易貞峰

寧波群力緊固件制造有限公司 浙江寧波 315205

1 序言

緊固件最常用的熱處理工藝是淬火、回火。在緊固件制造過程中，經(jīng)常會(huì)涉及不同鋼廠或同一鋼廠（相同或不同爐號(hào)）多批次材料，這些不同爐批號(hào)的材料其成分中各元素含量是有差異的，而這些差異會(huì)直接影響熱處理工藝及熱處理生產(chǎn)質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)相同材料牌號(hào)、相同規(guī)格及性能等級(jí)要求、不同爐批號(hào)的產(chǎn)品（熱處理前工序完全一樣的情況下），用相同設(shè)備及熱處理工藝處理時(shí)，得到的硬度值及變形等熱處理指標(biāo)不一樣的情況。這就要求在實(shí)際熱處理過程中，針對(duì)不同爐批號(hào)的產(chǎn)品，熱處理工藝要有對(duì)應(yīng)的調(diào)整。通常，我公司會(huì)針對(duì)某爐號(hào)材料與熟悉鋼廠的材料先進(jìn)行主要元素成分對(duì)比，大致判斷哪個(gè)材料淬透性好，然后安排工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以確定使用該材料是否需要進(jìn)行熱處理工藝調(diào)整。例如，40Cr鋼根據(jù)C、Cr含量來(lái)進(jìn)行判斷，如果某一爐批號(hào)的C、Cr含量高于另一爐批號(hào)的成分值，則認(rèn)為前者淬透性是高于后者的，但這只是一種大致定性的分析，假如C、Cr含量在兩者對(duì)比時(shí)出現(xiàn)一高一低時(shí)，如何進(jìn)行評(píng)判。另外，材料內(nèi)的其他元素對(duì)淬透性也是有影響的，比如Cu、Si、Mn等，顯然在判斷材料淬透性時(shí)應(yīng)取多個(gè)元素的綜合值?？傊瑢?duì)于原材料淬透性的掌控非常費(fèi)力、費(fèi)時(shí)且效果不明顯，因?yàn)椴磺宄牧系牟町愂裁磿r(shí)候會(huì)變大，且不能科學(xué)地評(píng)估差異。本文擬通過理想臨界直徑（DI）值來(lái)量化評(píng)估淬透性，從而建立材料成分與熱處理工藝的聯(lián)系。

2 鋼的淬透性與DI值

上述問題主要是由于不同爐批次鋼的化學(xué)成分變化導(dǎo)致的鋼淬透性變化，在實(shí)際淬火過程中鋼的淬透性是比較重要的一個(gè)性能指標(biāo)。淬透性指的是鋼材在淬火后能夠被淬透的深度大小的一種屬性，主要取決于鋼材的化學(xué)成分。為了反映鋼材的淬透性屬性，國(guó)際上發(fā)展了許多不同材質(zhì)的試驗(yàn)方法和評(píng)定方法，如端淬法、U曲線法等[1]。淬透性值量化求法有格羅斯曼理想臨界直徑計(jì)算公式、端淬曲線、淬火特性曲線等幾種方法[2]。利用鋼的化學(xué)成分來(lái)計(jì)算鋼的淬透性，必須排除各種外界因素（淬火溫度、冷卻速度等）的影響。早在20世紀(jì)40年代，格羅斯曼就提出了一個(gè)關(guān)于“理想臨界直徑”的概念，假設(shè)淬火冷卻介質(zhì)的淬火烈度值H為無(wú)窮大，試樣淬火所能淬透到50%馬氏體（指心部）的最大直徑稱為理想直徑（DI），其只與鋼的成分有關(guān)[1]。ASTM A255-10：2018《測(cè)定鋼淬透性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[3]（以下簡(jiǎn)稱 A255）基于格羅斯曼的工作成果，通過細(xì)化碳系數(shù)，以及細(xì)化硼與碳及合金元素成分間聯(lián)系的硼系數(shù)，為計(jì)算DI值提供了更高的精度。在此采用該方法嘗試將化學(xué)成分與淬透性通過DI值聯(lián)系起來(lái)。指定位置的淬火硬度取決于材料的淬透性和外部條件的共同作用，也就是指定位置的實(shí)際冷卻速度與材料理論臨界冷卻速度相比較。材料臨界冷卻速度取決于鋼的各成分元素，實(shí)際冷卻速度取決于外部條件如淬火冷卻介質(zhì)、攪拌速度、裝爐量、零件單重及尺寸等[2]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，指定位置可以在測(cè)試時(shí)規(guī)定同一個(gè)位置取樣即可；熱處理生產(chǎn)線及工藝確定后，實(shí)際冷卻速度也就確定了，臨界冷卻速度則主要取決于DI值，由此可知，指定位置的淬火硬度取決于D I值和工藝。

3 DI值的計(jì)算

根據(jù)A255標(biāo)準(zhǔn)，DI值即Ideal Diameter，理想臨界直徑，等于一個(gè)材料成分中碳的合金系數(shù)與各個(gè)合金的合金系數(shù)的乘積，在此使用英制。計(jì)算時(shí)，碳及各合金元素應(yīng)在一定范圍內(nèi)，各元素具體范圍要求見表1。

