淬火和回火方式对生产紧固件用合金结构钢强度水平影响的研究

草虫gg 2023-02-01 发布于四川

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Alexander Zaitsev等

1引言

以节约材料和能源的现代趋势要求减轻工程结构的重量，从而促使了更轻和更强的材料的发展，包括在汽车工业中也是如此^[1]。反过来，这些材料需要高强度的紧固件，从而可以减少紧固元件的尺寸。它们的传统制造工艺是钢丝的镦粗和/或冷锻^[2]。为了获得成品高指标的机械性能，它们要经过最终热处理，包括奥氏体化、淬火和回火^[3]。在过去的十年中，性能等级为8.8、9.8和10.9的结构螺栓已被广泛使用^[4]。同时，也开展了多项研究，开发了12.9和14.9等级的高强度螺栓(抗拉强度至少为1220 – 1400Mpa，屈强比大于0.9)^[5-7]。但是，对于钢种的选择及其大量生产，现有的资料还不够。

在全球的实践中，在生产高强度螺栓时，通常使用含硼、锰和铬的中碳合金钢，例如，10B21^[3]、20MnTiB^[3]、32CrB4^[3,8]、33B2^[6]、34Cr4^[3,6]和34CrNiMo6^[5]。这些合金化元素提高了强度和淬透性。硼合金化的一个特点是，在极低浓度(0.001%)时，淬透性显著增加^[9,10]。但硼在实际使用中起积极作用的同时，也导致了一些问题，这些问题与这种元素在钢中难以控制有关，因为它很容易形成硼氧化物、氮化物和碳硼化物。事实上，只有钢中存在的那部分硼，即在固溶体中，才有助于提高淬透性，而大量氧化硼、氮化硼和碳硼化物的形成则导致淬透性的降低^[11]。含硼钢的这一特征导致了零件淬火强化的不稳定性，生产含硼钢有一定的困难。其中，有冶金特性的困难：需要在钢铁冶炼过程中通过将氮、钛和铝的含量保持在给定水平来获得严格的归一化浓度。此外，根据制造的工艺特点和硼、碳的含量来选择热处理模式，目前还没有基于科学依据的指南。在很多情况下，硼钢没有足够的淬透性来制造大尺寸(直径)的紧固件。

因此，目前不仅在研制含硼钢来制造高强度螺栓，也在研制无硼钢。研究最多的钢是42CrMo^[12-14]。很少有人专门研究含碳量较低的钢，例如35CrMo^[15]和34CrNiMo6^[5,16]。同时，这些钢的硬化机制的实现是不同的，需要额外的研究。对于42CrMo，其较高的含碳量促进了更多碳化物的形成^[15]以及淬火后获得更细的晶粒。而且，通过改变淬火后的回火温度，就有可能改变碳化物析出相的数量，从而改变析出强化的贡献，实现不同水平的力学性能。

本研究的目的是研究用7种不同的钢种(含硼和不含硼)制造不同强度类别紧固件的可能性和条件。

2材料和方法

研究了工业生产中直径分别为22、21和19毫米的42CrMo4、32CrB4和40KhN2MA钢种的热轧圆钢，以及实验室生产中直径为20毫米的34CrNiMo6、31CrMoB2、32KhGMR和35KhNMFA钢种。其化学成分如表1所示。32KhGMR和35KhNMFA钢是实验性的，因为它们的成分是在这项工作中首次开发的。所有其他钢是制造紧固件常用钢。

表1 所研究钢的化学成分

根据钢铁图谱^[17]的数据，使用专有软件(Bardin TsNIIChermet, Moscow, Russia)确定每个钢种的奥氏体化温度(表2)。在以1℃/s的加热速率的情况下，均匀奥氏体应该形成的温度被作为“奥氏体化温度”，这大致对应于在炉中13-15分钟淬火紧固件的横截面上实现温度均匀分布的状态。在实际情况下，炉内的温度分布可能不同于理论计算，会差个10-15℃。

表2 所研究钢的奥氏体化温度值

为研究淬透性，将长度为150mm的样品在实验室管式电阻炉中加热至选定的研究温度（加热时间15分钟），然后保温45分钟，然后淬入油。从获得的样品中，在长度方向中间部位，切割出高度为5 mm、直径与轧制产品相同的圆柱，并使用Struers Duramin-20试验机制作显微切片来研究显微硬度。根据图1所示的方案，在显微切片的三个不同区域测量了维氏显微硬度。

图1 圆棒试样横截面显微硬度测量的常规方法

将长度为65 mm的热轧钢样品根据所选择的方式进行奥氏体化处理，然后进行油淬火。淬火后，样品在实验室管式电阻炉中回火60分钟，温度分别选择450、500和550℃。回火温度是根据文献[8]的结果选择的。该文献表明：当32CrB4轧制产品的回火温度降低，特别是低于450℃，相对伸长率急剧下降。此外，研究了在400-550℃回火后，由40KhN2MA钢制成的热轧圆棒产品微观组织的形成。

