鋼材熱處理之: 緊固件的網帶爐滲碳熱處理
螺紋緊固件中的自攻螺釘、自攻鎖緊螺釘不但要求具有較高強度、耐磨性，同時還要求心部具有足夠的韌性和塑性，不論低碳鋼或者中碳、中碳合金鋼制造，都需要通過滲碳或碳氮共滲淬火處理，以達到設計和使用的需要。
滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程，使鋼件表面化學成份接近高碳鋼，讓低碳鋼具有高碳鋼的硬度、耐磨性和疲勞強度，滲碳材料一般為低碳鋼或低碳低合金鋼。
傳統的氣體滲碳技術，其滲碳過程一般分為分解、吸附和擴散三個階段。而目前緊固件企業使用量較多的是網帶爐滲碳，該設備的碳勢主要是通過爐體中后部的氧探頭來測量并控制整個爐膛的碳勢分布，其技術的不足是工件在滲碳期始終處于高碳勢狀態，難以獲得良好的滲層碳濃度梯度分布。
為深入了解網帶爐爐內氣氛的分布以及影響產品質量的因素，我們結合生產實踐進行研究，本文以自攻鎖緊螺釘為例，試驗分析網帶爐滲碳技術，研究對螺釘滲碳淬火后金相組織性能等的影響和工藝選定。
1.試驗材料與方法
試驗采用M6×20盤頭內花六角頭自攻螺釘，材料為SWRCH22A，材料符合日本JIS標準規定。產品技術要求：滲碳層深度0.15～0.28mm，回火后心部硬度（30±2）HRC。
試驗用無馬弗SY-805-6三永網帶爐，由爐體、電熱元件、熱電偶、氧探頭、攪拌風扇和輸送帶組成，爐體由抗滲層、保溫層和爐殼組成，爐膛為貫通式結構，采用前排氣方式。時間、碳勢和溫度等參數可在PLC系統的程序內設定并執行。工藝程序均可在電腦屏幕上顯示，并具有故障自診斷功能。時間由變頻器控制，碳勢由碳控儀控制，信號由反應靈敏的氧探頭測量，功率由三相SCR電力調整器控制，溫度信號由熱電偶測量；滲碳劑為丙烷和甲醇，其中甲醇為稀釋劑，流量為1800～2400CC/h，丙烷為富化氣，流量根據碳勢由電磁閥控制。
2.試驗結果與分析
（1）試驗結果
爐內溫度穩定在880℃,設定碳勢1.2%。三永SY-805-6型網帶爐分為6區，氧探頭安裝在4區和5區，用三氣分析儀測量4區、5區和6區的碳勢，4區1.18%，5區1.21%，6區1.24%。網帶爐內氣氛均勻性通過攪拌風扇控制，產品在3區前面時還在升溫階段，溫度低，滲碳效果差，未安裝氧探頭，爐口前段碳勢偏低，6區由于油蒸氣的分解碳勢略有上升。
（2）試驗工藝
在網帶爐中滲碳或碳氮共滲，對低碳鋼SWRCH22A、ML20MnVB、ML15MnVB或中碳、中碳合金鋼，SWRCH35K、SCM435、SCR440鋼制螺釘，滲碳層應根據螺釘規格選擇，對于合金鋼可滲碳直接淬火，而對碳素鋼應滲碳后空冷，二次加熱淬火。試驗工藝見附表。
自攻鎖緊螺釘熱處理工藝
滲碳層深/mm | 滲碳溫度/℃ | 淬火溫度/℃ | 碳勢設定（%） | 時間/min | |
SWRCH22A | 0.10～0.23 | 880～890 | 870～880 | 1.20 | 50 |
SWRCH22A | 0.15～0.28 | 880～890 | 870～880 | 1.20 | 60 |
ML20MnVB | 0.10～0.25 | 890～900 | 860～870 | 1.20 | 60 |
ML20MnVB | 0.15～0.28 | 890～900 | 860～870 | 1.20 | 80 |
SCM435 | 0.15～0.28 | 860～870 | 840～850 | 1.20 | 90 |