表1 DI值計(jì)算時(shí)各元素成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（1）無(wú)硼鋼的計(jì)算 將各元素的含量乘以系數(shù)后再計(jì)算總乘積即為DI值。在此假定均為7級(jí)晶粒，不考慮P、S元素，因?yàn)槎叩挠绊懯窍嗷サ窒?。各元素的系?shù)可通過查詢A255標(biāo)準(zhǔn)中表6得到，或者直接使用A255標(biāo)準(zhǔn)中表11里的方程進(jìn)行計(jì)算，將A255標(biāo)準(zhǔn)中表11內(nèi)容進(jìn)行整理，F(xiàn)m系數(shù)計(jì)算方程見表2。

根據(jù)表2（設(shè)定晶粒度均為7級(jí)）以及材料的化學(xué)成分分析結(jié)果，就能計(jì)算不同成分爐批號(hào)材料的DI值。我公司實(shí)際生產(chǎn)35CrMo鋼3個(gè)爐批號(hào)的DI計(jì)算值見表3。

表3 35CrMo鋼3個(gè)爐批號(hào)DI計(jì)算值

由表3可看出，相比C、Cr、Mo 3個(gè)主要元素含量，爐號(hào)1-1比爐號(hào)1-2略高一點(diǎn)，通常認(rèn)為兩個(gè)爐號(hào)淬透性相差不大，也就是說淬火后硬度值應(yīng)基本一致。但從計(jì)算的DI值上看，爐號(hào)1-1比爐號(hào)1-2的DI值低0.46，爐號(hào)1-1的淬火硬度值應(yīng)低于爐號(hào)1-2。從表3可知，實(shí)際淬火硬度值爐號(hào)1-1與爐號(hào)1-2相差5HRC，也與DI值相符合。爐號(hào)1-3的C、Cr、Mo元素含量均大于前兩個(gè)爐號(hào)，DI值也高，淬火硬度也是最高的，與最低的DI值2.49相比，淬火硬度高了6.5HRC。由此可見，DI值與淬火硬度值是成正比關(guān)系的，也就是DI值高的材料其淬透性高于DI值低的。

（2）硼鋼的計(jì)算 根據(jù)A255標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算硼鋼DI值時(shí)，需先計(jì)算出材料無(wú)硼時(shí)的DI值和合金系數(shù)（不含碳元素的），然后查A255標(biāo)準(zhǔn)[1]里的表10得到硼系數(shù)FB值，則用無(wú)硼時(shí)的DI值乘以FB即可得到硼鋼的DIB值。具體細(xì)節(jié)不在此贅述。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 淬火工藝制定及調(diào)整

試驗(yàn)用淬火工藝參數(shù)見表4。

表4 試驗(yàn)用淬火工藝參數(shù)

進(jìn)行淬火對(duì)比試驗(yàn)，取3個(gè)爐批號(hào)的35CrMo鋼、規(guī)格為M30×90mm螺栓，在多用爐內(nèi)使用1#工藝進(jìn)行淬火，淬火后取樣檢測(cè)淬火硬度，測(cè)試部位為距離螺紋末端1倍直徑處的心部（檢測(cè)結(jié)果見表3）。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)我公司購(gòu)進(jìn)的不同廠家35CrMo鋼進(jìn)行了整理及計(jì)算，得到DI值數(shù)據(jù)，見表5。

表5 不同廠家35CrMo鋼DI值

由表5可看出，單從淬透性上來(lái)看，3個(gè)鋼廠生產(chǎn)的35CrMo鋼淬透性從差到好的順序依次為：A、B、C，從表3可看出，淬火硬度值隨DI值不同而有明顯的差異。基于整理出來(lái)的鋼廠DI值，A、B鋼廠材料的產(chǎn)品采用2#工藝，C鋼廠材料的產(chǎn)品使用1#、2#工藝相對(duì)于1#工藝，將攪拌速度由300r/min提至700r/min，以提高冷卻速率，獲得了與C鋼廠材料產(chǎn)品用1#工藝相似的淬火硬度。2#工藝經(jīng)過半年的跟蹤觀察，熱處理質(zhì)量穩(wěn)定。

基于上面的工作，針對(duì)我公司的多用爐生產(chǎn)線，確定了當(dāng)35CrMo鋼DI值達(dá)到3.35in時(shí)采用1#淬火工藝，DI＜3.35in（1in＝25.4mm）時(shí)采用2#淬火工藝。需強(qiáng)調(diào)的是，整個(gè)過程均針對(duì)相同規(guī)格、相同生產(chǎn)線。

