汽車緊固件用SCM440球化退火工藝研究

王 楊，周 律，鄧 偉，張義為

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035； 2.寧波長華長盛汽車零部件有限公司，浙江 寧波 315300)

中碳鋼CrMo常用于制造10.9～12.9級高強緊固件，主要以SCM435和SCM440為代表，被廣泛應用于汽車、軌道交通、工程機械和橋梁等領域里。其中，SCM440主要用于制作12.9級螺栓，SCM435主要用于制作10.9級螺栓。一般來說，SCM435、SCM440在制作螺栓前，需要將原材料進行精線改制，以滿足各種零件冷鐓成型的需求。目前，針對不同零件所采用的精線改制工藝主要分為三種[1]：兩球兩拉(球化退火-拉拔-球化退火-拉拔)、一球兩拉(拉拔-球化退火-拉拔)和一球一拉(球化退火-拉拔)。采用兩球兩拉和一球兩拉工藝，精線球化效果較好，冷鐓性能優(yōu)良，適用范圍較廣；而對于一球一拉工藝，由于球化退火前缺少預變形工序，球化工藝不當很容易引發(fā)冷鐓開裂。

目前，有關SCM435球化工藝的研究較多。田新中等[2]研究了原始組織及退火工藝對SCM435盤條退火行為的影響。南鵬飛等[3]采用兩相區(qū)+亞溫區(qū)球化退火工藝，研究亞溫區(qū)不同保溫溫度和時間對SCM435球化效果的影響。王利[4]研究了球化退火組織對SCM435螺栓性能的影響。邱木生等[5]研究了雙相區(qū)退火和亞溫球化退火工藝對SCM435鋼組織和力學性能影響，結果表明，采用亞溫球化退火工藝能獲得更好的綜合性能，且最佳工藝為720 ℃保溫5 h。程吉浩等[6]研究了不同熱軋態(tài)組織對合金結構鋼42CrMo球化率的影響，結果表明原始組織越接近平衡態(tài)，越不容易發(fā)生球化。

李凱等[7]測定了42CrMo鋼連續(xù)冷卻轉變曲線，并采用DIL805L相變淬火膨脹儀測定各個相變點。楊偉光等[8]采用Gleeble-3800熱模擬試驗機繪制了42CrMo4鋼連續(xù)冷卻轉變曲線，并借助熱膨脹儀測定了各個相變點。本文采用JMatPro軟件基于表1成分要求，模擬SCM440連續(xù)冷卻轉變曲線，如圖1所示。由圖1可知，SCM440相變點Ac1約742 ℃，Ac3約778 ℃。

圖1 SCM440連續(xù)冷卻轉變曲線

1 實驗材料與方法

實驗材料為某高速線材廠熱軋態(tài)SCM440盤條，原材料化學成分見表1。

表1 SCM440盤條化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

本文以汽車緊固件用SCM440盤條為研究對象，研究了不同熱軋態(tài)組織及球化退火工藝對球化效果的影響，以滿足一球一拉工藝需求。為了研究不同球化退火工藝對SCM440球化效果的影響，制定試驗方案見表2。

表2 球化退火工藝

2 結果與討論

2.1 金相組織觀察

采用蔡司顯微鏡對SCM440金相組織進行觀察，研究不同原始組織對球化效果的影響，如圖2、圖3所示。

熱軋態(tài)組織為貝氏體型時，試樣組織主要為貝氏體，含有少量鐵素體+珠光體+馬氏體，如圖2(a)所示。球化退火后試樣的球化組織如圖2(b)～2(f)所示。圖2(b)、2(c)為亞溫區(qū)球化退火，組織為鐵素體+顆粒狀滲碳體+少量短棒狀滲碳體，隨著保溫時間的延長，短棒狀滲碳體進一步減少，顆粒狀滲碳體分布更加彌散、均勻。圖2(d)、2(e)、2(f)為兩相區(qū)+亞溫區(qū)球化退火組織，隨著兩相區(qū)保溫時間的延長，片層狀和短棒狀滲碳體逐漸減少，顆粒狀滲碳體數(shù)量增加；隨著亞溫區(qū)保溫時間的延長，短棒狀滲碳體進一步減少且顆粒狀滲碳體分布更加彌散、均勻。因此，采用球化退火工藝Ⅴ，試樣的球化組織最佳。

