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“紧固件材料和热处理”技术热点——材料篇

发表时间:2018-11-27 17:13

根据2013~2014年“金相检验技术与紧固件失效案例”、“热处理工艺与金相检验技术的关系”、“紧固件原材料综合选材与热处理工艺 ”几次研讨,总结出以下内容,供业内同行参考,不当之处请批评指正。


1、中碳素钢ML35、35或SRWCH35K,对大于16mm8.8级的螺栓就淬不透,而改用45钢后就容易解决?


通常8.8级螺栓用ML35、35或SRWCH35K制造,当截面大小不同时,由于淬透程度不同,虽然采用同一调质工艺,其力学性能却不尽一致。螺栓钢碳的质量分数越高,马氏体硬度越高。对于整个截面受力的螺栓淬火后,体积分数要求获得约90%的马氏体组织,表明试样临界直径全部淬透,淬透程度越高,调质后屈强比也越大。屈强比的增大意味着能达到所需要的机械性能;否则就是没淬透,淬透程度越差,机械性能也越差,将影响最终质量。


碳对淬透性具有强烈的影响,在C≤0.35%时对淬透性的贡献与锰相当;当碳含量为0.37%时,钢的淬透性刚好满足技术条件的要求。当C≤0.40%时,每提高0.10%,HRC硬度值可提高6HRC。钢中的碳含量由0.32%提高至0.40%,距淬火端距离J7.5mm的HRC提高了约8HRC,达56HRC,硬度值随碳含量增加而增加。


我们常用淬火硬度控制热处理质量就是这个道理。但是对于45钢,由于淬透性较低,只适合尺寸小于20mm的高强度螺栓。多年来,许多企业对截面直径在22~27mm的螺栓也采用45钢,而调质处理恰恰忽略了淬透性这个最重要的质量特性。由于截面尺寸效应,螺栓尺寸越大淬火后硬度越低,淬硬层越浅,金相组织表层则有大量针状和板条状马氏体,而心部依然是铁素体加珠光体组织,这时高强度螺栓的综合力学性能也越低。尺寸大于30mm时表面甚至无法得到马氏体组织。


2、高强度螺栓在输电铁塔上的应用,有何要求?


高强钢将在输电线路上大量采用,与高强钢相匹配的高强度螺栓选型问题是供应商关心和讨论的问题之一。这一问题主要包括杆件的孔壁承压和高强螺栓抗剪切2 个方面。


输电铁塔上采用的高强螺栓和土建结构及桥梁结构中使用的高强螺栓不同,其采用的是高强度粗制螺栓,其强度满足相应的级别(8.8级及以上),但加工标准还是大六角头螺栓(GB/T5780),其受剪、受拉的计算也仍然采用普通螺栓的计算公式。通常计算和选用螺栓规格时,原则上在满足受力要求和螺栓间距布置的前提下,尽量采用小直径的螺栓;在满足强度要求的前提下,尽量采用低级别的螺栓。


对于使用Q345、Q390及以上高强钢的构件,对于小规格的角钢,6.8级螺栓较为合适;对于大规格角钢,8.8级螺栓规格经济较为合适。不推荐使用10.9级螺栓,节点板建议采用等强度钢板。Q420高强钢用在受力较大的部位,且接头螺栓大部分处于双剪状态。


由于10.9级螺栓在酸洗除锈时容易造成氢脆断裂,且缺乏成熟的运行经验,建议不采用10.9级螺栓。4.8级螺栓和6.8级螺栓价格差别不大,而且1个6.8级螺栓可以解决许多受力不大的辅助材料的实际问题,却要用2个4.8级螺栓才能解决。因此,在铁塔中螺栓M16和M20采用6.8级热浸锌螺栓,M24螺栓宜采用8.8级热浸锌螺栓,以减少节点板,减轻塔重。


3、选用硼钢能生产高强度螺栓吗?制造10.9级高强度螺栓应注意哪方面?


