DI值在緊固件熱處理生產中的應用

易貞峰

寧波群力緊固件制造有限公司 浙江寧波 315205

1 序言

緊固件最常用的熱處理工藝是淬火、回火。在緊固件制造過程中，經常會涉及不同鋼廠或同一鋼廠（相同或不同爐號）多批次材料，這些不同爐批號的材料其成分中各元素含量是有差異的，而這些差異會直接影響熱處理工藝及熱處理生產質量。在實際生產中，經常出現(xiàn)相同材料牌號、相同規(guī)格及性能等級要求、不同爐批號的產品（熱處理前工序完全一樣的情況下），用相同設備及熱處理工藝處理時，得到的硬度值及變形等熱處理指標不一樣的情況。這就要求在實際熱處理過程中，針對不同爐批號的產品，熱處理工藝要有對應的調整。通常，我公司會針對某爐號材料與熟悉鋼廠的材料先進行主要元素成分對比，大致判斷哪個材料淬透性好，然后安排工藝試驗進行驗證，以確定使用該材料是否需要進行熱處理工藝調整。例如，40Cr鋼根據(jù)C、Cr含量來進行判斷，如果某一爐批號的C、Cr含量高于另一爐批號的成分值，則認為前者淬透性是高于后者的，但這只是一種大致定性的分析，假如C、Cr含量在兩者對比時出現(xiàn)一高一低時，如何進行評判。另外，材料內的其他元素對淬透性也是有影響的，比如Cu、Si、Mn等，顯然在判斷材料淬透性時應取多個元素的綜合值?？傊?，對于原材料淬透性的掌控非常費力、費時且效果不明顯，因為不清楚材料的差異什么時候會變大，且不能科學地評估差異。本文擬通過理想臨界直徑（DI）值來量化評估淬透性，從而建立材料成分與熱處理工藝的聯(lián)系。

2 鋼的淬透性與DI值

上述問題主要是由于不同爐批次鋼的化學成分變化導致的鋼淬透性變化，在實際淬火過程中鋼的淬透性是比較重要的一個性能指標。淬透性指的是鋼材在淬火后能夠被淬透的深度大小的一種屬性，主要取決于鋼材的化學成分。為了反映鋼材的淬透性屬性，國際上發(fā)展了許多不同材質的試驗方法和評定方法，如端淬法、U曲線法等[1]。淬透性值量化求法有格羅斯曼理想臨界直徑計算公式、端淬曲線、淬火特性曲線等幾種方法[2]。利用鋼的化學成分來計算鋼的淬透性，必須排除各種外界因素（淬火溫度、冷卻速度等）的影響。早在20世紀40年代，格羅斯曼就提出了一個關于“理想臨界直徑”的概念，假設淬火冷卻介質的淬火烈度值H為無窮大，試樣淬火所能淬透到50%馬氏體（指心部）的最大直徑稱為理想直徑（DI），其只與鋼的成分有關[1]。ASTM A255-10：2018《測定鋼淬透性的標準試驗方法》[3]（以下簡稱 A255）基于格羅斯曼的工作成果，通過細化碳系數(shù)，以及細化硼與碳及合金元素成分間聯(lián)系的硼系數(shù)，為計算DI值提供了更高的精度。在此采用該方法嘗試將化學成分與淬透性通過DI值聯(lián)系起來。指定位置的淬火硬度取決于材料的淬透性和外部條件的共同作用，也就是指定位置的實際冷卻速度與材料理論臨界冷卻速度相比較。材料臨界冷卻速度取決于鋼的各成分元素，實際冷卻速度取決于外部條件如淬火冷卻介質、攪拌速度、裝爐量、零件單重及尺寸等[2]。在實際生產過程中，指定位置可以在測試時規(guī)定同一個位置取樣即可；熱處理生產線及工藝確定后，實際冷卻速度也就確定了，臨界冷卻速度則主要取決于DI值，由此可知，指定位置的淬火硬度取決于D I值和工藝。

