石油化工鋼制管法蘭用螺柱發黑工藝改進

王澤斌，楊國民

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1 序言

35CrMoA鋼是石油化工用緊固件的一種常用鋼種，主要用于生產螺栓、螺柱。緊固件加工行業此類產品通行的加工工藝路線為：材料改制→切斷→倒角→滾絲→熱處理→發黑上油。熱處理回火溫度過高時，工件容易氧化，影響余熱發黑的效果，螺柱表面發黑膜容易脫落、表面粗糙，影響產品外觀質量。

2 生產現狀

根據大多數緊固件加工企業實際生產條件，M48以下螺柱滾絲或搓絲后是采用托輥式網帶爐生產線進行熱處理。由于35CrMoA鋼的淬火臨界直徑為40mm，因此M36以下螺柱采用油淬，其工藝曲線如圖1所示[1]。為防止氧化，回火爐會采用氮氣做保護性氣氛，回火后直接余熱發黑。

圖1 M20×80mm螺柱35CrMoA鋼制管法蘭用熱處理工藝

余熱發黑是利用工件回火余熱，依據熱聚合反應機理形成黑色的高分子材料保護膜，從而達到防銹、防腐的目的[2]。它既解決了常溫發黑膜結合力小的問題，又利用回火余熱達到高溫發黑的效果，降低能耗[3]。因為其工藝環保、節能、高效，且發黑色澤效果好，膜層光澤度高，所以廣泛用于標準件行業。

對M20×80mm螺柱熱處理后進行質量檢測，力學性能指標見表1，符合SH/T 3404—2013《石油化工鋼制管法蘭用緊固件》的相關要求。

表1 M20×80mm螺柱常規熱處理力學性能

由表1可看出，網帶爐采用常規熱處理工藝處理，已經能夠保證其力學性能達到標準要求。回火溫度超過了580℃，且回火保溫時間長，盡管有氮氣保護，回火發黑后部分產品表面有凸起的氧化皮，且有剝落現象，如圖2所示。因表面起氧化皮而導致發黑膜脫落（見圖3）、掉色和表面粗糙，嚴重影響了產品外觀質量和表面防腐能力，屬于質量不合格產品。為解決該質量問題，往往需要在回火后增加拋丸工序，拋丸后再次發黑處理，不僅增加了生產成本，降低了生產效率，對M20以上螺柱還容易引起牙紋碰傷，在解決發黑質量問題的同時，又新產生了螺紋通止規的質量問題。

圖2 表面有氧化皮且存在剝落現象

圖3 發黑膜脫落明顯

3 原因分析與改進

3.1 余熱發黑的影響因素

由于35CrMoA鋼自身的特性原因，工藝設計時必然要求在600℃以上回火，才能保證產品力學性能要求。而鋼鐵在560℃以上且處于空氣環境下，工件極易氧化甚至產生氧化皮，進而影響發黑效果。

為保證產品發黑效果，在發黑前，工件必須達到可引起熱聚合反應的溫度，同時具有干燥、潔凈的表面，使發黑劑在發生熱聚合反應時能形成有效的保護膜。

但當工件的熱量超過保護膜的極限溫度時，就會減弱發黑膜與基體的結合力，產生發黑膜掉色、脫落等問題。

3.2 發黑異常原因分析

在回火爐的設計中，進料端為敞開狀態，以方便工件的進入。油淬后工件會通過清洗，空氣及工件上附著的水分也隨工件一起進入爐內，爐內氣體中以氧氣、水蒸氣和氮氣的混合氣體為主，當工件溫度高于560℃時，工件就會發生氧化甚至產生氧化皮。

由于回火爐的出料口直接通入發黑槽內，所以當高溫工件直接落入發黑槽內時，發黑劑受熱氣化，產生水蒸氣。當水蒸氣上升進入回火爐內時，會與高溫工件發生氧化反應。

工件溫度越高、尺寸越大，攜帶的熱量也就越多，其心部的熱量也越難以轉移出去，通過熱聚合作用在工件表面形成的發黑膜受工件心部熱量的影響，當工件溫度高于550℃時，其心部傳出的熱量可能引起表面高分子膜破裂。

3.3 改進思路

通過上面的初步分析，我們將改進的方向重點放在減少空氣和水分進入、降低水蒸氣的影響及防止工件溫度過高這三個方面。

1）針對減少空氣及水分進入方面：可采用風機吹干工件附帶的水分，同時要進一步提高爐內氮氣的密度，增加爐內氮氣的壓力，從而提高氮氣保護的效果。

2）降低水蒸氣影響方面：既要減少水蒸氣的產生，又要減少水蒸氣進入回火爐，同時不能影響回火爐密封效果。

3）防止工件溫度過高方面：在不影響回火后產品性能的前提下，降低工件的入水溫度，同時提高水的冷卻能力，讓工件心部的溫度快速下降，從而保證發黑膜的附著力。

4 工藝改進試驗及驗證

根據減少空氣及水分進入的思路，改進回火爐爐口的結構，增加風機，加裝了多道耐高溫密封簾，調整氮氣流量。為驗證其工藝改進的效果，我們采用SH/T 3404—2013 規定的M20×80mm螺柱進行工藝試驗。其發黑工藝試驗方案1見表2。

