作者：金蜘蛛緊固件網(wǎng)顧問專家　張先鳴

（接上一期）

　　SWRCH22A、10B21鋼都是引進的鋼號，沒有完整的熱處理資料。根據(jù)發(fā)表的文獻，此兩類鋼的過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT圖），SWRCH22A鋼的臨界點溫度為：Ac3=854℃，Ar3=818℃，Ac1=742℃，Ar1=717℃，Ms=458℃；10B21鋼的臨界點溫度為：Ac3=841℃，Ar3=783℃，Ac1=740℃，Ar1=718℃，Ms=416℃。

　　SWRCH22A、10B21兩種鋼Ac3溫度分別為854℃和841℃，其含碳量在0.18%～0.23%,為亞共析鋼。在熱處理工藝中，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上30～50℃，淬火溫度前者為880～910℃，后者為870～900℃，冷卻介質(zhì)為水溶液。SWRCH22A鋼的淬透性比10B21鋼差，只要含碳量≥0.20%，前者可以生產(chǎn)M12以下的8.8級螺栓，后者生產(chǎn)M20以下的9.8級螺栓。

　　將螺栓加熱到鋼的臨界點以上，奧氏體均勻化后，當(dāng)奧氏體快速過冷到Ms點以下溫度時，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成馬氏體。這種操作在熱處理上稱為淬火。

　　馬氏體是碳在α-Fa中的過飽和固溶體，它是淬火的基本組織。淬火可以大幅度地提高螺栓的強度、硬度，而降低塑性、韌性，這與淬火得到的馬氏體組織密切相關(guān)。螺栓用鋼淬火后的組織一般為板條狀馬氏體（含碳量≤0.30%）和板條狀、針狀馬氏體（含碳量0.30%～0.60%）共存組織為主。

　　影響馬氏體轉(zhuǎn)變的主要因素有化學(xué)成分、奧氏體化溫度、形變和壓力、淬火冷卻速度等。

　　螺栓鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，馬氏體硬度越高，當(dāng)超過0.60%時硬度升高趨緩。對于整個截面受力的螺栓淬火后，體積分?jǐn)?shù)要求獲得約90%的馬氏體組織，表明試樣臨界直徑應(yīng)全部淬透。淬透程度越高，調(diào)質(zhì)后屈強比也越大，屈強比的增大意味著能達到所需要的機械性能；否則就是沒淬透，淬透程度越差，機械性能也越差，將影響最終品質(zhì)。

　　研究表明，實際使用的緊固件在自然環(huán)境下發(fā)生氫脆斷裂主要是淬火回火的馬氏體鋼，發(fā)生在屈服強度＞620 MPa ，硬度值＞31HRC的高強度材料?？估瓘姸仍礁撸瑢浯嘣矫舾?，材料越容易吸氫，而驅(qū)氫越不容易。一般認(rèn)為，當(dāng)強度達到1050 MPa 以上才會發(fā)生氫脆斷裂。

　　GB/T 5267.1 《緊固件電鍍層》規(guī)定，當(dāng)芯部或表面硬度值＞320HV時，應(yīng)通過實驗對氫脆進行檢驗，并進行驅(qū)氫處理。就是說，性能等級10.9級及以上的電鍍螺栓，都應(yīng)該采用低氫工藝并進行驅(qū)氫。從國外資料看，汽車緊固件發(fā)生氫脆斷裂的強度閾值可能會下降到1000 MPa。

　　高強度螺栓發(fā)生氫脆斷裂的影響因素主要有以下幾個方面。①強度；②氫含量；③應(yīng)力集中；④應(yīng)變速率。這幾個影響因素中，強度和氫含量是最關(guān)鍵的兩個因素。

