SCM435合金鋼的退火工藝研究

王斯華 劉崇堯

（東莞科力線材技術有限公司，廣東 東莞 523200）

SCM435冷鐓鋼是制造10.9～12.9級高強度標準件的主流鋼種[1]，是緊固件行業(yè)的重要原材料，由于其組織與性能不能完全滿足冷鐓成型的要求，在冷鐓過程中容易出現(xiàn)裂紋、開裂，進而產(chǎn)生大量廢品[2]。而合金鋼的球化退火對均勻組織、降低硬度和提高塑性具有重要意義。球化效果對冷鐓合格率影響較大，目前，根據(jù)不完全統(tǒng)計，每年由球化退火不當導致材料在冷鐓成型及后續(xù)加工工序中出現(xiàn)開裂、斷裂的報廢產(chǎn)品超出總產(chǎn)量的5%，同時，球化退火在緊固件生產(chǎn)過程中需要長時間加熱，是最耗時、耗能的工序[3]。因此，研究SCM435合金鋼的球化退火工藝，對提高冷鐓合格率、降低生產(chǎn)成本、保護環(huán)境和節(jié)約能源都具有重要意義。

對于含碳量不同的鋼材，即便使用相同的球化退火工藝，取得的球化效果也不一樣，因此，對于特定含碳量的鋼材，制定球化退火工藝需要經(jīng)過大量試驗和研究。該文從企業(yè)的實際需求出發(fā)，對SCM435合金鋼進行球化退火試驗研究，提出SCM435合金鋼的球化退火工藝，使球化退火后的SCM435合金鋼具備優(yōu)良的組織和力學性能，解決了生產(chǎn)中報廢率高和質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

1 試驗

1.1 試驗材料與試驗方法

試驗選用直徑為15mm的SCM435合金鋼熱軋線材進行退火，其化學成分見表1。球化退火采用井式爐，該爐為周期式加熱爐。試驗采用裝載試驗，該熱處理爐最大裝爐量為12t，溫度控制范圍為0℃～980℃。

表1 SCM435合金鋼的化學成分（wt.%）

在標準件廠，經(jīng)常用到的球化退火熱處理主要有[4]亞溫退火熱處理、等溫球化退火熱處理、周期球化退火熱處理和一般球化退火熱處理（緩冷法）。等溫球化退火工藝是將試樣加熱至略低于Ac1點（加熱時珠光體向奧氏體轉變的開始溫度）的溫度，然后經(jīng)過長時間保溫，使鋼中的片狀碳化物自發(fā)球化成球狀碳化物。大部分鋼種均可以采用等溫球化熱處理，特別適用于對球化質(zhì)量要求較高的冷鐓鋼和難以球化的鋼。與普通球化相比，等溫球化熱處理可以減少退火時間。結合標準件生產(chǎn)經(jīng)驗和工廠實際使用的常規(guī)球化退火工藝，該文采用等溫球化退火方式，其熱處理工藝如圖1所示。將SCM435合金鋼試樣在退火爐中加熱至保溫溫度（T1），保溫一定時間（t1），然后以25℃/h冷卻至等溫溫度（T2），保溫一定時間（t2），再隨爐冷卻至小于550℃時出爐空冷。

圖1 等溫球化退火曲線

1.2 分析檢測

1.2.1 金相組織

將SCM435合金鋼樣品用不同的砂紙由粗到細依次磨制，直至表面基本無刻痕，然后在拋光機上進行拋光，拋至樣品表面呈光滑鏡面為止。再將拋光好的樣品沖洗干凈，滴一滴乙醇后吹干，采用含量為4%的硝酸乙醇進行表面腐蝕處理。待腐蝕面呈淺灰色再沖洗、吹干。腐蝕好的樣品可以直接放在光學顯微鏡下進行觀察，并拍攝金相照片。

1.2.2 硬度測試

試驗過程載荷選用0.3kgf。使用顯微維氏硬度計（402MVA），根據(jù)GB/T4340.1—2009金屬材料維氏硬度試驗的第1部分（試驗方法）標準對球化退火后SCM435合金鋼硬度進行測試。

2 結果與分析

2.1 保溫溫度對SCM435合金鋼組織的影響

粒狀滲碳體的形成與碳原子的擴散密不可分，要保證碳原子能有效擴散，保溫溫度的選擇尤為重要[5]。保溫溫度是保證球化的首要條件。如果保溫溫度過高，就會導致滲碳體溶解過多，球化核心大幅減少，退火后易獲得片狀珠光體；如果保溫溫度過低，將導致滲碳體溶解較慢，甚至可能使珠光體中的部分片狀滲碳體被保留下來，使退火后的合金鋼硬度較高[5]。因此，正確選擇保溫溫度是獲得好的球化組織的關鍵。

將SCM435合金鋼試樣分別在退火爐中加熱至760℃、770℃、780℃、790℃，保溫3h，然后以25℃/h冷卻至700℃保溫5h，在<550℃時出爐空冷。對樣品進行金相分析，如圖2所示。由圖2可以清晰地看出SCM435合金鋼的球化效果，經(jīng)不同保溫溫度退火后，SCM435合金鋼的顯微組織為鐵素體和細小球狀碳化物。隨著保溫溫度的升高，球狀滲碳體在基體中分布更均勻，球狀滲碳體晶粒細小，且沒有出現(xiàn)粗大滲碳體。但是當溫度升至790℃時，出現(xiàn)了少量的滲碳體聚集。對于SCM435合金鋼，保溫溫度選擇780℃，可以達到較好的球化效果。