3 DI值的計算

根據(jù)A255標準，DI值即Ideal Diameter，理想臨界直徑，等于一個材料成分中碳的合金系數(shù)與各個合金的合金系數(shù)的乘積，在此使用英制。計算時，碳及各合金元素應在一定范圍內，各元素具體范圍要求見表1。

表1 DI值計算時各元素成分要求（質量分數(shù)）（%）

（1）無硼鋼的計算 將各元素的含量乘以系數(shù)后再計算總乘積即為DI值。在此假定均為7級晶粒，不考慮P、S元素，因為二者的影響是相互抵消的。各元素的系數(shù)可通過查詢A255標準中表6得到，或者直接使用A255標準中表11里的方程進行計算，將A255標準中表11內容進行整理，F(xiàn)m系數(shù)計算方程見表2。

根據(jù)表2（設定晶粒度均為7級）以及材料的化學成分分析結果，就能計算不同成分爐批號材料的DI值。我公司實際生產35CrMo鋼3個爐批號的DI計算值見表3。

表3 35CrMo鋼3個爐批號DI計算值

由表3可看出，相比C、Cr、Mo 3個主要元素含量，爐號1-1比爐號1-2略高一點，通常認為兩個爐號淬透性相差不大，也就是說淬火后硬度值應基本一致。但從計算的DI值上看，爐號1-1比爐號1-2的DI值低0.46，爐號1-1的淬火硬度值應低于爐號1-2。從表3可知，實際淬火硬度值爐號1-1與爐號1-2相差5HRC，也與DI值相符合。爐號1-3的C、Cr、Mo元素含量均大于前兩個爐號，DI值也高，淬火硬度也是最高的，與最低的DI值2.49相比，淬火硬度高了6.5HRC。由此可見，DI值與淬火硬度值是成正比關系的，也就是DI值高的材料其淬透性高于DI值低的。

（2）硼鋼的計算 根據(jù)A255標準，計算硼鋼DI值時，需先計算出材料無硼時的DI值和合金系數(shù)（不含碳元素的），然后查A255標準[1]里的表10得到硼系數(shù)FB值，則用無硼時的DI值乘以FB即可得到硼鋼的DIB值。具體細節(jié)不在此贅述。

4 實際應用

4.1 淬火工藝制定及調整

試驗用淬火工藝參數(shù)見表4。

表4 試驗用淬火工藝參數(shù)

進行淬火對比試驗，取3個爐批號的35CrMo鋼、規(guī)格為M30×90mm螺栓，在多用爐內使用1#工藝進行淬火，淬火后取樣檢測淬火硬度，測試部位為距離螺紋末端1倍直徑處的心部（檢測結果見表3）。

在此基礎上，對我公司購進的不同廠家35CrMo鋼進行了整理及計算，得到DI值數(shù)據(jù)，見表5。

表5 不同廠家35CrMo鋼DI值

由表5可看出，單從淬透性上來看，3個鋼廠生產的35CrMo鋼淬透性從差到好的順序依次為：A、B、C，從表3可看出，淬火硬度值隨DI值不同而有明顯的差異?；谡沓鰜淼匿搹SDI值，A、B鋼廠材料的產品采用2#工藝，C鋼廠材料的產品使用1#、2#工藝相對于1#工藝，將攪拌速度由300r/min提至700r/min，以提高冷卻速率，獲得了與C鋼廠材料產品用1#工藝相似的淬火硬度。2#工藝經過半年的跟蹤觀察，熱處理質量穩(wěn)定。

基于上面的工作，針對我公司的多用爐生產線，確定了當35CrMo鋼DI值達到3.35in時采用1#淬火工藝，DI＜3.35in（1in＝25.4mm）時采用2#淬火工藝。需強調的是，整個過程均針對相同規(guī)格、相同生產線。

