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高強度螺栓用ML25B鋼的熱處理工藝,值得收藏!

  核心提示:ML25B是GB/T 6478-2015標準中的一個重要牌號,用于制造8.8、9.8級D≤20mm螺栓和8、10級D≤27mm螺母。

  摘要

  GB/T3098.1—2010緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱標準,對機械性能8.8級以上的高強度螺栓材料,要求最大限度地提高淬硬性,增加有效的淬透性,以滿足標準中的最低回火溫度425 ℃的要求。

  ML25B是GB/T 6478-2015標準中的一個重要牌號,用于制造8.8、9.8級D≤20mm螺栓和8、10級D≤27mm螺母。熱軋線材可以直接拉拔和冷鐓加工,不需要預先球化退火處理,節約了螺栓的制造成本。淬火溫度為870~885℃,淬火后硬度大于44HRC,在410~430℃回火,其力學性能均可滿足8.8級螺栓的技術要求,從高強度螺栓綜合力學性能考慮,回火溫度以430℃為佳;但對9.8級螺栓,不能滿足標準中的最低回火溫度425 ℃的要求。

  1.標準的描述

  緊固件素有“工業之米”的美譽,它屬于通用基礎零部件。螺栓在緊固件中使用量最多、最廣,制造緊固件的材料主要有鋼、不銹鋼、鈦合金和有色金屬等。目前除少量的大規格采用溫鐓(溫擠壓),切削加工制造外,大多數選擇冷鐓(冷擠壓)成型工藝制造[1]。螺栓的力學性能很大程度上取決于制造緊固件材料的質量。

  GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》[2]于2011年10月1日正式實施。對于8.8級高強度緊固件的材料,標準采用“碳鋼或添加元素的碳鋼”代替了舊標準的“碳鋼”,并且最大硼質量分數由不規定代替了舊標準的0.003%。

  標準中對8.8級和9.8級緊固件增加了“合金鋼淬火并回火”類材料。需要熱處理的8.8~12.9級高強度緊固件的硫和磷最大質量分數均從舊標準的0.035%降到0.025%,9.8級添加元素的碳鋼(如硼或錳或鉻)淬火并回火的材料最大碳質量分數由0.40%代替了舊標準的0.35%,12.9級最小碳質量分數由0.30%代替了舊標準0.28%。標準均對碳質量分數低于0.25%的添加硼的碳鋼,其錳的最小質量分數分別為:8.8級為0.6%,9.8和10.9級為0.7%。還規定了“合金鋼至少應含有下列一種元素,其最小質量分數為:鉻0.30%,鎳0.30%,鉬0.20%,釩0.10%”的要求。

  標準還補充了“當含有2,3或4種復合的合金成分時,合金元素的含量不能少于單個合金元素含量總和的70%”的要求。為此,螺栓用鋼材是碳素鋼和為增加強度、淬透性而添加鉻、鉬、鎳、錳等合金元素的合金鋼,以及耐蝕為主的不銹鋼等,此外,還有添加微量硼使淬透性大幅度提高的碳硼鋼。

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  2.問題的提出

  鋼材的淬透性程度越大,調質后的屈強比也越大,屈強比的增大意味著能更好地發揮鋼材的潛力,這對于滿足產品規定的抗拉強度和屈強比的高強度螺栓,就更有實際的意義。

  高強度螺栓調質用合金鋼與相同含碳量的碳素鋼相比,往往在相同強度下具有較高的塑性、韌性;或在相同的塑性下具有較高的強度;或強度、塑性、韌性都較高,且耐熱、耐500℃以下高溫環境服役。因為在調質狀態下,合金元素除固溶強化鐵素體外,更主要的是提高了鋼的回火穩定性,在相同溫度回火后,合金鋼的碳化物比較彌散,從而使鋼的強度較高。如果回火到與碳鋼相同的硬度、強度時,合金鋼的回火溫度應較高,從而應力消除較徹底[3]。

  隨著緊固件需求的逐年增長, 為了增加緊固件的市場競爭力,在減少生產成本,省略或簡化工序的同時,還要求降低對能源的消耗。近20年來,市場上大力開發節約合金元素的低碳高強度冷鐓硼鋼,其成分設計的基本原則是降低含碳量、改善冷鐓鋼的冷變形能力,加入0.0008%~0.0030%的硼,以彌補因降碳而造成了強度和淬透性的損失。冷鐓硼鋼熱軋線材可以直接拉拔和冷鐓加工,不需要預先球化退火處理,節約了螺栓的制造成本[4]。ML25B是GB/T 6478-2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》[5]標準中的一個重要新牌號,用于制造8.8、9.8級D≤20mm螺栓和8、10級D≤27mm螺母。

