张先鸣：“紧固件材料和热处理”技术热点

　　本文根据此前“金相检验技术与紧固件失效案例”、“热处理工艺与金相检验技术的关系” 、“紧固件原材料综合选材与热处理工艺 ”几次研讨课上学员的提问，总结以下内容，供业内同行参考，不当之处请批评指正。谢谢！

　　一、热处理工艺与方法

　　1、中碳素钢ML35、35 或SRWCH35K，对大于16mm、8.8 级的螺栓就淬不透，而改用45 钢后就容易解决？

　　通常8.8 级螺栓用ML35、35 或SRWCH35K 制造，当截面大小不同时，由于淬透程度不同，虽然采用同一调质工艺，其力学性能却不尽一致。螺栓钢碳的质量分数越高，马氏体硬度越高。对于整个截面受力的螺栓淬火后，体积分数要求获得约90% 的马氏体组织，表明试样临界直径全部淬透，淬透程度越高，调质后屈强比也越大。屈强比的增大意味着能达到所需要的机械性能；否则就是没淬透，淬透程度越差，机械性能也越差，将影响最终质量。

　　碳对淬透性具有强烈的影响，当C ≤ 0.35% 时，对淬透性的贡献与锰相当；当碳含量为0.37% 时，钢的淬透性刚好满足技术条件的要求。当C ≤ 0.40% 时，每提高0.10%，HRC 硬度值可提高6HRC。钢中的碳含量由0.32% 提高至0.40%，距淬火端距离J7.5mm 的HRC 提高了约8HRC，达56HRC，硬度值随碳含量增加而增加。

　　我们常用淬火硬度控制热处理质量就是这个道理。但是对于45 钢，由于淬透性较低，只适合尺寸小于20mm 的高强度螺栓。多年来，许多企业对截面直径在22 ～ 27mm 的螺栓也采用45 钢，而调质处理恰恰忽略了淬透性这个最重要的质量特性。由于截面尺寸效应，螺栓尺寸越大，淬火后硬度越低，淬硬层越浅，金相组织表层则有大量针状和板条状马氏体，而心部依然是铁素体加珠光体组织，这时高强度螺栓的综合力学性能也越低。尺寸大于30mm 时，表面甚至无法得到马氏体组织。

　　2、选用硼钢能生产高强度螺栓吗？制造10.9 级高强度螺栓应注意哪方面？

　　含硼钢是以锰和硼为基础代替铬钢或镍钢的低合金钢。硼元素作为合金元素加入钢中，只要有0.001% ～ 0.002% 就能显著提高淬透性，增大钢材的可淬透尺寸，提高淬火后钢材截面内组织和性能的均匀性。

　　冷镦用钢一直采用中碳钢或低合金钢，这些钢变形性能差（需球化退火预处理和中间软化退火），且机械性能差、脱碳严重。而降低碳含量，提高冷镦变形能力，加硼以提高降碳而损失的淬透性，这就是使用硼钢的基本意义。含硼钢是以微量的硼代替数量较多的其它合金元素，因此，与淬透性水平相当的其它合金钢相比，合金总含量低，高温变形抗力小，容易塑性变形。

　　应注意：

　　①热加工对硼在固态钢中的各种存在形态之间的变化影响最大，当钢中硼元素含量超过0.003% 时，在晶界出现低熔点的Fe-C-B三元共晶，则产生热脆性而使热加工性能变坏；

　　②硼的主要作用是提高淬透性，因此必须保证固溶硼的含量在一个合适范围，大于0.001%，以免损害淬透性，另外，硼能否起到应有的作用，在很大的程度上取决于热处理制度的选择和操作情况；

　　③淬火温度应根据钢的含硼量、化学成份和淬火前硼的状态等条件来选择，而不应固定不变，热处理制度中回火温度降低，会加大含硼钢螺栓的延迟断裂倾向。许多研究和实践经验还证明，含硼钢在淬火前增加正火极有好处，可以消除或减少硼相，改善含硼钢淬火、回火后的性能。

　　10B21、10B28、10B33、20MnTiB 及ML20MnTiB 在螺栓中使用量最多，螺栓最终的力学性能由制造紧固件的材料品质所决定，而10B21、20MnTiB 和ML20MnTiB 含碳量下限均低于0.20%，不能满足标准对材料的要求；当螺栓强度≥ 1040MPa、硬度在33 ～ 39HRC 的要求时，是靠降低回火温度达到的，当采用425℃再回火温度试验后硬度和强度均下降，不能满足标准中的最低回火温度的性能要求。

