5.如何对中碳钢SWRCH35K进行亚温球化退火?
通常采用中碳钢或中碳合金钢来制造8.8级及其以上的高强度紧固件,其典型的生产流程主要包括:热轧线材—球化退火—拉拔—冷镦—滚丝—淬火回火—表面处理。其中球化退火的主要目的是使钢材获得足够的塑性以满足冷镦成型的要求。在冷镦成型过程中材料往往要承受70%~80%的总变形量,因而要求原材料的塑性好,硬度尽可能低。再制造高强度紧固件过程中,球化退火处理是目前紧固件制造过程中最为耗时、耗能的工序,其周期大约需要12~24h。因此,紧固件制造行业迫切希望能够简化球化退火工艺,缩短球化退火处理时间。
球化退火工艺,根据其工作原理,可主要分为:亚温球化退火、缓慢冷却/等温或周期循环球化退火(以下称双相区球化退火)、淬火+高温回火、形变球化退火等。多数冶金和紧固件企业通常采用图2-18(a)所示的工艺对其材料进行球化退火处理。认为在临界点A1以下温度等温使碳化物球化的周期太长,因而生产中很少采用图2-18(b)所示的亚温球化退火工艺。然而对于现代高速线材生产线生产的冷镦钢线材,采用图2-18(b)工艺对其材料进行球化退火处理,可以节约能源和减少球化退火时间。相关对中碳合金钢的研究表明,对于经斯太尔摩控冷线快速冷却得到的细珠光体组织,在A1点以下的较高温度进行亚温球化退火处理可显著加快渗碳体的球化进程。
图2-18 典型球化退火处理工艺示意图
例如,某研究单位选用制作8.8级高强度螺栓的试验料为中碳钢。工业生产的常规轧制和控轧控冷的中碳钢SWRCH35K的化学成分见表2-4,试验材料热轧态的微观组织形貌如图2-19所示。
表2-4 试验材料的化学成分(质量分数wt%)
图2-19 试验材料热轧态的微观组织形貌
用软件计算的中碳钢SWRCH35K钢的A1点和A3点分别为719℃、786℃。如按某研究单位提供的双相区球化退火工艺参数(1)与亚温球化退火;(2)将其表2-4所提供的材料进行球化处理并加工成标准拉伸试样(10=5d0,d0=4mm)和金相、硬度试样,并进行室温拉伸试验。可得到图2-20与图2-21所示的碳化物球化情况。
(1)双相区球化退火,加热到θ1=750℃,保温t1=2h后,炉冷(约2℃/min)到θ2=700℃保温t2=0~20h后空冷;
(2)亚温球化退火,加热到θ0=630~700℃,保温t0=1~16h后空冷。
比较图2-19、图2-20与图2-21,可见对于CR热轧态料,由于轧后冷却速度较快,因而珠光体片层间距十分细小,少量珠光体退化,如图2-19(a)所示;而对于CRC热轧态料,尽管珠光体片层间距相对粗大,平均片层间距约0.20μm,但是部分珠光体发生退化,渗碳体呈短棒状或颗粒状,部分渗碳体片产生扭折甚至断开,如图2-19(b)所示。
而经双相区球化退火处理后的SWRCH35K钢碳化物球化情况(如图2-20所示)与图2-19有很大区别。对于CRC料,双相区球化退火处理在θ2温度700℃未保温时组织为先共析铁素体+片层状珠光体,如图2-20(a)所示,其中的片层状珠光体是从750℃炉冷到700℃时未转变的奥氏体在随后的空冷过程形成的;保温2h后即有部分渗碳体溶断、球化,此时组织中粗大的珠光体是在炉冷或在700℃等温过程中形成的,而十分细小的珠光体则是未转变的奥氏体在随后的空冷过程中形成的,如图2-20(b)所示;此后,随着保温时间的延长,碳化物球化率继续提高,并按照Ostwald熟化机制长大,且分布更加均匀,如图2-20(c)所示。值得注意的是,双相区球化退火处理过程中,所用材料即使经过20h的长时间保温,仍有少量未球化的片状渗碳体,这表明要使SWRCH35K钢得到全部球状渗碳体比较困难。CR料的碳化物球化行为如图2-20(d)、(e)所示与CRC料类似,只是其碳化物球化进程明显落后于CRC试验材料。