  下面簡單介紹ML25B碳硼鋼的熱處理淬火方法以及進行熱處理工藝試驗,期望對ML25B鋼熱處理工藝和性能的有一個系統的了解。

  3.試驗材料與方法

  從冷水江鋼鐵有限責任公司購進的冷鐓鋼ML25B盤條,考慮到化學成分的影響,根據GB/T 6478-2015標準中選擇對碳、硅、錳、硼等元素優化控制,用LABSPARK750A納克直讀式光譜儀對樣件進行化學成分分析,見表1所示。

  ①碳:碳是影響鋼材冷塑性變形的最主要元素。含碳量越高,鋼的強度越高,而塑性越低。鋼中含碳量對于鋼材的冷鐓性能是影響最大的,在生產實際中,含碳量大于0.28%時,要求鋼在拉拔前要進行球化退火。含碳量過低對淬透性也有重要影響。為此,含碳量控制在0.25%~0.28%,盡量不考慮退火工藝處理。

  ②硅:Si對冷鐓性能的影響僅次于碳,硅是鋼在冶煉時脫氧劑的殘余物。當鋼中含硅量超過0.1%時,抗拉強度提高,但影響冷加工性能,因此主張控制冷鐓鋼硅含量≤0.15%。

  ③錳:Mn能提高鋼的淬透性,使得鋼的抗拉強度和抗彎強度有所提高,塑性有所降低,對于鋼的冷塑性變形是不利的。ML25B鋼的含錳量,不宜超過0.9%,熱處理水淬易開裂,錳按標準要求的下限0.75%~0.90%控制。

  ④硼:B能顯著提高鋼的淬透性,但同時又會導致鋼材脆性增加。B含量最大值均為0.0030% 。由于硼與鋼中氧氮有很強的親合力一旦與它們結合生成氧化硼或氮化硼時,硼的作用就消失,即只有酸溶硼才能使鋼的淬透性增加,控制為0.0008%~0.0030%[5]。

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  試驗加熱采用SY-805連續式網帶爐生產線,依據現場實際生產產品GB/T5782-M16X105高強度8.8級六角頭螺栓制定熱處理溫度,選取4組加熱溫度,分別為:830、860、880和900℃。每組試樣加熱保溫時間按網帶加熱爐運轉速度為85min,加熱后用2%~3%PAG水溶液冷卻,水溫控制在30~32℃,回火溫度分別為410、420和430℃,保溫時間按網帶加熱爐運轉速度為80 min。回火后試樣加工成10mm+10mm+55mm標準沖擊試樣,沖擊試驗按照GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,設備為JBW-300S數顯沖擊試驗機。硬度檢測使用HR-150A型洛氏硬度計,顯微組織檢驗使用DMI3000M倒置式金相顯微鏡及圖像采集系統。

  4.試驗結果與分析

  4.1 不同加熱溫度對組織及性能的影響

  ML25B屬于低碳合金冷鐓鋼。8.8級高強度螺栓之所以選擇用ML25B,是出于對螺栓淬透性及服役條件的考慮。含碳量在0.33%~0.38%之間的ML35、SWRCH35K冷鐓鋼,對于M16以上螺栓熱處理往往存在淬不透,心部未溶鐵素體增多,在服役過程造成早期失效的問題。

  含碳量在0.25的低碳合金鋼經淬火后,能獲得幾乎全部低碳馬氏體,又稱為位錯馬氏體。ML25B鋼淬火組織與20Cr鋼淬火組織具有相似性,因此,列出20Cr鋼低碳馬氏體強化的力學性能[6]以作參考,見表2所示。

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  ML25B鋼中的含錳量,考慮熱處理用水淬易開裂,錳含量按0.75%~0.85%控制 ,雖然含量不高,但錳屬于擴大奧氏體相區元素,使AC3點下移,使鋼在較低溫度加熱,即可完全奧氏體化,如在830℃加熱淬火顯微組織中已基本看不到鐵素體組織,見圖1;860℃加熱淬火顯微組織為淬火馬氏體+少量先共析鐵素體組織,見圖2;880℃加熱淬火顯微組織為淬火馬氏體+先共析鐵素體組織,見圖3;900℃加熱淬火顯微組織為粗大淬火馬氏體+網狀鐵素體組織,見圖4。

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  鋼中加入微量硼,能彌補因降碳而造成的強度和淬透性的損失,改善鋼的冷變形能力。硼在鋼中的主要作用是提高淬透性,硼提高淬透性的機制是硼在奧氏體晶界的偏聚,降低了奧氏體晶界能,從而使奧氏體穩定,鐵素體新相在晶界處形核困難。只有固溶在鋼中,自由硼(或稱有效硼)才對提高淬透性有益,微量硼B≥0.0007%就可使冷鐓鋼調質的性能明顯提高,使用少量硼代替合金元素生產螺栓的用ML25B鋼,能夠降低成本[7]。硼含量控制大于0.0012%,可使淬透性達到最大。