表2 發黑工藝試驗方案1

發黑工藝試驗方案1的結果表明，在采用風機吹干工件上水分的前提下，當氮氣通入量達到20m3/h后，再增加氮氣量，對防止工件氧化沒有明顯的效果。而爐口增加密封簾，卻能夠很好地改善工件氧化的問題。根據試驗方案1的結果，確定吹干風機、密封簾必須安裝，回火冷卻對發黑膜影響最大的思路。根據改進的思路，有針對性地設計了發黑工藝試驗方案2，見表3。

表3 發黑工藝試驗方案2

圖4 安裝密封簾后牙紋輕微生銹

發黑工藝試驗方案2在同一設備上按順序進行，除試驗確定的目標參數外，其他參數與原工藝方案一致。試驗方案2中兩組樣品待烘干后，取紗布對樣品擦拭，發現發黑膜仍有輕微脫落的現象。

鑒于方案2中的兩個方法都有一定的效果，將兩個方法同時使用，并進行中批量生產，共10t左右。在生產中進行連續觀察檢驗，工件膜層均勻、顏色黑亮，且無脫落現象，如圖5所示。

圖5 工件膜層均勻、顏色黑亮

取批量生產的樣品，對其力學性能、金相組織及耐蝕性和皮膜致密性做了進一步的檢測。力學性能結果見表4，符合標準要求。 螺柱心部回火組織如圖6所示，為均勻回火索氏體組織。

圖6 螺柱心部回火組織（500×）

表4 改進后常規熱處理力學性能檢測

對于耐蝕性和皮膜的致密性，參考行業通用習慣，采用GB/T 15519—2002 《鋼鐵黑色氧化膜試驗方法》規定進行檢測。將5%的草酸溶液滴到工件表面8min后，觀察工件表面皮膜無腐蝕的情況，如圖7所示。

圖7 草酸腐蝕表面無變化

使用3%實驗室試劑級硫酸銅浸漬，將工件浸入溶液中30s，然后用冷水洗凈，濾紙吸干，表面無紅點及紅斑（見圖8），證明皮膜致密性好，無細孔或損傷。

圖8 表面無紅點及紅斑

5 分析與討論

5.1 回火爐設備改進

通過工藝試驗方案1的結果可以發現，爐口結構改變對控制氧化生銹有十分明顯的效果。密封簾安裝好后，水蒸氣和爐外的空氣在進入爐內的過程中大部分被密封簾阻擋。氮氣持續通入爐內，因密封簾阻擋又難以從爐口排出，使爐內氮氣密度增大，壓力增加且大于爐外壓力。在密封簾和爐內氮氣壓力的雙重阻攔下，爐外的空氣和水蒸氣就難以進入爐內而使工件氧化。

5.2 回火溫度改進

工件入水溫度降低，心部傳遞給表面的熱量也相應減少。當溫度低于發黑膜的極限溫度時就避免了發黑膜老化的發生。同時，工件入水前溫度的降低，減少了帶入水中的熱量及水蒸氣的產生，工件受水蒸氣影響生銹的可能也隨之降低。試驗證明，將工件入水前的溫度控制在560℃以下，有利于避免生銹，保證發黑的效果。

5.3 發黑槽工藝優化

冷卻液溫度越低，吸收的熱量越多。發黑槽循環泵打開，加強發黑劑的循環流動，更有利于工件的降溫。試驗證明，35℃以內水溫與發黑劑良好的流動性，有利于避免生銹，保證發黑的效果。

5.4 改進后的發黑工藝

工藝改進后批量試驗確認完成后，按如下工藝進行35CrMoA鋼M20系列螺柱穩定的批量生產，進一步確認工藝改進效果：淬火加熱850℃，淬火加熱時間100min，65℃油淬，回火爐進料口安裝多道密封簾，20m3/h氮氣保護，回火前4區600℃、5區560℃，回火加熱時間110min，回火后余熱發黑，發黑溫度35℃，冷卻循環常開。經檢測，其力學性能、金相組織及其耐腐蝕性能和皮膜的致密性都符合標準規定，說明改進后的工藝滿足穩定生產要求。

6 結束語

1）在高于560℃以上的溫度進行回火時，空氣和水蒸氣對工件氧化的影響更為明顯；設備的密封效果及合理的保護性氣氛會直接影響工件氧化程度及發黑的效果。

2）高溫回火時，降低工件入水前的溫度及發黑劑的冷卻能力，是保證發黑膜附著力及成膜效果的重要因素。