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高强度螺栓用ML25B钢的热处理工艺,值得收藏!

  核心提示:ML25B是GB/T 6478-2015标准中的一个重要牌号,用于制造8.8、9.8级D≤20mm螺栓和8、10级D≤27mm螺母。

  摘要

  GB/T3098.1—2010紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱标准,对机械性能8.8级以上的高强度螺栓材料,要求最大限度地提高淬硬性,增加有效的淬透性,以满足标准中的最低回火温度425 ℃的要求。

  ML25B是GB/T 6478-2015标准中的一个重要牌号,用于制造8.8、9.8级D≤20mm螺栓和8、10级D≤27mm螺母。热轧线材可以直接拉拔和冷镦加工,不需要预先球化退火处理,节约了螺栓的制造成本。淬火温度为870~885℃,淬火后硬度大于44HRC,在410~430℃回火,其力学性能均可满足8.8级螺栓的技术要求,从高强度螺栓综合力学性能考虑,回火温度以430℃为佳;但对9.8级螺栓,不能满足标准中的最低回火温度425 ℃的要求。

  1.标准的描述

  紧固件素有“工业之米”的美誉,它属于通用基础零部件。螺栓在紧固件中使用量最多、最广,制造紧固件的材料主要有钢、不锈钢、钛合金和有色金属等。目前除少量的大规格采用温镦(温挤压),切削加工制造外,大多数选择冷镦(冷挤压)成型工艺制造[1]。螺栓的力学性能很大程度上取决于制造紧固件材料的质量。

  GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》[2]于2011年10月1日正式实施。对于8.8级高强度紧固件的材料,标准采用“碳钢或添加元素的碳钢”代替了旧标准的“碳钢”,并且最大硼质量分数由不规定代替了旧标准的0.003%。

  标准中对8.8级和9.8级紧固件增加了“合金钢淬火并回火”类材料。需要热处理的8.8~12.9级高强度紧固件的硫和磷最大质量分数均从旧标准的0.035%降到0.025%,9.8级添加元素的碳钢(如硼或锰或铬)淬火并回火的材料最大碳质量分数由0.40%代替了旧标准的0.35%,12.9级最小碳质量分数由0.30%代替了旧标准0.28%。标准均对碳质量分数低于0.25%的添加硼的碳钢,其锰的最小质量分数分别为:8.8级为0.6%,9.8和10.9级为0.7%。还规定了“合金钢至少应含有下列一种元素,其最小质量分数为:铬0.30%,镍0.30%,钼0.20%,钒0.10%”的要求。

  标准还补充了“当含有2,3或4种复合的合金成分时,合金元素的含量不能少于单个合金元素含量总和的70%”的要求。为此,螺栓用钢材是碳素钢和为增加强度、淬透性而添加铬、钼、镍、锰等合金元素的合金钢,以及耐蚀为主的不锈钢等,此外,还有添加微量硼使淬透性大幅度提高的碳硼钢。

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  2.问题的提出

  钢材的淬透性程度越大,调质后的屈强比也越大,屈强比的增大意味着能更好地发挥钢材的潜力,这对于满足产品规定的抗拉强度和屈强比的高强度螺栓,就更有实际的意义。

  高强度螺栓调质用合金钢与相同含碳量的碳素钢相比,往往在相同强度下具有较高的塑性、韧性;或在相同的塑性下具有较高的强度;或强度、塑性、韧性都较高,且耐热、耐500℃以下高温环境服役。因为在调质状态下,合金元素除固溶强化铁素体外,更主要的是提高了钢的回火稳定性,在相同温度回火后,合金钢的碳化物比较弥散,从而使钢的强度较高。如果回火到与碳钢相同的硬度、强度时,合金钢的回火温度应较高,从而应力消除较彻底[3]。

  随着紧固件需求的逐年增长, 为了增加紧固件的市场竞争力,在减少生产成本,省略或简化工序的同时,还要求降低对能源的消耗。近20年来,市场上大力开发节约合金元素的低碳高强度冷镦硼钢,其成分设计的基本原则是降低含碳量、改善冷镦钢的冷变形能力,加入0.0008%~0.0030%的硼,以弥补因降碳而造成了强度和淬透性的损失。冷镦硼钢热轧线材可以直接拉拔和冷镦加工,不需要预先球化退火处理,节约了螺栓的制造成本[4]。ML25B是GB/T 6478-2015《冷镦和冷挤压用钢》[5]标准中的一个重要新牌号,用于制造8.8、9.8级D≤20mm螺栓和8、10级D≤27mm螺母。

