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用于高強(qiáng)螺栓的熱處理工藝

對(duì)于在不同氣候條件下,用于固定風(fēng)電塔筒緊固件的性能要求不達(dá)標(biāo)問(wèn)題逐步顯現(xiàn)出來(lái)。內(nèi)蒙古西部地區(qū)的風(fēng)沙較大,風(fēng)沙侵蝕也較嚴(yán)重,風(fēng)電塔筒緊固件就常常達(dá)不到強(qiáng)度、硬度等綜合性能的要求。


本文針對(duì)風(fēng)電塔筒緊固件在大風(fēng)沙地區(qū)的使用環(huán)境下,42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓的綜合性能達(dá)不到要求這一問(wèn)題,從調(diào)整42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓熱處理工藝參數(shù)淬火加熱時(shí)的碳勢(shì)、淬火冷卻時(shí)的水溶性淬火劑濃度和回火溫度入手,通過(guò)測(cè)定高強(qiáng)螺栓經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能和掃描電鏡顯微組織分析等措施,最大限度地提高42CrMo鋼的綜合性能,以滿足用于高強(qiáng)螺栓的42CrMo鋼在特定使用環(huán)境下的高要求。

試驗(yàn)材料及方法

(1)試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料是國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的φ40mm雙真空冶煉鋼棒料,該材料經(jīng)復(fù)驗(yàn)后得到的化學(xué)成分如表1所示。


(2)試驗(yàn)方法

高強(qiáng)螺栓的加工過(guò)程是將φ40mm的棒料經(jīng)粗車→沖壓→縮頸→退火→攻螺紋→淬火→回火→性能測(cè)試→高強(qiáng)螺栓。其中淬回火工序在托輥型網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線上進(jìn)行,具體工藝為:將托輥型網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線的網(wǎng)帶淬火爐升溫至400℃,保溫1h,繼續(xù)升溫到600℃,保溫1h,當(dāng)溫度升高到800℃,開始通入甲醇和丙酮作為保護(hù)氣氛,以免高強(qiáng)螺栓表面脫碳及網(wǎng)帶淬火爐爐膛被氧化,保溫1h,繼續(xù)升溫到860℃并穩(wěn)定在這一溫度,當(dāng)碳勢(shì)穩(wěn)定在0.4時(shí),開始放入待加工工件高強(qiáng)螺栓,保溫1.5h(本試驗(yàn)高強(qiáng)螺栓的直徑為36mm,所以保溫時(shí)間為1.5h),出爐用水溶性淬火劑進(jìn)行冷卻,然后在指定回火溫度下回火,保溫2h(同樣,利用高強(qiáng)螺栓的直徑為36mm,確定出回火保溫時(shí)間為2h),出爐水冷。本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出三個(gè)熱處理工藝參數(shù)的影響因素,通過(guò)正交試驗(yàn)以期找到它們之間的交互影響,確定出各因素的最佳參數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓進(jìn)行熱處理時(shí)的碳勢(shì)、水溶性淬火劑和回火溫度3個(gè)參數(shù)因素及其3個(gè)水平,見表2。

表2 試驗(yàn)因素-水平表

因素水平

碳勢(shì)(%

水溶性淬火劑(%

回火溫度/℃

1

0.2

16

520

2

0.4

612

530

3

0.6

1218

540

根據(jù)3個(gè)參數(shù)因素及其3個(gè)水平,利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)為9組試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。表3為42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓在不同熱處理工藝參數(shù)下對(duì)力學(xué)性能影響的試驗(yàn)結(jié)果,表中所有數(shù)據(jù)均取3~8個(gè)試樣的平均值。