为研究炉内保温时间的影响，分别选择了30、45、60、75和90min。将热处理后的样品车成直径为5mm、长度为25mm的样品来测定力学性能。测量是在INSTRON-150LX拉伸试验机上进行的。

使用扫描电子显微镜（JEOL JSM6610LV）对微观结构进行研究。

3结果与讨论

3.1研究的材料的淬透性

根据图1所示方案，基于显微硬度的测量，所有考虑的钢的轧制产品的淬透性的研究结果如表3所示。从表3的数据可以看出，对于所有被研究的轧制产品样品，硬度的分布是均匀的，即硬度从表面到轴心区没有规律地下降超过5%(相对)。同时，对于所有考虑的钢的样品，包括不含硼的钢（40KhN2MA，34CrNiMo6，35KhNMFA），除42CrMo4钢外，偏差均小于1%。这表明所研究的钢具有足够高的淬透性。

表3 热轧试样淬火后维氏显微硬度的测定结果

3.2温度和回火时间的影响规律

为确定回火温度和时间的最佳参数，研究了回火温度对40KhN2MA钢在400 ~ 550℃淬火回火后热轧圆钢产品微观组织形成的影响。图2显示了40KhN2MA钢在850℃的温度下奥氏体化45分钟后随后油淬的组织。

图2 在850℃奥氏体化45min随后油淬火后，40KhN2MA钢样品的微观结构。

图2显示，经过奥氏体化处理后，40KhN2MA钢具有均匀的马氏体组织。图3显示了这种钢在回火温度为400、425、450、500、550℃一小时的微观组织。从图3可以看出，在400和425℃回火温度下，直接看到马氏体里只有初始阶段形成的亚微米碳化物沉淀。从450℃和更高的温度开始，沿着马氏体的边界，碳化物析出相的形成量急剧增加，这弥补了马氏体逐渐分解导致的强度下降。这当然是更好，因为金属内应力显著降低，而内应力可能会对高强度紧固件的机械性能和其他使用性能产生不利影响。因此，这些数据解释了在回火温度低于450℃时，圆棒的塑性下降^[8]。

图3 热轧圆棒样品40KhN2MA钢淬火和回火1小时的微观结构。回火温度：(a,b) 400℃；(c, d) 425℃；(e, f) 450℃；(g h)500℃；和(i,j) 550℃。箭头指向碳化物。

为了确定最佳回火时间，研究了其对42CrMo4钢热轧圆棒力学性能的影响。机械性能的测定结果见表4和图4。从表4和图4中的数据来看，在500℃的温度下，对调查的各个回火时间长度，都达到了12.9属性级别所需的机械性能。然而，应该注意的是，回火时间为45min的时候，检测到断面收缩率下降。由于在所研究的温度下使用60-90 min回火时，达到了必要的强度性能，金属的塑性略有增加，因此使用此范围内的回火时间为宜。

表4 热轧42CrMo4钢样品在500℃淬火后回火不同时间后的力学性能

图4 500℃回火时间对42CrMo4钢力学性能的影响：(a)抗拉强度；(b)屈服强度；(c)相对伸长；(d)断面收缩率；(e)显微硬度。

3.3用所研究的钢制造各种性能等级紧固件的可能性和条件的探讨

从研究钢热轧圆棒在不同温度下淬火和回火后的力学性能的测定结果见表5。

表5热轧圆棒淬火后在不同温度下回火的力学性能

从表5可以看出， 42CrMo4、34CrNiMo6和32KhGMR钢的轧制产品，在450和500℃的温度回火后，达到12.9性能等级；40KhN2MA、31CrMoB2和32CrB4钢的轧制产品，只在450℃的温度回火后达到。应该注意的是，在文献[5]中的34CrNiMo6钢，含有wt.% 0.035 C - 0.649 Mn-0.129 Si-1.616 Cr-1.554 Ni-0.250 Mo-0.013P-0.008 S，在520℃回火60分钟后获得类似的结果。抗拉强度、屈服强度和断面收缩率分别为1300 MPa、1230 MPa和61%。

35KhNMFA钢轧制的产品主要满足超高强度性能等级14.9级的要求，在550℃或更高的回火温度下，有明显的可能性获得性能等级12.9的紧固件。强度性能最低的是32CrB4和31CrMoB2钢。在500℃的温度回火后，他们对应的属性等级为10.9。