  下面简单介绍ML25B碳硼钢的热处理淬火方法以及进行热处理工艺试验,期望对ML25B钢热处理工艺和性能的有一个系统的了解。

  3.试验材料与方法

  从冷水江钢铁有限责任公司购进的冷镦钢ML25B盘条,考虑到化学成分的影响,根据GB/T 6478-2015标准中选择对碳、硅、锰、硼等元素优化控制,用LABSPARK750A纳克直读式光谱仪对样件进行化学成分分析,见表1所示。

  ①碳:碳是影响钢材冷塑性变形的最主要元素。含碳量越高,钢的强度越高,而塑性越低。钢中含碳量对于钢材的冷镦性能是影响最大的,在生产实际中,含碳量大于0.28%时,要求钢在拉拔前要进行球化退火。含碳量过低对淬透性也有重要影响。为此,含碳量控制在0.25%~0.28%,尽量不考虑退火工艺处理。

  ②硅:Si对冷镦性能的影响仅次于碳,硅是钢在冶炼时脱氧剂的残余物。当钢中含硅量超过0.1%时,抗拉强度提高,但影响冷加工性能,因此主张控制冷镦钢硅含量≤0.15%。

  ③锰:Mn能提高钢的淬透性,使得钢的抗拉强度和抗弯强度有所提高,塑性有所降低,对于钢的冷塑性变形是不利的。ML25B钢的含锰量,不宜超过0.9%,热处理水淬易开裂,锰按标准要求的下限0.75%~0.90%控制。

  ④硼:B能显著提高钢的淬透性,但同时又会导致钢材脆性增加。B含量最大值均为0.0030% 。由于硼与钢中氧氮有很强的亲合力一旦与它们结合生成氧化硼或氮化硼时,硼的作用就消失,即只有酸溶硼才能使钢的淬透性增加,控制为0.0008%~0.0030%[5]。

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  试验加热采用SY-805连续式网带炉生产线,依据现场实际生产产品GB/T5782-M16X105高强度8.8级六角头螺栓制定热处理温度,选取4组加热温度,分别为:830、860、880和900℃。每组试样加热保温时间按网带加热炉运转速度为85min,加热后用2%~3%PAG水溶液冷却,水温控制在30~32℃,回火温度分别为410、420和430℃,保温时间按网带加热炉运转速度为80 min。回火后试样加工成10mm+10mm+55mm标准冲击试样,冲击试验按照GB/T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》,设备为JBW-300S数显冲击试验机。硬度检测使用HR-150A型洛氏硬度计,显微组织检验使用DMI3000M倒置式金相显微镜及图像采集系统。

  4.试验结果与分析

  4.1 不同加热温度对组织及性能的影响

  ML25B属于低碳合金冷镦钢。8.8级高强度螺栓之所以选择用ML25B,是出于对螺栓淬透性及服役条件的考虑。含碳量在0.33%~0.38%之间的ML35、SWRCH35K冷镦钢,对于M16以上螺栓热处理往往存在淬不透,心部未溶铁素体增多,在服役过程造成早期失效的问题。

  含碳量在0.25的低碳合金钢经淬火后,能获得几乎全部低碳马氏体,又称为位错马氏体。ML25B钢淬火组织与20Cr钢淬火组织具有相似性,因此,列出20Cr钢低碳马氏体强化的力学性能[6]以作参考,见表2所示。

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  ML25B钢中的含锰量,考虑热处理用水淬易开裂,锰含量按0.75%~0.85%控制 ,虽然含量不高,但锰属于扩大奥氏体相区元素,使AC3点下移,使钢在较低温度加热,即可完全奥氏体化,如在830℃加热淬火显微组织中已基本看不到铁素体组织,见图1;860℃加热淬火显微组织为淬火马氏体+少量先共析铁素体组织,见图2;880℃加热淬火显微组织为淬火马氏体+先共析铁素体组织,见图3;900℃加热淬火显微组织为粗大淬火马氏体+网状铁素体组织,见图4。

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  钢中加入微量硼,能弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失,改善钢的冷变形能力。硼在钢中的主要作用是提高淬透性,硼提高淬透性的机制是硼在奥氏体晶界的偏聚,降低了奥氏体晶界能,从而使奥氏体稳定,铁素体新相在晶界处形核困难。只有固溶在钢中,自由硼(或称有效硼)才对提高淬透性有益,微量硼B≥0.0007%就可使冷镦钢调质的性能明显提高,使用少量硼代替合金元素生产螺栓的用ML25B钢,能够降低成本[7]。硼含量控制大于0.0012%,可使淬透性达到最大。