(a)熱軋態(tài)；(b)工藝Ⅰ；(c)工藝Ⅱ；(d)工藝Ⅲ；(e)工藝Ⅳ；(f)工藝Ⅴ

熱軋態(tài)組織為鐵素體+珠光體時，組織為鐵素體+珠光體，如圖3(a)所示。球化退火后試樣的球化組織如圖3(b)～3(f)所示。圖3(b)、3(c)為亞溫區(qū)球化退火，組織為鐵素體+顆粒狀滲碳體+短棒狀滲碳體，隨著保溫時間的延長，短棒狀滲碳體進一步減少。圖3(d)、3(e)、3(f)為兩相區(qū)+亞溫區(qū)球化退火組織，隨著兩相區(qū)保溫時間的延長，片層狀和短棒狀滲碳體逐漸減少，顆粒狀滲碳體數(shù)量增加；隨著亞溫區(qū)保溫時間的延長，短棒狀滲碳體進一步減少且顆粒狀滲碳體分布更加彌散、均勻。因此，采用球化退火工藝Ⅴ，試樣的球化組織最佳。

(a)熱軋態(tài)；(b)工藝Ⅰ；(c)工藝Ⅱ；(d)工藝Ⅲ；(e)工藝Ⅳ；(f)工藝Ⅴ

2.2 硬度分析

為進一步評估不同球化退火工藝對SCM440球化效果的影響，采用洛氏硬度計進行硬度測試，結果見表3。由表3可知，針對貝氏體型熱軋態(tài)組織，采用亞溫區(qū)球化退火后硬度整體較高，隨著保溫時間的延長，硬度呈現(xiàn)下降趨勢；采用兩相區(qū)+亞溫區(qū)球化退火后，硬度明顯低于亞溫區(qū)球化退火，且隨著保溫時間的延長，硬度呈先升高后降低的趨勢。針對鐵素體+珠光體型熱軋態(tài)組織，采用亞溫區(qū)球化退火后硬度整體較高；采用兩相區(qū)+亞溫區(qū)球化退火后，硬度低于亞溫區(qū)球化退火，且隨著保溫時間的延長，硬度呈現(xiàn)出先升高后趨于平緩的趨勢。試樣硬度主要與滲碳體數(shù)量有關，采用球化退火工藝Ⅲ，試樣硬度最低，其次為球化退火工藝Ⅴ。

表3 球化退火前后硬度(HRB)

綜上所述，針對不同熱軋態(tài)組織狀態(tài)的SCM440，采用球化退火工藝Ⅴ更有助于冷鐓性能的提升，解決零件冷鐓開裂問題。

3 驗證試驗

采用6 ℃/min隨爐加熱至760 ℃保溫6 h，20 ℃/h隨爐降溫至720 ℃保溫12 h，20 ℃/h隨爐降溫至500 ℃，出爐空冷工藝，對SCM440盤條進行球化退火，不僅解決了因球化組織不良引起的冷鐓開裂問題，還縮短了球化退火時間約11 h，如圖4所示。

圖4 球化工藝改進前后

4 結論

針對中碳SCM440鋼，通過研究不同熱軋態(tài)組織及球化退火工藝對球化效果的影響，結論如下：

1)采用兩相區(qū)+亞溫區(qū)球化退火工藝，SCM440鋼的球化效果更好；

2)與鐵素體+珠光體熱軋態(tài)組織相比，貝氏體型熱軋態(tài)組織狀態(tài)的SCM440球化效果更好；

3)SCM440鋼的最佳球化工藝為6 ℃/min隨爐加熱至760 ℃保溫6 h，20 ℃/h隨爐降溫至720 ℃保溫12 h，20 ℃/h隨爐降溫至500 ℃，出爐空冷；

4)采用最佳球化退火工藝不僅可解決一球一拉精線改制后零件冷鐓開裂問題，還可大幅縮短球化退火時間。