　　生产实践可以看出，螺栓的机械性能，不但取决于热处理工艺和金相组织，更重要的是应具有良好的化学成分配合。

　　3、高强度螺栓在输电铁塔上的应用，有何要求？

　　高强钢将在输电线路上大量采用，与高强钢相匹配的高强度螺栓选型问题是供应商关心和讨论的问题之一。这一问题主要包括杆件的孔壁承压和高强螺栓抗剪切两个方面。

　　输电铁塔上采用的高强螺栓和土建结构及桥梁结构中使用的高强螺栓不同，其采用的是高强度粗制螺栓，其强度满足相应的级别（8.8 级及以上），但加工标准还是大六角头螺栓（GB/T5780），其受剪、受拉的计算也仍然采用普通螺栓的计算公式。通常计算和选用螺栓规格时，原则上在满足受力要求和螺栓间距布置的前提下，尽量采用小直径的螺栓；在满足强度要求的前提下，尽量采用低级别的螺栓。

　　对于使用Q345、Q390 及以上高强钢的构件，对于小规格的角钢，6.8 级螺栓较为合适；对于大规格角钢，8.8 级螺栓规格经济较为合适。不推荐使用10.9 级螺栓，节点板建议采用等强度钢板。Q420 高强钢用在受力较大的部位，且接头螺栓大部分处于双剪状态。由于10.9 级螺栓在酸洗除锈时容易造成氢脆断裂，且缺乏成熟的运行经验，建议不采用10.9级螺栓。

　　4.8 级螺栓和6.8 级螺栓价格差别不大，而且1 个6.8 级螺栓可以解决许多受力不大的辅助材料的实际问题，却要用2 个4.8 级螺栓才能解决。因此，在铁塔中螺栓M16 和M20 采用6.8 级热浸锌螺栓，M24 螺栓宜采用8.8 级热浸锌螺栓，以减少节点板，减轻塔重。

　　4、有何方法洗净紧固件表面的残油？

　　谈不上清洗好方法，主要是针对冷镦加工或切削加工时紧固件表面附着的冷却油残油、热处理油中淬火后紧固件表面残油的清洗。

　　①水清洗法

　　最简单的碱水清洗是直接加热或间接加热式的清洗槽，清洗液是3% ～ 10% 的N2CO3 或NaOH 水溶液。对渗碳或碳氮共渗的自攻螺钉，回火前的中间清洗多用加热到50 ～ 70℃的5% ～ 10% 的碳酸钠溶液。

　　连接式网带炉即属于此类。紧固件清洗一般采用喷淋和浸入双重方式，若用热水冲洗效果更好，最后利用高压气流进行干燥。

　　碱水清洗方法最主要缺点是清洗效果不太好，尤其是紧固件的盲孔和凹槽部易有污斑和残留物。对于碱水清洗产生的废水必须进行中和处理，并回收废油，达到相关环保要求方可排放。

　　②金属清洗剂清洗方法

　　为克服碱水清洗方法的缺点，提高清洗效果，目前可采用专用金属清洗剂，将清洗剂在40 ～ 70℃的水中稀释成1% ～ 3% 溶液，将紧固件在溶液中浸泡15 ～ 20min，然后用热水漂洗，最后用脱水机进行脱水处理。可加入清洗机内使用。

　　金属清洗剂清洗方法的缺点是价格贵，并有难闻的气味，对紧固件有一定的腐蚀作用，废水污染环境，因此，必须对废水进行处理，并回收废油。

　　③有机溶剂清洗方法

　　采用三氯乙烷、三氯乙烯等有机溶剂清洗，清洗效果佳。在常压下以浸泡或喷淋方式清洗淬火紧固件时，有机溶剂的挥发和飞溅污染环境。

　　为此，应用密闭减压溶剂真空清洗法的全套装置，利用真空泵把空气排出，紧固件在没有空气情况下和高密度的溶剂蒸汽接触，进一步提高清洗效果，并靠真空蒸溜回收溶剂和油。回收后的油中溶剂含量由20% 降至4% 以下，低于三氯乙烯环境卫生规定的50ppm。