含硼钢是以锰和硼为基础代替铬钢或镍钢的低合金钢。硼元素作为合金元素加入钢中,只要有0.001%~0.002%就能显著提高淬透性,增大钢材的可淬透尺寸,提高淬火后钢材截面内组织和性能的均匀性。


冷镦用钢一直采用中碳钢或低合金钢,这些钢变形性能差(需球化退火预处理和中间软化退火),且机械性能差、脱碳严重。而降低碳含量,提高冷镦变形能力,加硼以提高降碳而损失的淬透性,这就是使用硼钢的基本意义。


含硼钢是以微量的硼代替数量较多的其它合金元素,因此,与淬透性水平相当的其它合金钢相比,合金总含量低,高温变形抗力小,容易塑性变形。


应注意:①热加工对硼在固态钢中的各种存在形态之间的变化影响是最大,当钢中硼元素含量超过0.003%时,在晶界出现低熔点的Fe-C-B三元共晶,则产生热脆性而使热加工性能变坏;②硼的主要作用是提高淬透性,因此必须保证固溶硼的含量在一个合适范围,大于0.001%,以免损害淬透性,另外,硼能否起到应有的作用,在很大的程度上取决于热处理制度的选择和操作情况;③淬火温度应根据钢的含硼量、化学成份和淬火前硼的状态等条件来选择,而不应固定不变,热处理制度中回火温度降低,会加大含硼钢螺栓的延迟断裂倾向。许多研究和实践经验还证明,含硼钢在淬火前增加正火极有好处,可以消除或减少硼相,改善含硼钢淬火、回火后的性能。


10B21、10B28、10B33、20MnTiB 及ML20MnTiB在螺栓中使用量最多,螺栓最终的力学性能由制造紧固件的材料品质所决定,而10B21、20MnTiB和ML20MnTiB含碳量下限均低于0.20%,不能满足标准对材料的要求;当螺栓强度≥1040MPa、硬度在33~39HRC的要求时,是靠降低回火温度达到的,当采用425℃再回火温度试验后硬度和强度均下降,不能满足标准中的最低回火温度的性能要求。生产实践可以看出,螺栓的机械性能,不但取决于热处理工艺和金相组织,更重要的是应具有良好的化学成分配合。


4、45#钢螺母热处理裂纹产生的原因是什么?


45#钢H10级M30螺母,调质后发现六角横截面上沿圆周方向有肉眼可见的弧形及径向裂纹,支承面上亦有肉眼可见的环形裂纹。这是常见的热处理裂纹,断口表面大部分无光泽,局部已发黑,小部分有光泽且有撕裂状条带(为打断断口时造成),未见其他缺陷。


金相检验裂纹两侧未见脱碳层,打开的裂纹断口表面大部分氧化变黑,而后打断的小部分断口有金属光泽,说明表面氧化变黑是高温回火时氧化所致。裂纹为沿晶开裂,尾部较尖,走向瘦直而刚健。裂纹两侧边缘未见脱碳,有两种可能原因:一是淬火前并没有裂纹,淬火冷却时开裂,裂纹两侧未见氧化脱碳;二是因为螺母开裂严重,裂纹较多,所取样品为热处理后裂纹扩展时的扩展裂纹。笔者认为,裂纹为淬火开裂、热应力和组织应力叠加致淬火应力明显增大而导致螺母开裂。


建议,原淬火工艺为830℃,显微组织中有局部过热组织,现改为800~810℃,把采用水溶液淬火冷却改为快速淬火油。油类淬火介质的冷却能力比水差,特别是在300~200℃范围内冷却速度比水低得多。因此,用快速淬火油冷却比水缓和,即能达到淬火目的,又可减少螺母内螺纹的变形。


5、风电机组42CrMo钢螺栓调质的回火温度对金相组织有哪些影响?


