi)氮?dú)獾膲毫?，從而提高氮?dú)獗Ｗo(hù)的效果。

2）降低水蒸氣影響方面：既要減少水蒸氣的產(chǎn)生，又要減少水蒸氣進(jìn)入回火爐，同時(shí)不能影響回火爐密封效果。

3）防止工件溫度過(guò)高方面：在不影響回火后產(chǎn)品性能的前提下，降低工件的入水溫度，同時(shí)提高水的冷卻能力，讓工件心部的溫度快速下降，從而保證發(fā)黑膜的附著力。

4 工藝改進(jìn)試驗(yàn)及驗(yàn)證

根據(jù)減少空氣及水分進(jìn)入的思路，改進(jìn)回火爐爐口的結(jié)構(gòu)，增加風(fēng)機(jī)，加裝了多道耐高溫密封簾，調(diào)整氮?dú)饬髁?。為?yàn)證其工藝改進(jìn)的效果，我們采用SH/T 3404—2013 規(guī)定的M20×80mm螺柱進(jìn)行工藝試驗(yàn)。其發(fā)黑工藝試驗(yàn)方案1見(jiàn)表2。

表2 發(fā)黑工藝試驗(yàn)方案1

發(fā)黑工藝試驗(yàn)方案1的結(jié)果表明，在采用風(fēng)機(jī)吹干工件上水分的前提下，當(dāng)?shù)獨(dú)馔ㄈ肓窟_(dá)到20m3/h后，再增加氮?dú)饬浚瑢?duì)防止工件氧化沒(méi)有明顯的效果。而爐口增加密封簾，卻能夠很好地改善工件氧化的問(wèn)題。根據(jù)試驗(yàn)方案1的結(jié)果，確定吹干風(fēng)機(jī)、密封簾必須安裝，回火冷卻對(duì)發(fā)黑膜影響最大的思路。根據(jù)改進(jìn)的思路，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了發(fā)黑工藝試驗(yàn)方案2，見(jiàn)表3。

表3 發(fā)黑工藝試驗(yàn)方案2

圖4 安裝密封簾后牙紋輕微生銹

發(fā)黑工藝試驗(yàn)方案2在同一設(shè)備上按順序進(jìn)行，除試驗(yàn)確定的目標(biāo)參數(shù)外，其他參數(shù)與原工藝方案一致。試驗(yàn)方案2中兩組樣品待烘干后，取紗布對(duì)樣品擦拭，發(fā)現(xiàn)發(fā)黑膜仍有輕微脫落的現(xiàn)象。

鑒于方案2中的兩個(gè)方法都有一定的效果，將兩個(gè)方法同時(shí)使用，并進(jìn)行中批量生產(chǎn)，共10t左右。在生產(chǎn)中進(jìn)行連續(xù)觀察檢驗(yàn)，工件膜層均勻、顏色黑亮，且無(wú)脫落現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 工件膜層均勻、顏色黑亮

取批量生產(chǎn)的樣品，對(duì)其力學(xué)性能、金相組織及耐蝕性和皮膜致密性做了進(jìn)一步的檢測(cè)。力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表4，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 螺柱心部回火組織如圖6所示，為均勻回火索氏體組織。

圖6 螺柱心部回火組織（500×）

表4 改進(jìn)后常規(guī)熱處理力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)于耐蝕性和皮膜的致密性，參考行業(yè)通用習(xí)慣，采用GB/T 15519—2002 《鋼鐵黑色氧化膜試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)。將5%的草酸溶液滴到工件表面8min后，觀察工件表面皮膜無(wú)腐蝕的情況，如圖7所示。

圖7 草酸腐蝕表面無(wú)變化

使用3%實(shí)驗(yàn)室試劑級(jí)硫酸銅浸漬，將工件浸入溶液中30s，然后用冷水洗凈，濾紙吸干，表面無(wú)紅點(diǎn)及紅斑（見(jiàn)圖8），證明皮膜致密性好，無(wú)細(xì)孔或損傷。

圖8 表面無(wú)紅點(diǎn)及紅斑

5 分析與討論

5.1 回火爐設(shè)備改進(jìn)

通過(guò)工藝試驗(yàn)方案1的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，爐口結(jié)構(gòu)改變對(duì)控制氧化生銹有十分明顯的效果。密封簾安裝好后，水蒸氣和爐外的空氣在進(jìn)入爐內(nèi)的過(guò)程中大部分被密封簾阻擋。氮?dú)獬掷m(xù)通入爐內(nèi)，因密封簾阻擋又難以從爐口排出，使?fàn)t內(nèi)氮?dú)饷芏仍龃?，壓力增加且大于爐外壓力。在密封簾和爐內(nèi)氮?dú)鈮毫Φ碾p重阻攔下，爐外的空氣和水蒸氣就難以進(jìn)入爐內(nèi)而使工件氧化。

5.2 回火溫度改進(jìn)

工件入水溫度降低，心部傳遞給表面的熱量也相應(yīng)減少。當(dāng)溫度低于發(fā)黑膜的極限溫度時(shí)就避免了發(fā)黑膜老化的發(fā)生。同時(shí)，工件入水前溫度的降低，減少了帶入水中的熱量及水蒸氣的產(chǎn)生，工件受水蒸氣影響生銹的可能也隨之降低。試驗(yàn)證明，將工件入水前的溫度控制在560℃以下，有利于避免生銹，保證發(fā)黑的效果。

5.3 發(fā)黑槽工藝優(yōu)化

冷卻液溫度越低，吸收的熱量越多。發(fā)黑槽循環(huán)泵打開(kāi)，加強(qiáng)發(fā)黑劑的循環(huán)流動(dòng)，更有利于工件的降溫。試驗(yàn)證明，35℃以內(nèi)水溫與發(fā)黑劑良好的流動(dòng)性，有利于避免生銹，保證發(fā)黑的效果。

5.4 改進(jìn)后的發(fā)黑工藝

工藝改進(jìn)后批量試驗(yàn)確認(rèn)完成后，按如下工藝進(jìn)行35CrMoA鋼M20系列螺柱穩(wěn)定的批量生產(chǎn)，進(jìn)一步確認(rèn)工藝改進(jìn)效果：淬火加熱850℃，淬火加熱時(shí)間100min，65℃油淬，回火爐進(jìn)料口安裝多道密封簾，20m3/h氮?dú)獗Ｗo(hù)，回火前4區(qū)600℃、5區(qū)560℃，回火加熱時(shí)間110min，回火后余熱發(fā)黑，發(fā)黑溫度35℃，冷卻循環(huán)常開(kāi)。經(jīng)檢測(cè)，其力學(xué)性能、金相組織及其耐腐蝕性能和皮膜的致密性都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，說(shuō)明改進(jìn)后的工藝滿足穩(wěn)定生產(chǎn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）在高于560℃以上的溫度進(jìn)行回火時(shí)，空氣和水蒸氣對(duì)工件氧化的影響更為明顯；設(shè)備的密封效果及合理的保護(hù)性氣氛會(huì)直接影響工件氧化程度及發(fā)黑的效果。

2）高溫回火時(shí)，降低工件入水前的溫度及發(fā)黑劑的冷卻能力，是保證發(fā)黑膜附著力及成膜效果的重要因素。