表3 不同熱處理工藝下的試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,當(dāng)水溶性淬火劑濃度分別為1%~6%、6%~12%和12%~18%,回火溫度分別為520℃、530℃和540℃時(shí),42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓的σb分別為1158MPa、1170MPa和1160MPa,σ0.2分別為1044MPa、1052MPa和1046MPa,δ5分別為13.3%、14%和12.7%,AKU分別為84J、88J和87J,Ψ分別為48.3%、51%和49.3%??梢钥闯觯?2CrMo鋼的力學(xué)性能隨著熱處理參數(shù)水溶性淬火劑濃度和回火溫度的升高,呈先上升后下降的趨勢(shì),故當(dāng)水溶性淬火劑濃度為6%~12%,回火溫度為530℃時(shí),42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓的性能σb為1170MPa,σ0.2為1052MPa,δ5為14%,AKU為88J,Ψ為51%,達(dá)到了最大值,其綜合性能也最好。同時(shí),研究表明,42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓在淬火加熱過(guò)程中的碳勢(shì)主要起保護(hù)氣作用,抑制高強(qiáng)螺栓的表面脫碳和阻止托輥型網(wǎng)帶淬火爐爐膛的氧化,一般碳勢(shì)控制在0.4左右為宜,對(duì)高強(qiáng)螺栓的組織和性能影響不大。


(1)不同熱處理工藝參數(shù)對(duì)42CrMo鋼顯微組織的影響

附圖為42CrMo鋼分別在第一組、第五組和第九組熱處理工藝參數(shù)下的顯微組織圖。圖中的明亮基體均為馬氏體組織,不規(guī)則顆?;驐l狀組織為貝氏體和鐵素體,其中黑色的基體為板條馬氏體組織,較為明亮的為貝氏體組織,亮點(diǎn)是未溶碳化物或貝氏體組織端部與觀察面相截的結(jié)果,而鐵素體上的亮點(diǎn)(如右箭頭所指)是轉(zhuǎn)變過(guò)程中析出的碳化物。

a)第一組

b)第五組

c)第九組

42CrMo鋼在三組熱處理工藝下的顯微組織

附圖中的貝氏體組織均為無(wú)碳貝氏體,但在形態(tài)上存在很大差別。圖a和圖c中已有常見的無(wú)碳貝氏體組織,但更多是針片狀,且分布不均勻,存在偏析現(xiàn)象。而圖b中,在碳勢(shì)(0.40)、水溶性淬火劑濃度(6%~12%)和回火溫度530℃熱處理工藝參數(shù)下,42CrMo鋼的貝氏體組織多為粒狀且有相鄰貝氏體組織相互銜接現(xiàn)象,這表明無(wú)碳貝氏體形成的早期不是通常所見的粒狀,而是多為針狀,且分布均勻,這是因?yàn)樵诰Ы缣幋嬖谳^高的能量和成分起伏,有利于貝氏體鐵素體形核。圖a和圖c中無(wú)碳貝氏體生長(zhǎng)不充分,形成了明顯的由晶界處向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)的束狀的貝氏體鐵素體。


無(wú)碳貝氏體的形成,主要是由于42CrMo鋼在適當(dāng)濃度的水溶性淬火劑中淬火冷卻時(shí),碳在鐵素體和奧氏體中的擴(kuò)散能力都較強(qiáng),當(dāng)貝氏體鐵素體形核后,其過(guò)飽和碳能夠快速地?cái)U(kuò)散出去,而且能夠長(zhǎng)距離擴(kuò)散到奧氏體中,這樣就保證了在貝氏體鐵素體生長(zhǎng)時(shí)和長(zhǎng)成后,其內(nèi)沒有碳化物析出。同時(shí)也表明了貝氏體鐵素體周圍奧氏體的碳含量不過(guò)高,否則就會(huì)有碳化物析出,使其長(zhǎng)生受阻。所以在適當(dāng)?shù)奶紕?shì)、水溶性淬火劑濃度和回火溫度等熱處理工藝參數(shù)下,42CrMo鋼的組織更加細(xì)化、均勻化,綜合性能也更優(yōu)。


(2)水溶性淬火劑對(duì)42CrMo鋼力學(xué)性能的影響

淬火冷卻速度是由水溶性淬火劑的濃度決定的,濃度越低,淬火冷卻速度就越快,當(dāng)水溶性淬火劑的濃度為1%~6%時(shí),淬火冷卻速度過(guò)快,馬氏體組織轉(zhuǎn)變不夠充分,42CrMo鋼組織中容易產(chǎn)生偏析,畸變等缺陷;而濃度為6%~12%時(shí),淬火冷卻速度適中,這就給馬氏體轉(zhuǎn)變提供了足夠的時(shí)間,因此也有效減少了工件淬火時(shí)產(chǎn)生畸變、開裂等缺陷的機(jī)會(huì),組織更均勻化,綜合性能也更好;當(dāng)水溶性淬火劑的濃度繼續(xù)升高時(shí),淬火冷卻速度過(guò)慢,造成馬氏體變得粗大,使其力學(xué)性能降低。