对于42CrMo钢10.9级螺栓调质淬火应充分奥氏体化,获得约90%的马氏体组织,当回火温度为540℃时,其组织和性能最好,这是在低、中温回火时,马氏体、铁素体二相强度相差大,易引起应力集中和偏析现象,致使组织不均匀,性能也不达标。而42CrMo钢螺栓在540℃回火时,二相强度差别减小,有利于改善应力分布和组织的均匀化。


42CrMo钢螺栓经淬火后回火,回火温度对金相组织的影响都经历了从粗大到细小的变化过程。淬火后不同回火过程,主要是淬火组织应力的消除、组织的稳定化和基体组织碳化物析出过程。低于400℃回火时,组织为回火马氏体、未溶铁素体以及少量的残余奥氏体,中、低温回火时析出的碳化物较细小。


随回火温度的升高,碳原子不断析出,形成碳化物,先析出的碳化物不断长大,形成回火托氏体,到540℃时,碳化物继续长大并粒状化,马氏体转变成铁素体组织,形成回火索氏体和未溶铁素体,此时,钢的强度、硬度下降,塑性以及冲击韧度有较大幅度提高。生产实践表明,42CrMo钢螺栓调质的回火温度必须在540℃以上,否则低温冲击功-45℃≥27J有可能不合格。


6、如何降低热处理保护气氛的消耗,以降低成本?


钢铁紧固件在各种气体介质中加热时,由于各种气体对钢的不同作用,在钢的表面会发生氧化、脱碳等发应,其化学成分和质量发生变化。常用的可控气氛中含有氢、一氧化碳、甲烷、二氧化化碳、氮、水份和微量的氧等。为此,紧固件加热时应通入保护气氛。目前网带炉采用甲醇与丙烷或甲苯滴注式裂解作为保护气氛的主力。常用的有甲醇+丙烷、甲醇+甲苯、氮甲醇等有机液体裂解可控气体。氮气可控气体用于紧固件加热的炉中,由于不会引起脱碳、可在低碳钢、中碳钢淬火加热保护。这种气体的Co含量很低,所以价格便宜很多。生产实践证明,采用氮甲醇气氛可降低成本约20%~30%,经济效益显著。


甲醇按CH3OH→Co+2 H2在800℃以上分解,其组成为1/3 Co和2/3 H2,并有少量的CO2、H2O和CH4。随反应温度的不同存在着形成游离碳的趋势,是一种具有弱渗碳性或非渗碳性气体,而具有保护气体的作用。


氮气是惰性气体,无毒、不污染环境,没有燃烧爆炸危险性,称为绿色热处理气氛。氮甲醇气氛主要组份为N2、H2、Co,有微量H2O、CO2、CH4。调整氮和甲醇的混合比,炉内气氛中Co可在0~33%范围内变化,而气氛中H2的浓度总是两倍于Co的浓度,余量为N2。由于甲醇属于弱渗碳剂,所以当炉内碳势达到一定时(一般规定为0.35%C~0.40%C),为了使炉内碳势迅速提高以满足生产的需要,需向炉内添加一定量的富化气,采用向炉内通入保护气总量2%~5%的丙烷气或滴注甲醇,以此来迅速提高碳势,达到工艺设定值。炉内分解后的气体比例基本是20%CO,40%H2和40%N2。值得注意的是N2的流量为10~15L/min。


丙烷是易燃易爆物品,遇到强烈碰撞会爆炸燃烧,甲苯则是强渗碳性有机液体裂解气体。甲苯是易制毒品的试剂,减少丙烷、甲苯的用量,可有效地减少不安全的因素,也可降低有害气体对员工的危害程度。


7、铍青铜弹性垫圈和弹簧制品的热处理?


铍青铜是一种典型的时效析出硬化型合金,广泛用于仪器仪表、航空航天工业、核电工业和电子电器工业产品上的弹性垫圈和弹簧制品。铍青铜的主要元素成分有铜、铍和镍。目前我国生产的铍青铜材料主要有3种型号:QBe2.5、QBe2.0、QBe1.9牌号,为了检测方便,通常采用硬度法,技术要求320~380HV。铍青铜板材料有多种状态,不同状态的铍青铜热处理后的显微组织和硬度是有所区别的。其中有4种状态:即C态(软态,即淬火状态)、CY4态(1/4硬)、CY2态(半硬)、CY(态硬态,即淬火后冷轧状态)。