在文献[6]中，研究了类似成分的KNDS4钢，wt.% 0.39 C-0.45 Mn-0.05 Si-0.004 P-0.006 S-0.033 Al-1.07 Cr-1.09 Mo-0.042 Ti-0.085 V。在925℃进行60分钟奥氏体化处理后淬火、在550℃进行90分钟回火处理后，其抗拉强度和屈服强度分别高于35KhNMFA钢：1504 MPa和1267 MPa。同时，屈服强度与抗拉强度之比仅为0.84，而对于35KhNMFA钢来说，这个值为0.95。作者将高抗拉强度归因于较高的奥氏体化温度和奥氏体化处理过程中合金元素的完全溶解，这增加了回火过程中析出的碳化物的体积分数。显然，这也得益于较高的碳和钼含量。根据文献[18-20]，在钢中钼成分的的存在，促进了碳化物析出相的形核，抑制了碳化物析出相的生长，从而增加了弥散强化的贡献。

值得注意的是，所有考虑的钢轧制产品的相对伸长率和断面收缩率，在研究的回火温度范围为450至550℃的情况下，均满足紧固件性能等级12.9的要求。因此，回火温度范围被细化以确定区间，在这个区间内，42CrMo4和34CrNiMo6钢的所有机械性能的值都达到了紧固件性能等级12.9的要求。对于32CrB4、40KhN2MA、31CrMoB2和32KhGMR轧钢，也分析了回火温度，达到了性能等级10.9的要求。

图5钢轧制产品的抗拉强度和HV硬度与回火温度的关系。(a,b) 42CrMo4；(c,d) 32CrB4；(e,f) 40KhN2MA；(g,h) 34CrNiMo6；(i,j) 31CrMoB2；(k,l) 32KhGMR；和 (m,n) 35KhNMFA。橙色水平线对应12.9级性能最大值和最小值，绿色线对应10.9级。

图5显示了根据回火温度得到的抗拉强度和显微硬度值。水平线表示性能等级为12.9和10.9的紧固件的抗拉强度和维氏硬度值的上下限。通过线性插值方法进行的图形分析使框定达到所需机械性能的回火温度的上下限成为可能(表6)。

表6达到性能等级10.9和12.9力学性能的回火温度的上下限，以及发现的温度范围的算术平均值

对表6中的数据的分析表明，由42CrMo4, 40KhN2MA, 34CrNiMo6和32KhGMR钢制成的圆棒，满足性能等级12.9的要求，可以在较宽的温度范围（约60-70℃）内回火后获得。对于31CrMoB2轧制产品，可用的回火温度区间极窄。由于技术上的困难，这可能会导致机械性能拒收概率的增加。

40KhN2MA和32KhGMR钢可用于制造12.9和10.9两种性能等级的紧固件。同时，与40KhN2MA钢相比，32KhGMR可在更宽的回火温度范围获得10.9性能等级。此外，可以假设，由于需要使用较高的回火温度和较低的碳含量，由32KhGMR钢制成的产品将具有更高的使用性能，包括疲劳强度。

得到的数据表明，用32CrB4不仅可以制造10.9级的紧固件，通过增加回火温度至540-600℃，也可以制造较低级别的，包括8.8和9.8级。尽管有可能达到性能等级12.9对应的强度特性值，但很明显，必须使用极窄的回火温度范围(表6)。因此，最好使用32CrB4钢来制造性能等级10.9的紧固件，如果有必要，还可以制造8.8和9.8级。

目前，性能等级14.9的紧固件所要求的性能还没有列入ISO 898-1-2013中(σb≥1400Mpa， σ0.2≥1260 MPa)，所以没有在图5（m,n）中显示。通过线性插值方法进行的图形分析表明，在回火温度低于520±5℃的情况下，35KhNMFA钢，对应的性能等级为14.9，其机械性能的实现得到了保证。因此，要获得超高强度的紧固件，建议回火温度为480-520℃。从以上获得的强度特性下降与回火温度的关系，允许我们做一个假设：要用35KhNMFA钢达到性能等级12.9，有可能在一个非常大的范围内回火，（回火温度）高达700℃，这需要在进一步的研究确认。

因此，针对各种化学成分的钢，分析了回火温度对满足ISO 898-12013中各种性能等级要求的机械性能的影响。图6显示了所研究钢种的总结图。

图6不同牌号轧钢的抗拉强度与回火温度的关系

从图6的数据可以看出，对于35KhNMFA钢，其抗拉强度对回火温度的依赖性斜率远小于其他所有钢。35KhNMFA钢与其他牌号钢的区别在于其成分中V的存在。回火温度的升高导致钒的碳氮化物分散析出相的形成，对钢的弥散强化有显著贡献。因此，马氏体回火导致的强度损失在很大程度上是由钒的碳氮化物相的形成来补偿了。这证明了使用最高强度类别的含钒钢制造紧固件的巨大前景。