　　其一、螺栓材料的強度越高，氫脆敏感性越大。這是因為，金屬晶體結(jié)構(gòu)中位錯、晶界、沉淀相等氫積聚點多，在酸洗、電鍍過程中螺栓吸氫的能力強，基體內(nèi)應(yīng)力較大；同時，氫脆斷裂的臨界應(yīng)力極限氫脆隨著材料強度的升高而急劇下降。鋼制螺栓因強度過高導(dǎo)致氫脆斷裂失效，有時與設(shè)計過分強調(diào)強度、硬度指標(biāo)有關(guān)。如有些材料設(shè)計10.9級，為避開回火溫度第1類回火脆性區(qū)域，將硬度改為33～35HRC，結(jié)果回火溫度在430～440℃或450℃，使得螺栓的氫脆敏感性降低，有效地預(yù)防了氫脆斷裂的發(fā)生。

　　其二、鋼制螺栓發(fā)生氫脆失效通常也與不合適的熱處理有關(guān)。由于鋼的強度水平與鋼的微觀組織有著密切關(guān)系。因而，在一定強度水平下，鋼的氫脆斷裂敏感性總是與某種特定的組織相聯(lián)系。在各種不同的顯微組織中，對氫脆敏感性從大到小的一般順序為馬氏體、上貝氏體（粗大貝氏體）、下貝氏體（細(xì)貝氏體）、索氏體、珠光體、奧氏體。

　　回火馬氏體對氫脆的敏感性最強，因此在熱處理時可通過調(diào)整熱處理工藝，減少回火馬氏體組織的生成。比如采用等溫淬火就會使發(fā)生氫脆斷裂的閾值提高100 MPa 左右，這是因為等溫淬火生成的下貝氏體組織對氫脆的敏感性比回火馬氏體低。

　　其三、淬火螺栓在250～400℃的溫度范圍回火時，其氫脆敏感性急劇惡化。文獻資料指出，這是由于低溫回火脆性與氫脆現(xiàn)象疊加的結(jié)果。

　　研究結(jié)果表明，回火脆化對氫致脆性斷裂起著明顯的促進作用，回火脆化程度較小，回火脆化和氫脆為線性相加；回火脆化程度較大，回火脆化將大大加劇氫脆程度。也就是說，回火脆化將降低材料發(fā)生氫脆斷裂的臨界氫含量值。如40Cr鋼10.9級螺釘在氫含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅0.0003%條件下發(fā)生氫脆斷裂，而根據(jù)實踐的經(jīng)驗，SCM435、SWRCH45K鋼螺栓氫含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0010%～0.0015%以上時，才有發(fā)生氫脆斷裂的可能性。

　　對失效螺栓分析認(rèn)為：在較低的氫含量下發(fā)生氫脆斷裂，其主要原因是由于螺釘存在中等程度的回火脆化。

　　10.9級鋼結(jié)構(gòu)和風(fēng)電螺栓一般采用達克羅涂覆或發(fā)黑表面處理，在涂覆前基本上沒有酸洗吸氫過程，可以不驅(qū)氫。

　　近年來研究發(fā)現(xiàn)在熱處理過程中，鋼表面的磷化膜可使磷滲透，最終導(dǎo)致鋼的性能降低。當(dāng)今，氫致延遲斷裂現(xiàn)象制約著高強度冷鐓螺栓的發(fā)展。當(dāng)鋼中的氫含量超過臨界值時就會出現(xiàn)斷裂，臨界值隨著鋼的強度增加而等比例下降。鋼制螺栓表面處理方法也可以導(dǎo)致熱處理過程中滲磷，從而引起鋼鐵螺栓機械性能降低，在熱處理前必須進行去除磷化膜處理。

　　當(dāng)回火一個螺栓時，往往把重點放在一個單一參數(shù)上，即以硬度作為回火操作成功或失敗的唯一標(biāo)準(zhǔn)，由于淬火硬化的顯微組織主要是馬氏體，約占螺栓體積的約90％，極不穩(wěn)定并為應(yīng)變誘導(dǎo)狀態(tài)，因此，回火是修改這淬火顯微組織朝向的比較平衡的步驟。