铍青铜的热处理工艺主要为固溶+时效。通过固溶和时效处理可提高其硬度和强度,但对于优良的电或热传导性能和抗蚀性能没有影响。


固溶处理后材料不仅具有良好的塑性,可进行加工成型,最重要的是能为后续的时效强化作准备。试验和生产实践表明,铍青铜的固溶温度以760~800℃为宜,可避免温度过高或过低产生的弊病。为提高表面质量,加热常在保护气氛中进行。保护介质有多种,与氨分解气比较,酒精裂解气体具有纯度高,气氛稳定、水分少等优点。


时效处理一般在真空炉内保温2h后随炉冷却。铍青铜固溶处理的冷却速度一般越快越好,尤其在370~705℃范围内,更要快速冷却。一般规定要在3秒内将固溶加热的材料放入水中搅拌冷却,否则达不到固溶效果,影响铍青铜的质量。冷却介质一般为10~18℃的清洁自来水即可,方便、实用、价廉。


铍青铜在固溶和时效后具有优异的综合性能,如高的强度、硬度和疲劳性能。对弹性要求较高的紧固件,要进行正常时效。通过对几种状态的铍青铜进行不同温度的状态处理,发现C态(软态)和CY4态(1/4硬)的铍青铜时效温度不能超过350℃,维氏硬度分别为380HV和401HV;而CY2态(半硬)、CY态(硬态)的铍青铜时效温度不能超过320℃,维氏硬度分别为405HV和399HV;超过该温度后,材料的硬度开始降低,晶界反应量增加,即发生过时效。为此,应调整技术要求为360~410HV较妥。


时效温度一般为320℃左右,晶内析出明显的线条,晶界上出现局部细小的粒状析出物。温度在320~340℃进行时效时,不仅能缩短工艺时间,还能获得符合要求的综合力学性能,对于弹垫、弹簧件即有一定强度和较高弹性,是可行的。


铍青铜的时效处理应在保护气氛炉、真空炉或者井式气体循环电炉中进行,采用真空时效325℃×2.5~3h后抗拉强度1245~1255MPa,断后伸长率8.5%~9.0%,硬度385~395HV;而外观质量也能达到要求,对环境无污染。


8、如何优化45#钢高强度螺栓淬火强韧化工艺?


生产中常用45#钢制造大规格8.8级高强度螺栓,热处理调质工艺采用830~840℃淬火+中、高温回火。由于直径较大,一般采用水溶液冷却,但水淬易使钢中出现裂纹和产生较大的变形,在头部、六角边缘尤为严重。因此,改进45#钢的热处理工艺,引起了同行的极大兴趣。


多年来,大家习惯用亚温淬火解决45#钢淬火开裂问题。亚温淬火加热时,由于组织中存在未溶铁素体,淬火后被嵌入马氏体内而成为残留铁素体,若按照最新GB/T3098.1-2010标准,淬火后马氏体应达到约90%,就判定为不合格产品。


据最新资料,45#钢的Ac1 和Ac3临界点温度分别为724℃和802℃,而选择800℃恰恰在临界温度附近,从金相检验可以看到残留铁素体似有似无,处于一种临界状态。


从金相检验可知,随淬火温度从770℃升高至840℃,残留铁素体量已不明显,830~840℃常规淬火,组织中没有残留铁素体。在800℃淬火较低温度下,为板条状和片状马氏体共存,趋于细化且更加均匀,淬火应力较小,有效地减缓了淬火开裂的风险。


从机械性能检测可知,770~790℃亚温淬火对残留铁素体嵌在马氏体基体内,对马氏体产生割裂作用,中、高温回火时,会影响到回火托氏体、回火索氏体的连续性,在某种程度上对强度具有一定的削弱作用。在同一温度下,800℃或常规淬火、回火后获得的强度是相近的。回火对强度的影响除了与回火温度有关外,主要取决于马氏体的固溶强化程度以及与碳化物之间的相对关系。


对于800℃淬火而言,由于组织中似有似无的铁素体对马氏体的固溶度影响不大,因此,800℃和常规淬火组织中的马氏体无论从组织形态,还是固溶度都应该是相似的,于是在Ac3附近(800℃)亚温淬火+回火后,其强度与常规淬火回火后的强度差别不大。为此,45#钢高强度螺栓淬火强韧化工艺建议为800℃淬水。


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