  表3所示为ML25B钢淬火加中温回火的力学性能检测结果。从表3所列4组试验结果来看,回火后力学性能基本在标准范围,只有830℃淬火所得冲击吸收能量偏低(低于标准值27J),860℃和900℃淬火所得冲击吸收能量数据比较分散,880℃淬火为理想的淬火加热温度。

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  从淬火显微组织表明,若ML25B钢采用Al脱氧时,Al和硼钢中残留的Ti将对钢的奥氏体晶粒度产生影响,同时起细化晶粒的作用。钢中的Al质量分数控制在0.02%~0.05%;残留Ti质量分数在≥0.03%时,淬透性效果最佳。

  4.2 不同热处理回火温度下的冲击吸收能量

  按GB/T 3098.1—2010标准,螺栓冲击吸收能量在零下-20℃进行,检测取平均值,表4所示为ML25B钢淬火加中温回火的冲击吸收能量与硬度,从表4来看,430℃回火,冲击吸收能量值最高,也符合GB/T 3098.1—2010中对8.8级螺栓的最低回火温度425 ℃的要求。

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  4.3 ML25B钢的工艺特性及对性能的影响

  ①冷成型性 由于在ML25B钢中的硼对固溶、沉淀和冷加工硬化增强很小,因而很适宜于冷挤压、冷镦和温锻,典型的车辆车轮的轮胎螺栓,此类异型件可在多功位冷镦机上进行加工。

  ②抗淬裂性 淬火开裂可以由单一或多种因素而引起。然而,对于高强度螺栓来说,淬裂倾向是Ms点温度的逆向函数,与碳和其他合金元素相比,硼有独特的性能,它可增大淬透性而不使Ms点有明显降低。因此,对螺栓异型件的锐边、螺栓孔等对淬裂敏感处,用ML25B钢制造要可靠得多。

  ③切削加工性 ML25B钢的切削加工性与含碳量相近或经调质的ML25、ML35、SWRCH35K钢相似。对于9.8级的异型件螺栓的机加工生产证实了这一点,硼对切削加工性的影响被认为是不用考虑的。

  ④焊接性 ML25B钢是很容易焊接的,热处理调质后也一样,通常不用预热和后加热,当然最好是低氢处理工艺,热影响区的硬度则略低于低合金钢。但是,恰当的设计螺栓焊接组合件,可以防止对性能的很多有害作用。

  5. 结论

  ①ML25B钢高强度螺栓适宜的淬火温度为870~885℃,淬火后硬度大于44HRC。

  ②ML25B钢调质后在410~430℃回火,其力学性能均可满足8.8级螺栓的技术要求,从高强度螺栓综合力学性能考虑,回火温度以430℃为佳;但对9.8级螺栓,不能满足标准中的最低回火温度425 ℃的要求。

  ③ML25B钢为了避免淬火开裂,对于M10以下规格的高强度螺栓可油淬,油淬后硬度也可达44~45HRC。ML25B钢回火稳定性较差,故可适当降低回火温度,如调质时应提高淬火温度5℃左右,降低回火温度5℃左右。若力学性能不达标时有出现,主要是对热处理工艺控制不严,特别是保温时间不足所致,只要保证加热奥氏体化均匀,就能保证高强度螺栓具有良好的综合力学性能,至于冷却介质温度及回火工艺等都是次要的。

  参考文献

  [1] 张先鸣.我国紧固件行业热处理技术现状及发展[J].金属制品,2008(6):53-57.

  [2]中机生产力促进中心. GB/T 3098.1—2010.紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱[S].北京:中国标准出版社,2011.

  [3]浙江大学,上海机械学院,合肥工业大学.钢铁材料及热处理工艺〔M〕.上海:上海科学技术出版社,1976.

  [4] 张先鸣. 碳硼钢紧固件的热处理[J].金属加工,2010(1):11-13.

  [5] 太原钢铁(集团)有限公司. GB/T6478—2015《冷镦和冷挤压用钢》[S].北京:中国标准出版社,2016.

  [6] 《金属机械性能》编写组. 金属机械性能[M]. 北京:机械工业出版社,1982.

  [7] 张先鸣.碳钢和合金钢高强度螺栓用材料探讨[J].金属制品,2012(1):62-65.

  作者:冷水江天宝实业有限公司 罗艳冰,金蜘蛛紧固件网顾问专家 张先鸣
  本文原刊登于第55期金蜘蛛《紧固件》季刊,转载请注明来源于“金蜘蛛紧固件网”。


2019/2/1 11:11:00

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