4.2 淬火開裂的預(yù)估及工藝調(diào)整

在2022年初，新使用D鋼廠42CrMo（ZY1）鋼的產(chǎn)品在多用爐生產(chǎn)線熱處理過程中，曾多次出現(xiàn)產(chǎn)品開裂現(xiàn)像，嚴(yán)重時(shí)開裂比例高達(dá)28%。影響熱處理質(zhì)量的因素是很多的，尤其是導(dǎo)致開裂的因素，諸如原材料成分、原材料缺陷、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、淬火工藝參數(shù)、淬火冷卻介質(zhì)的穩(wěn)定性、產(chǎn)品臨界半徑，以及產(chǎn)品工藝路線等。在我公司，由于一個(gè)爐號(hào)涉及到的產(chǎn)品規(guī)格有限，因此相同規(guī)格及性能等級(jí)產(chǎn)品其成形工藝基本上也一樣，導(dǎo)致淬火開裂除了熱處理設(shè)備、熱處理工藝參數(shù)外，就是原材料的問題。因相同時(shí)期內(nèi)，設(shè)備狀況是清楚的，在此期間其他鋼廠（E、F、G鋼廠）42CrMo鋼制成相同規(guī)格及性能等級(jí)的產(chǎn)品在相同的多用爐生產(chǎn)線上采用3#工藝進(jìn)行熱處理，從未產(chǎn)生熱處理開裂，說明問題就出在原材料上。為此，對(duì)4家鋼廠的42CrMo鋼原材料多個(gè)爐批號(hào)成分進(jìn)行了分析，并計(jì)算出各爐批號(hào)的DI值，見表6。

表6 42CrMo鋼DI值

從表6可看出，從DI值來(lái)看，4個(gè)鋼廠的42CrMo鋼的淬透性從差到好的順序依次為：G、E、F、D（ZY1）。D鋼廠ZY1的DI值特別明顯地高出另3個(gè)鋼廠的產(chǎn)品，達(dá)到了7.293in，表明其淬透性相對(duì)其他3家的產(chǎn)品是非常好的。對(duì)此，經(jīng)多次驗(yàn)證后單獨(dú)制定出4#工藝，將快速攪拌速度從之前3#工藝的700r/min逐步降低至200/min，經(jīng)過4個(gè)月的跟蹤，心部硬度值均可達(dá)到55HRC，且無(wú)開裂。而對(duì)于D鋼廠的ZY2，因其DI值4.644處于F鋼廠的DI值范圍內(nèi)，所以與F鋼廠的一樣使用3#工藝，快速攪拌速度為700r/min，心部硬度達(dá)到52～54HRC，至今未發(fā)現(xiàn)開裂。

在此基礎(chǔ)上，可以確定當(dāng)DI≥7in時(shí)，采用3#工藝會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而采用4#工藝則不會(huì)產(chǎn)生開裂。后期需要完善的是當(dāng)DI＝5.5～7in時(shí)，采用4#工藝也不會(huì)產(chǎn)生開裂，當(dāng)然，這首先需要采購(gòu)的42CrMo鋼成分達(dá)到這個(gè)對(duì)應(yīng)的DI范圍值。

4.3 回火工藝調(diào)整

回火一般都在熱處理的結(jié)束階段，如果回火工藝不當(dāng)，則有可能導(dǎo)致產(chǎn)品需要重新回火，嚴(yán)重的可能需要重新淬火，不論出現(xiàn)哪種情況都會(huì)浪費(fèi)成本和時(shí)間。為此，以35CrMo鋼12.9級(jí)M36×330mm材料為對(duì)象進(jìn)行了考察，相關(guān)數(shù)據(jù)匯總見表7。

表7 M36×330mm 3個(gè)爐號(hào)多用爐熱處理工藝、DI值、硬度、抗拉強(qiáng)度匯總

由表7可知，相同淬火工藝情況下，爐號(hào)1-4的DI值為3.33in，大于爐號(hào)1-5的2.83in，雖然回火溫度提高了10℃，抗拉強(qiáng)度值卻提高了64MPa。對(duì)爐號(hào)1-4產(chǎn)品進(jìn)行重回火后進(jìn)行的測(cè)試，達(dá)到與爐號(hào)1-5相近的抗拉強(qiáng)度。由此可見，DI值為相同淬火工藝情況下回火工藝調(diào)整提供了方向，對(duì)于相同規(guī)格、相同性能等級(jí)要求的產(chǎn)品，DI值高時(shí)，回火溫度也應(yīng)提高，根據(jù)表7可得出，DI值相差0.5in時(shí)，則回火溫度相差25℃。為此，以DI值2.8in為參照制定了回火溫度450℃基準(zhǔn)，當(dāng)DI值變化0.5in時(shí)，回火溫度應(yīng)相應(yīng)變化20℃的準(zhǔn)則，減少了產(chǎn)品由于回火不合格而導(dǎo)致重新淬火帶來(lái)的成本高、開裂等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也節(jié)約了試驗(yàn)成本及時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過使用DI值在材料化學(xué)成分與熱處理工藝之間建立了直接聯(lián)系，對(duì)緊固件淬火、回火工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化，給出了一種量化的參考方案，減少了工藝試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)成本，值得推廣應(yīng)用。