　　④燃烧脱脂法

　　冷镦或机加工的紧固件在进入热处理工序之前，需要清洗掉表面的油类。为此，可把紧固件在脱脂炉内加热至350 ～ 400℃使油份汽化或燃烧，以达到紧固件去油的目的或表面除磷的效果。

　　燃烧脱脂法仅适用于热处理前的清洗，也能清洗冷却油、防锈液等轻质、低粘度及低沸点油类。高粘度、高沸点的重质淬火油燃烧后会有大量残留物和碳黑附着在紧固件表面，达不到清洗目的。

　　连杆螺栓等，目前采用真空或超声波等高级清洗技术，以代替常用的对大气臭氧层具有破坏作用的含氯烃类物质作为溶剂的清洗方法，可以实现高效环保清洗。

　　5、45# 钢螺母热处理裂纹产生的原因是什么？
　　45# 钢H10 级M30 螺母，调质后发现六角横截面上沿圆周方向有肉眼可见的弧形及径向裂纹，支承面上亦有肉眼可见的环形裂纹。这是常见的热处理裂纹，断口表面大部分无光泽，局部已发黑，小部分有光泽且有撕裂状条带（为打断断口时造成），未见其他缺陷。

　　金相检验裂纹两侧未见脱碳层，打开的裂纹断口表面大部分氧化变黑，而后打断的小部分断口有金属光泽，说明表面氧化变黑是高温回火时氧化所致。裂纹为沿晶开裂，尾部较尖，走向瘦直而刚健。

　　裂纹两侧边缘未见脱碳，有两种可能原因：一是淬火前并没有裂纹，淬火冷却时开裂，裂纹两侧未见氧化脱碳；二是因为螺母开裂严重，裂纹较多，所取样品为热处理后裂纹扩展时的扩展裂纹。

　　笔者认为，裂纹为淬火开裂、热应力和组织应力叠加致淬火应力明显增大而导致螺母开裂。建议原淬火工艺为830℃，显微组织中有局部过热组织，现改为800 ～ 810℃，把采用水溶液淬火冷却改为快速淬火油。油类淬火介质的冷却能力比水差，特别是在300 ～ 200℃范围内冷却速度比水低得多。因此，用快速淬火油冷却比水缓和，既能达到淬火目的，又可减少螺母内螺纹的变形。

　　6、风电机组42CrMo 钢螺栓调质的回火温度对金相组织有哪些影响？

　　对于42CrMo 钢10.9 级螺栓调质淬火应充分奥氏体化，获得约90% 的马氏体组织，当回火温度为540℃时，其组织和性能最好，这是在低、中温回火时，马氏体、铁素体二相强度相差大，易引起应力集中和偏析现象，致使组织不均匀，性能也不达标。而42CrMo 钢螺栓在540℃回火时，二相强度差别减小，有利于改善应力分布和组织的均匀化。

　　42CrMo 钢螺栓经淬火后回火，回火温度对金相组织的影响都经历了从粗大到细小的变化过程。淬火后不同回火过程，主要是淬火组织应力的消除、组织的稳定化和基体组织碳化物析出过程。

　　低于400℃回火时，组织为回火马氏体、未溶铁素体以及少量的残余奥氏体，中、低温回火时析出的碳化物较细小。随回火温度的升高，碳原子不断析出，形成碳化物，先析出的碳化物不断长大，形成回火托氏体，到540℃时，碳化物继续长大并粒状化，马氏体转变成铁素体组织，形成回火索氏体和未溶铁素体，此时，钢的强度、硬度下降，塑性以及冲击韧度有较大幅度提高。

　　生产实践表明，42CrMo 钢螺栓调质的回火温度必须在540℃以上，否则低温冲击功-45℃≥ 27J 有可能不合格。

　　7、奥氏体型不锈钢如何强化？

　　如常用06Cr19Ni10（304）或12Cr18Ni9（俗称18-8 钢）奥氏体型不锈钢。加热时不发生相变，不能通过热处理方法强化力学性能，其强度较低，塑性、韧性较高。

　　对于奥氏体型不锈钢一般要求提高抗腐蚀性能和抗塑性，消除冷作硬化的紧固件，应进行固溶处理；对于形状复杂、不宜固溶处理的紧固件，可进行去应力退火；含钛或铌的不锈钢，为了获得稳定的抗腐蚀性能，可进行稳定化退火以及敏化处理等。