4.2 淬火開裂的預估及工藝調整

在2022年初，新使用D鋼廠42CrMo（ZY1）鋼的產品在多用爐生產線熱處理過程中，曾多次出現(xiàn)產品開裂現(xiàn)像，嚴重時開裂比例高達28%。影響熱處理質量的因素是很多的，尤其是導致開裂的因素，諸如原材料成分、原材料缺陷、產品結構、淬火工藝參數(shù)、淬火冷卻介質的穩(wěn)定性、產品臨界半徑，以及產品工藝路線等。在我公司，由于一個爐號涉及到的產品規(guī)格有限，因此相同規(guī)格及性能等級產品其成形工藝基本上也一樣，導致淬火開裂除了熱處理設備、熱處理工藝參數(shù)外，就是原材料的問題。因相同時期內，設備狀況是清楚的，在此期間其他鋼廠（E、F、G鋼廠）42CrMo鋼制成相同規(guī)格及性能等級的產品在相同的多用爐生產線上采用3#工藝進行熱處理，從未產生熱處理開裂，說明問題就出在原材料上。為此，對4家鋼廠的42CrMo鋼原材料多個爐批號成分進行了分析，并計算出各爐批號的DI值，見表6。

表6 42CrMo鋼DI值

從表6可看出，從DI值來看，4個鋼廠的42CrMo鋼的淬透性從差到好的順序依次為：G、E、F、D（ZY1）。D鋼廠ZY1的DI值特別明顯地高出另3個鋼廠的產品，達到了7.293in，表明其淬透性相對其他3家的產品是非常好的。對此，經多次驗證后單獨制定出4#工藝，將快速攪拌速度從之前3#工藝的700r/min逐步降低至200/min，經過4個月的跟蹤，心部硬度值均可達到55HRC，且無開裂。而對于D鋼廠的ZY2，因其DI值4.644處于F鋼廠的DI值范圍內，所以與F鋼廠的一樣使用3#工藝，快速攪拌速度為700r/min，心部硬度達到52～54HRC，至今未發(fā)現(xiàn)開裂。

在此基礎上，可以確定當DI≥7in時，采用3#工藝會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而采用4#工藝則不會產生開裂。后期需要完善的是當DI＝5.5～7in時，采用4#工藝也不會產生開裂，當然，這首先需要采購的42CrMo鋼成分達到這個對應的DI范圍值。

4.3 回火工藝調整

回火一般都在熱處理的結束階段，如果回火工藝不當，則有可能導致產品需要重新回火，嚴重的可能需要重新淬火，不論出現(xiàn)哪種情況都會浪費成本和時間。為此，以35CrMo鋼12.9級M36×330mm材料為對象進行了考察，相關數(shù)據(jù)匯總見表7。

表7 M36×330mm 3個爐號多用爐熱處理工藝、DI值、硬度、抗拉強度匯總

由表7可知，相同淬火工藝情況下，爐號1-4的DI值為3.33in，大于爐號1-5的2.83in，雖然回火溫度提高了10℃，抗拉強度值卻提高了64MPa。對爐號1-4產品進行重回火后進行的測試，達到與爐號1-5相近的抗拉強度。由此可見，DI值為相同淬火工藝情況下回火工藝調整提供了方向，對于相同規(guī)格、相同性能等級要求的產品，DI值高時，回火溫度也應提高，根據(jù)表7可得出，DI值相差0.5in時，則回火溫度相差25℃。為此，以DI值2.8in為參照制定了回火溫度450℃基準，當DI值變化0.5in時，回火溫度應相應變化20℃的準則，減少了產品由于回火不合格而導致重新淬火帶來的成本高、開裂等風險，同時也節(jié)約了試驗成本及時間。

5 結束語

通過使用DI值在材料化學成分與熱處理工藝之間建立了直接聯(lián)系，對緊固件淬火、回火工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化，給出了一種量化的參考方案，減少了工藝試驗次數(shù)和試驗成本，值得推廣應用。