  表3所示為ML25B鋼淬火加中溫回火的力學性能檢測結果。從表3所列4組試驗結果來看,回火后力學性能基本在標準范圍,只有830℃淬火所得沖擊吸收能量偏低(低于標準值27J),860℃和900℃淬火所得沖擊吸收能量數據比較分散,880℃淬火為理想的淬火加熱溫度。

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  從淬火顯微組織表明,若ML25B鋼采用Al脫氧時,Al和硼鋼中殘留的Ti將對鋼的奧氏體晶粒度產生影響,同時起細化晶粒的作用。鋼中的Al質量分數控制在0.02%~0.05%;殘留Ti質量分數在≥0.03%時,淬透性效果最佳。

  4.2 不同熱處理回火溫度下的沖擊吸收能量

  按GB/T 3098.1—2010標準,螺栓沖擊吸收能量在零下-20℃進行,檢測取平均值,表4所示為ML25B鋼淬火加中溫回火的沖擊吸收能量與硬度,從表4來看,430℃回火,沖擊吸收能量值最高,也符合GB/T 3098.1—2010中對8.8級螺栓的最低回火溫度425 ℃的要求。

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  4.3 ML25B鋼的工藝特性及對性能的影響

  ①冷成型性 由于在ML25B鋼中的硼對固溶、沉淀和冷加工硬化增強很小,因而很適宜于冷擠壓、冷鐓和溫鍛,典型的車輛車輪的輪胎螺栓,此類異型件可在多功位冷鐓機上進行加工。

  ②抗淬裂性 淬火開裂可以由單一或多種因素而引起。然而,對于高強度螺栓來說,淬裂傾向是Ms點溫度的逆向函數,與碳和其他合金元素相比,硼有獨特的性能,它可增大淬透性而不使Ms點有明顯降低。因此,對螺栓異型件的銳邊、螺栓孔等對淬裂敏感處,用ML25B鋼制造要可靠得多。

  ③切削加工性 ML25B鋼的切削加工性與含碳量相近或經調質的ML25、ML35、SWRCH35K鋼相似。對于9.8級的異型件螺栓的機加工生產證實了這一點,硼對切削加工性的影響被認為是不用考慮的。

  ④焊接性 ML25B鋼是很容易焊接的,熱處理調質后也一樣,通常不用預熱和后加熱,當然最好是低氫處理工藝,熱影響區的硬度則略低于低合金鋼。但是,恰當的設計螺栓焊接組合件,可以防止對性能的很多有害作用。

  5. 結論

  ①ML25B鋼高強度螺栓適宜的淬火溫度為870~885℃,淬火后硬度大于44HRC。

  ②ML25B鋼調質后在410~430℃回火,其力學性能均可滿足8.8級螺栓的技術要求,從高強度螺栓綜合力學性能考慮,回火溫度以430℃為佳;但對9.8級螺栓,不能滿足標準中的最低回火溫度425 ℃的要求。

  ③ML25B鋼為了避免淬火開裂,對于M10以下規格的高強度螺栓可油淬,油淬后硬度也可達44~45HRC。ML25B鋼回火穩定性較差,故可適當降低回火溫度,如調質時應提高淬火溫度5℃左右,降低回火溫度5℃左右。若力學性能不達標時有出現,主要是對熱處理工藝控制不嚴,特別是保溫時間不足所致,只要保證加熱奧氏體化均勻,就能保證高強度螺栓具有良好的綜合力學性能,至于冷卻介質溫度及回火工藝等都是次要的。

  參考文獻

  [1] 張先鳴.我國緊固件行業熱處理技術現狀及發展[J].金屬制品,2008(6):53-57.

  [2]中機生產力促進中心. GB/T 3098.1—2010.緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].北京:中國標準出版社,2011.

  [3]浙江大學,上海機械學院,合肥工業大學.鋼鐵材料及熱處理工藝〔M〕.上海:上海科學技術出版社,1976.

  [4] 張先鳴. 碳硼鋼緊固件的熱處理[J].金屬加工,2010(1):11-13.

  [5] 太原鋼鐵(集團)有限公司. GB/T6478—2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》[S].北京:中國標準出版社,2016.

  [6] 《金屬機械性能》編寫組. 金屬機械性能[M]. 北京:機械工業出版社,1982.

  [7] 張先鳴.碳鋼和合金鋼高強度螺栓用材料探討[J].金屬制品,2012(1):62-65.

  作者:冷水江天寶實業有限公司 羅艷冰,金蜘蛛緊固件網顧問專家 張先鳴
  本文原刊登于第55期金蜘蛛《緊固件》季刊,轉載請注明來源于“金蜘蛛緊固件網”。


2019/2/1 11:11:00

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