圖2 不同保溫溫度退火后SCM435鋼的金相組織

2.2 保溫時間對SCM435合金鋼硬度的影響

保溫時間也是影響球化效果的重要因素之一。如果保溫時間過長，得到的球化組織往往不均勻，達不到良好的球化效果；如果保溫時間過短，原始組織中的片狀滲碳體難以破碎，導致合金鋼球化后硬度偏高。將SCM435合金鋼在780℃的溫度下分別保溫2h、3h、4h、5h，然后以25℃/h緩慢冷卻至700℃保溫5h，在<550℃出爐空冷，得到退火態(tài)樣品，采用硬度計對樣品進行硬度測試，結果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著保溫時間的延長，SCM435合金鋼的硬度值明顯降低，但當保溫時間超過3h后，鋼的硬度值緩慢上升。因此，經(jīng)退火后可以降低SCM435合金鋼硬度，提高SCM435合金鋼的塑性。因此，保溫溫度和保溫時間對SCM435合金鋼的球化具有關鍵作用。

圖3 SCM435鋼的硬度隨保溫時間的變化關系

選擇合適的保溫溫度和保溫時間可以保留一定數(shù)量的殘留碳化物，并使殘留碳化物的尺寸和數(shù)目達到最佳值，作為冷卻時碳化物析出的形核質(zhì)點。在共析轉變中，碳化物會最先在殘留碳化物表面析出。雖然點狀殘留碳化物能作為冷卻時碳化物析出的形核質(zhì)點，但是碳化物并不是全部以點狀殘留碳化物為形核質(zhì)點進行析出。當點狀殘留碳化物數(shù)目太少時，不能提供足夠的位置供給大量的碳化物析出，只有一部分碳化物以殘留碳化物為成核質(zhì)點并以顆粒狀析出，另一部分碳化物將直接從基體以短棒狀析出。顯然，組織中殘留碳化物的數(shù)目越小，析出的顆粒狀碳化物就越少。在接下來的碳化物球化長大的過程中，碳化物的球化長大是通過小粒子溶解并在大粒子上重新析出的方式實現(xiàn)的，以界面能的降低為驅動力。在共析轉變中，當殘留碳化物全部溶解或以片狀存在時，碳化物就完全以片狀形式析出，所處狀態(tài)比較穩(wěn)定，只有經(jīng)過較長時間的保溫，才有可能轉變成球狀。當組織中的點狀殘留碳化物數(shù)目較多時，碳化物則以短棒狀或顆粒狀析出，其界面能小，曲率半徑小，很容易溶解，所處狀態(tài)不穩(wěn)定，在后期的冷卻過程中非常容易長大，球化熱處理結束后能得到完全的球化組織。

2.3 等溫溫度對SCM435合金鋼組織的影響

在等溫階段，奧氏體中的碳化物通過擴散遷移到殘留碳化物核心處并析出成球形。為了研究等溫球化退火中等溫溫度對球化效果的影響，該文將SCM435合金鋼加熱至780℃等溫3h，然后以25℃/h分別冷卻至680℃、690℃、700℃、710℃并等溫5h，隨爐冷卻至<550℃出爐空冷。在金相顯微鏡下觀察SCM435合金經(jīng)不同等溫溫度熱處理后的組織，結果如圖4所示。從圖4可以看出，經(jīng)不同等溫溫度熱處理后，SCM435合金組織分布及碳化物的形態(tài)均發(fā)生變化。組織基體為鐵素體，鐵素體基體上彌散分布粒狀（或球狀）碳化物。等溫溫度為700℃時，球狀碳化物在基體中的分布最均勻。

圖4 不同等溫溫度退火后SCM435鋼的金相組織

2.4 等溫時間對SCM435合金鋼組織和硬度的影響

將SCM435合金鋼加熱至780℃保溫3h，然后以20℃/h冷卻至700℃，分別等溫3h、4h、5h、6h，隨爐冷卻至<550℃出爐空冷。研究等溫時間對球化效果的影響，用硬度計測試球化退火后的SCM435合金鋼的硬度，結果如圖5所示。在等溫時間3h～5h內(nèi)，SCM435合金鋼的硬度隨等溫時間延長而降低。當?shù)葴貢r間為3h時，SCM435合金鋼的硬度值為158HV0.3；當?shù)葴貢r間為5h時，SCM435合金鋼的硬度值降至142HV0.3；當?shù)葴貢r間為6h時，SCM435合金鋼的硬度值有所上升。主要原因是等溫時間過長，滲碳體容易長大，導致硬度升高。同時等溫時間過長，會消耗更多能源，提高了生產(chǎn)成本。由此可知，等溫球化退火可顯著降低SCM435合金鋼的硬度，使其能滿足冷鐓成型的要求，有效減少了冷鐓過程中的裂紋、開裂和掉頭等現(xiàn)象，降低了報廢率。

圖5 SCM435鋼的硬度隨等溫時間的變化關系

3 結論

該文以SCM435合金鋼為研究對象，對SCM435合金鋼的球化退火進行研究，通過大量試驗研究得出的結論如下。1）采用等溫球化退火工藝對SCM435合金鋼進行熱處理可以得到較好的球化效果。2）經(jīng)球化退火后，SCM435合金鋼的組織比球化前有明顯改善，硬度可以達到冷鐓的技術要求。3）SCM435合金鋼的最佳球化退火工藝為隨爐加熱至780℃保溫3h，隨爐冷卻至700℃保溫5h，然后隨爐冷卻至550℃空冷。