　　但一些企業(yè)為保證螺栓的硬度和強度，往往是通過降低回火溫度來實現(xiàn)的。如汽車緊固件，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010中對螺栓、螺釘和螺柱的檢測指標(biāo)中，成品的機械性能與回火有密切關(guān)系，其中顯微組織變數(shù)有4個環(huán)節(jié)：即回火溫度、回火保溫時間、回火冷卻速度以及鋼的化學(xué)成分。通過回火改變螺栓的顯微組織，通常會增加斷后伸長率和沖擊韌性，減少硬度和強度（抗拉強度和屈服強度）；回火會導(dǎo)致塑性、沖擊韌度增加，并提高尺寸穩(wěn)定性。這樣可避免早期失效。

　　螺釘滲碳的特性首先取決于它的表面到心部碳的分布。一般的滲碳工藝來說，表面的含碳量在0.65%～1.00%C的范圍內(nèi)，最佳表面含碳量約為0.80%C，淬火后最小表面硬度750HV0.3。網(wǎng)帶爐的碳勢波動很大或裝爐量過大、螺釘表面污染、清洗不夠都會引起表面的碳濃度不足，淬火后表面硬度低于750HV0.3，螺釘表面的碳濃度并沒有達到技術(shù)要求，在熱處理時是通過降低回火溫度來達到硬度要求的。故螺紋容易磨損。

　　應(yīng)注意的是工件未清洗所帶入的油氣對爐內(nèi)氣氛影響明顯，若不清洗干凈則直接影響爐內(nèi)氣氛和控制精度，還要觀察網(wǎng)帶上是否有殘留黃色份未，如有應(yīng)認(rèn)真對待處理螺釘?shù)那逑垂ぷ?。在檢查網(wǎng)帶爐設(shè)備具備滲碳能力的條件下，淬火后檢測表面硬度大于750HV0.3，才能滿足滲碳直接淬火，推薦的最低回火溫度為330℃，不低于320～350℃回火工藝。

　　此類鋼屬于Cr系列鋼無Ni含量，常態(tài)之下有磁性。通常采用真空光亮熱處理，淬火后410（12Cr13）、416(Y12Cr13)鋼硬度在40～45HRC，機加工性能良好，用于一般用途的耐熱耐腐蝕緊固件。416鋼含硫量稍高，是易切削不銹鋼。淬火后420(30Cr13)鋼，最大硬度值55～58HRC，含硫量≤0.15%，用于要求較高強度的緊固件。

　　兩種材料含碳量有差異，若是生產(chǎn)不銹鋼自攻釘，真空熱處理加熱溫度，前者1020～1040℃，回火200～220℃；后者1020～1050℃，回火360～400℃。表面硬度控制在≥400～450HV0.3即可，如太高容易斷裂。熱處理后也有弱磁性。

　　隨著緊固件熱處理技術(shù)的發(fā)展，一般企業(yè)都使用連續(xù)式網(wǎng)帶加熱爐，爐子的加熱溫度、運行時間、緊固件在爐內(nèi)的厚度，淬火介質(zhì)溫度，回火時間、回火溫度以及提升的速度都對緊固件的調(diào)質(zhì)效果產(chǎn)生很大的影響，為了得到不同強度級別的緊固件，應(yīng)當(dāng)及時調(diào)整熱處理工藝參數(shù)。在保證緊固件能夠充分奧氏體化的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確調(diào)整回火溫度，得到需要的回火索氏體或回火托氏體組織，最終獲得不同性能的合格產(chǎn)品。

　　材料的選用是保證質(zhì)量的基礎(chǔ)。熱處理技術(shù)的控制水平，是緊固件企業(yè)品質(zhì)控制水平的主要特征之一，對高強度螺栓尤其是它的內(nèi)在質(zhì)量至關(guān)重要。

張工3月課程預(yù)告

課題：失效案例與金相檢驗及熱處理工藝

時間：2015年3月27日-28日

地點：廣州金蜘蛛緊固件培訓(xùn)中心

（廣州白云萬達廣場C區(qū)寫字樓3棟718-723房）

咨詢熱線：0571-86947910，15658820049

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