　　固溶处理适合任何成分和牌号的奥氏体型不锈钢，加热推荐温度范围一般为950℃～ 1050℃，保持一定时间之后快速冷却的工艺方法。稳定化退火加热温度选择很重要，选择原则应是高于（FeCr）23C6 的溶解温度，一般在750 ～ 860℃之间。

　　消除应力处理主要去除机械加工过程中产生的应力或去除加工后的残留应力，可加热至1010 ～ 1120℃，加热保温后缓慢冷却。通常敏化处理制度为加热到650℃，保温5 ～ 6h 空冷。对于一些特殊使用场合，为更严格地考核材料的抗晶间腐蚀能力，依据紧固件将来使用的温度及材料的含碳量，以及是否含钼元素等因素而采用不同的敏化制度。

　　奥氏体型不锈钢不能用热处理方法强化，但可以通过冷加工变形得以强化（冷作硬化、形变强化），使强度提高，塑韧性下降。

　　奥氏体型不锈钢螺栓、螺母及制品，经冷镦冷挤压加工变形强化后，存在较大的加工应力，这种应力的存在导致在应力腐蚀环境中使用时，增加了应力腐蚀的敏感性，影响尺寸的稳定性。为减小应力，可采用去应力处理。一般是加热到260 ～ 400℃，保温2 ～ 6 小时后空冷或缓冷。

　　去应力处理不仅可减少紧固件的应力，而且在断后伸长率无大改变的情况下，使硬度、强度及疲劳极限得到提高。

　　奥氏体型不锈钢不能用热处理方法调整力学性能，但可以利用冷作硬化来改善提高，应用于制造不锈钢螺栓，冷作硬化效果与钢材含碳量和变形量有关，随着冷加工压缩比的增加，冷作硬化效果增强。

　　8、如何降低热处理保护气氛的消耗，以降低成本？

　　钢铁紧固件在各种气体介质中加热时，由于各种气体对钢的不同作用，在钢的表面会发生氧化、脱碳等发应，其化学成分和质量发生变化。

　　常用的可控气氛中含有氢、一氧化碳、甲烷、二氧化化碳、氮、水份和微量的氧等。为此，紧固件加热时应通入保护气氛。

　　目前网带炉采用甲醇与丙烷或甲苯滴注式裂解作为保护气氛的主力。常用的有甲醇+ 丙烷、甲醇+ 甲苯、氮甲醇等有机液体裂解可控气体。氮气可控气体用于紧固件加热的炉中，由于不会引起脱碳、可在低碳钢、中碳钢淬火加热保护。

　　这种气体的Co 含量很低，所以价格便宜很多。生产实践证明，采用氮甲醇气氛可降低成本约20% ～ 30%，经济效益显著。

　　甲醇按CH3OH → Co+2 H2 在800℃以上分解，其组成为1/3 Co 和2/3 H2，并有少量的CO2、H2O 和CH4。随反应温度的不同存在着形成游离碳的趋势，是一种具有弱渗碳性或非渗碳性气体，而具有保护气体的作用。

　　氮气是惰性气体，无毒、不污染环境，没有燃烧爆炸危险性，称为绿色热处理气氛。氮甲醇气氛主要组份为N2、H2、Co， 有微量H2O、CO2、CH4。调整氮和甲醇的混合比，炉内气氛中Co 可在0 ～33% 范围内变化，而气氛中H2 的浓度总是两倍于Co 的浓度，余量为N2。

　　由于甲醇属于弱渗碳剂，所以当炉内碳势达到一定时（一般规定为0.35%C ～ 0.40%C），为了使炉内碳势迅速提高以满足生产的需要，需向炉内添加一定量的富化气，采用向炉内通入保护气总量2% ～ 5% 的丙烷气或滴注甲醇，以此来迅速提高碳势，达到工艺设定值。炉内分解后的气体比例基本是20%CO，40%H2 和40%N2。值得注意的是N2 的流量为10 ～ 15L/min。

　　丙烷是易燃易爆物品，遇到强烈碰撞会爆炸燃烧，甲苯则是强渗碳性有机液体裂解气体。甲苯是易制毒品的试剂，减少丙烷、甲苯的用量，可有效地减少不安全的因素，也可降低有害气体对员工的危害程度。