(3)回火溫度對(duì)42CrMo鋼力學(xué)性能的影響

由圖1和表2可看出,在不同熱處理工藝參數(shù)下,42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓淬火后的力學(xué)性能隨回火溫度的變化規(guī)律具有一致性。其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性取決于組成相的性質(zhì)和含量, 即取決于馬氏體和鐵素體的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性及其所占體積百分比。在不同溫度回火后,其性能仍取決于馬氏體回火組織和鐵素體的性能。故42CrMo鋼組織在同一臨界區(qū)溫度加熱淬火后力學(xué)性能隨回火溫度的變化規(guī)律一致。

硬度是表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力,它是金屬材料的重要性能指標(biāo)之一。硬度試驗(yàn)是力學(xué)性能試驗(yàn)中最簡(jiǎn)單易行的一種試驗(yàn)方法。實(shí)踐證明,金屬材料的各種硬度值之間,硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定的,硬度值越高,材料的強(qiáng)度越高,塑性變形抗力越高,但是,當(dāng)硬度達(dá)到一定值時(shí),42CrMo鋼的脆性增加,其斷面收縮率Ψ、沖擊功AKU和伸長(zhǎng)率δ5開始下降,就達(dá)不到使用要求。

由表2可知,隨著熱處理參數(shù)水溶性淬火劑濃度和回火溫度的升高,呈先上升后下降的趨勢(shì),當(dāng)回火溫度為530℃時(shí),其組織和性能最好,這是因?yàn)榈蜏鼗鼗饡r(shí),馬氏體、鐵素體二相強(qiáng)度差別大,易引起應(yīng)力集中和偏析現(xiàn)象,致使組織不能均勻化,性能也達(dá)不到要求。而42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓在530℃回火時(shí),二相強(qiáng)度差別減小,有利于改善應(yīng)力分布和組織的均勻化。當(dāng)回火溫度過(guò)高時(shí),42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓的組織的脆性過(guò)高,導(dǎo)致部分力學(xué)性能達(dá)不到要求,所以回火溫度為530℃時(shí),其綜合力學(xué)性能最好。


(4)回火溫度對(duì)42CrMo鋼顯微組織的影響

42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓經(jīng)淬火后回火,回火溫度對(duì)它們的顯微組織的影響規(guī)律是一致的,組織都經(jīng)歷了從粗大到細(xì)小的變化過(guò)程。淬火后不同回火過(guò)程主要是淬火組織應(yīng)力的消除、組織的穩(wěn)定化和基體組織碳化物析出過(guò)程。520℃回火時(shí),組織為回火馬氏體、未溶鐵素體以及少量的殘留奧氏體,低溫回火時(shí)析出的碳化物較細(xì)小。隨回火溫度的升高,碳原子不斷析出,形成碳化物,先析出的碳化物不斷長(zhǎng)大,形成回火屈氏體,到530℃時(shí),碳化物繼續(xù)長(zhǎng)大并且粒狀化,馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織,形成回火索氏體和未溶鐵素體,此時(shí)鋼的強(qiáng)度、硬度下降,塑性以及沖擊韌度有較大幅度提高。

結(jié)語(yǔ)

(1)適當(dāng)?shù)乃苄源慊饎舛群突鼗饻囟鹊葻崽幚韰?shù)使42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓的組織得到了細(xì)化、均勻化,其綜合性能也得到了很大的提高。


(2)42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓經(jīng)第五組熱處理(加熱860℃保溫1.5h(碳勢(shì)0.40)+水溶性淬火劑(6%~12%)冷卻+530℃回火保溫2h+水冷)后的組織均勻化、細(xì)化,綜合性能也最好。

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