自攻鎖緊鏍釘油淬火后，SWRCH22A心部硬度大于38HRC，表面硬度大于700HV0.3，當430℃回火后心部硬度在30HRC，達到8.8級螺栓的機械性能要求；ML20MnVB油淬火后心部硬度大于40HRC，表面硬度大于700HV0.3，經510℃回火后心部硬度在30HRC，達到8.8級螺栓的力學性能要求；SCM435油淬火后心部硬度大于45HRC，表面硬度大于750HV0.3，經530℃回火后心部硬度達到35HRC，達到10.9級螺栓的力學性能要求。圖1、圖2為SWRCH22A滲碳淬火和回火組織。
圖1 SWRCH22A滲碳淬火組織
圖2 SWRCH22A 430℃回火組織
3.試驗分析
無論采用何種滲碳方式，所用滲碳劑經高溫裂解后滲碳組分應為CO、CO2、CH4、H2，產生活性碳原子在工件表面吸附，并擴散，形成一定碳濃度的滲碳層。
螺釘滲碳均為淺層滲碳，采用網帶式滲碳爐十分有利，工件是按照預先設定的條件進行處理，工件連續地在裝料口裝爐，處理之后在出料口連續出爐。隨著滲碳時間的延長，影響滲碳速度在因素也發生變化，即滲層深度的增加主要受碳在鋼中的擴散速度所控制。
通過金相顯微觀察，工件碳化物呈小塊狀或顆粒狀彌散分布（≤2級），馬氏體為細針狀分布（≤3級）。
4.工藝選定
眾所周知，影響滲碳工藝的主要因素有很多，如溫度和時間等，當螺釘的材質、滲碳溫度和碳勢確定后，滲碳時間將根據滲碳層深度確定，各種滲碳劑或滲碳氣體在高溫下產生的活性原子是不一樣的。在連續式網帶爐內滲碳碳勢設定為1.0%～1.2%。而鋼中的合金元素對鋼的吸收碳的能力和碳向內部擴散都有很大影響。V、Cr、Ti碳化物形成元素能提高滲層表面的碳含量，在具有較高韌性、適當的淬透性的條件下，自攻鎖緊螺釘常用ML15MnVB、ML20MnVB、SCM435和SWRCH22A鋼制造。
螺釘表面的殘留的油會對爐內氣氛產生影響，若不清洗干凈則直接影響爐內氣氛和控制精度，還要注意空爐時網帶上是否有殘留黃色粉末，如有應認真對待處理螺釘的清洗工作。由于網帶爐不具備滲碳后空冷條件，所以應盡量選用低合金鋼或碳素鋼滲碳直接淬火工藝。
5.氫脆性
氫脆性是自攻類螺釘比較突出的質量隱患。在碳氮共滲直接淬火的螺釘中，氫脆的問題比滲碳件要突出得多。酸洗、電鍍時產生的氫氣及碳氮共滲時周圍介質中氫氣（一般高達60%～70%），可在鋼中溶解一部分。當電鍍、磷化工序陰極電流效率達不到100%時，會產生大量的氫原子附在螺釘表面，從而產生滲氫。氫的這一行為對鋼的氫脆破壞有重要影響。
自攻類螺釘驅氫時間6～8h，由于溫度可提高氫在鋼中的擴散系數，因此150～200℃保溫可以排除氫脆，但溫度過高，例如400℃以上，氫在鋼中的溶解也增加，氫不再自動從鋼中逸出，達不到除氫目的。驅氫溫度選擇在140～170℃（磷化）、200～240℃（電鍍），但生產中要根據心部硬度、表面粗糙度電鍍時間、鍍層厚度、酸洗時間、酸濃度等生產條件來確定驅氫時間，應在鈍化處理前、剛剛電鍍后（4h之內）進行。
6.結語
網帶滲碳爐適合于零件尺寸小，數量和工藝變化大的場合，尤其是針對緊固件行業的大批量螺釘滲碳，只有從材料、熱處理和測試等多方面不斷改進、完善，才能生產出具有市場競爭力的產品。
作者：陸柯杰
單位：浙江長華汽車零部件有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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