图2-20 CRC和CR试验料经双相区球化退火(700℃)处理后的碳化物球化情况
注:此处所给出的保温时间为t2,不包括保温时间t1。
SWRCH35K中碳钢材料经亚温球化退火后的碳化物球化情况如图2-21所示。由图可见,该材料在700℃保温2h后渗碳体大部分变成短棒状或颗粒状,渗碳体的球化率大约在60%以上,相比双相区球化退火工艺,此时的亚温球化退火整个保温时间至少缩短了2h。同样,CR试验材料的碳化物球化进程明显也落后于CRC试验料。
图2-21 CRC和CR试验料经亚温球化退火(700℃)处理后的碳化物球化情况
例如,定义渗碳体颗粒的最大尺寸与最小尺寸的比值≤3时的渗碳体颗粒数与渗碳体颗粒总数的比值为渗碳体的球化率。比较CRC热轧材试验料经双相区球化退火和亚温球化退火处理后的渗碳体球化率随等温时间的变化(如图2-22所示),可见在等温初期,随着等温时间的延长,两种球化退火的球化率均显著增加,但当等温时间超过约8h(亚温球化退火)或12h后,双相区球化退火SWRCH35K中碳钢的球化率提高的幅度很小。这主要是由于退火过程中一方面不断有新的片状渗碳体溶断、球化,使球化的渗碳体数量增加,另一方面又不断有渗碳体颗粒按照Ostwald熟化机制长大,使球化的渗碳体数量减少。因此,综合作用的结果是球化率随着等温时间的延长而先迅速增加,而后增加趋势变缓。但总体来看,SWRCH35K中碳钢亚温球化退火的渗碳体球化率要高于双相区球化退火的球化率,尤其是这种差异在退火早期表现得更突出一些。
图2-22 CRCSWRCH35K中碳钢经双相区和亚温球化退火处理后的碳化物球化率随等温时间的变化曲线
图2-23(a)、(b)分别示出CRCSWRCH35K中碳钢试验料经双相区球化退火和亚温球化退火处理后的断面收缩率和抗拉强度随等温时间的变化。由图2-23可见,对于双相区球化退火,随着等温时间的延长,强度急剧降低,塑性得到明显改善,当等温时间延长到8~10h(在700℃等温时间6~8h)后,强度缓慢降低,而塑性却有所降低;对于亚温球化退火,随着等温时间的延长,强度缓慢降低,塑性缓慢提高。在等温时间超过约5h后,亚温球化退火处理试样的抗拉强度稍高于双相区球化退火处理的试样,如图2-23(b)所示。产生这种现象的主要原因是由于亚温球化退火处理后材料中渗碳体比较细小的缘故,如图2-20和图2-21所示。亚温球化退火处理后材料的断面收缩率也高于双相区球化退火后材料的断面收缩率如图2-23(a)所示。从图2-23(c)、(d)中可见,对于双相区球化退火处理,CR试验料的强度略高于CRC试验料;而对于亚温球化退火处理,两种试验料的强度差别不大。
图2-23 不同状态的CRC和CR试验料的力学性能随等温时间的变化
图2-24是在不同等温温度下CR态SWRCH35K中碳钢试验料的抗拉强度随等温时间的变化。可见,无论对于双相区球化退火还是亚温球化退火处理,随着等温时间的延长,强度逐渐降低;而随着A1以下等温温度的升高,强度逐渐降低,这主要是由于等温温度过低使得碳原子的扩散比较困难,从而延缓渗碳体球化进程的缘故。
图2-24 CR试验料的抗拉强度随等温时间的变化
由以研究可见,与传统的双相区球化退火相比,SWRCH35K中碳钢在亚温球化退火的等温初期(≤5h),碳化物即大部分球化,因而钢的强度明显低于前者,塑性明显高于前者;继续延长等温时间,亚温球化退火钢的强度高于传统的双相区球化退火,其塑性也高于前者。这主要是亚温球化退火钢的碳化物比较细小、球化率高的缘故。
对于经过控轧控冷、具有细珠光体组织的中碳钢线材,与传统的双相区球化退火工艺相比,采用亚温球化退火处理可明显缩短球化退火时间,同时具有良好的塑性和冷成型性,因而具有明显的节能降耗、提高生产效率的作用。