　　9、铍青铜弹性垫圈和弹簧制品的热处理。

　　铍青铜是一种典型的时效析出硬化型合金，广泛用于仪器仪表、航空航天工业、核电工业和电子电器工业产品上的弹性垫圈和弹簧制品。

　　铍青铜的主要元素成分有铜、铍和镍。目前我国生产的铍青铜材料主要有3 种型号：QBe2.5、QBe2.0、QBe1.9 牌号，为了检测方便，通常采用硬度法，技术要求320 ～ 380HV。

　　铍青铜板材料有多种状态，不同状态的铍青铜热处理后的显微组织和硬度是有所区别的。其中有4 种状态：即C 态（软态，即淬火状态）、CY4 态（1/4 硬）、CY2 态（半硬）、CY（态硬态，即淬火后冷轧状态）。

　　铍青铜的热处理工艺主要为固溶+ 时效。通过固溶和时效处理可提高其硬度和强度，但对于优良的电或热传导性能和抗蚀性能没有影响。

　　固溶处理后材料不仅具有良好的塑性，可进行加工成型，最重要的是能为后续的时效强化作准备。试验和生产实践表明，铍青铜的固溶温度以760 ～ 800℃为宜，可避免温度过高或过低产生的弊病。

　　为提高表面质量，加热常在保护气氛中进行。保护介质有多种，与氨分解气比较，酒精裂解气体具有纯度高，气氛稳定、水分少等优点。

　　时效处理一般在真空炉内保温2h 后随炉冷却。铍青铜固溶处理的冷却速度一般越快越好，尤其在370 ～ 705℃范围内，更要快速冷却。一般规定要在3 秒内将固溶加热的材料放入水中搅拌冷却，否则达不到固溶效果，影响铍青铜的质量。冷却介质一般为10 ～ 18℃的清洁自来水即可，方便、实用、价廉。

　　铍青铜在固溶和时效后具有优异的综合性能，如高的强度、硬度和疲劳性能。对弹性要求较高的紧固件，要进行正常时效。

　　通过对几种状态的铍青铜进行不同温度的状态处理，发现C 态（软态）和CY4 态（1/4 硬）的铍青铜时效温度不能超过350℃，维氏硬度分别为380HV 和401HV；而CY2 态（半硬）、CY 态（硬态）的铍青铜时效温度不能超过320℃，维氏硬度分别为405HV 和399HV；超过该温度后，材料的硬度开始降低，晶界反应量增加，即发生过时效。

　　为此，应调整技术要求为360 ～ 410HV 较妥。时效温度一般为320℃左右，晶内析出明显的线条，晶界上出现局部细小的粒状析出物。温度在320 ～ 340℃进行时效时，不仅能缩短工艺时间，还能获得符合要求的综合力学性能，对于弹垫、弹簧件即有一定强度和较高弹性，是可行的。

　　铍青铜的时效处理应在保护气氛炉、真空炉或者井式气体循环电炉中进行，采用真空时效325℃ ×2.5 ～ 3h 后抗拉强度1245 ～ 1255MPa，断后伸长率8.5% ～ 9.0%，硬度385 ～ 395HV；而外观质量也能达到要求，对环境无污染。

　　10、如何优化45# 钢高强度螺栓淬火强韧化工艺？

　　生产中常用45# 钢制造大规格8.8 级高强度螺栓，热处理调质工艺采用830 ～ 840℃淬火+ 中、高温回火。由于直径较大，一般采用水溶液冷却，但水淬易使钢中出现裂纹和产生较大的变形，在头部、六角边缘尤为严重。因此，改进45# 钢的热处理工艺，引起了同行的极大兴趣。

　　多年来，大家习惯用亚温淬火解决45# 钢淬火开裂问题。亚温淬火加热时，由于组织中存在未溶铁素体，淬火后被嵌入马氏体内而成为残留铁素体，若按照最新GB/T3098.1-2010 标准，淬火后马氏体应达到约90%，就判定为不合格产品。

　　据最新资料，45# 钢的Ac1 和Ac3 临界点温度分别为724℃和802℃，而选择800℃恰恰在临界温度附近，从金相检验可以看到残留铁素体似有似无，处于一种临界状态。

　　从金相检验可知，随淬火温度从770℃升高至840℃，残留铁素体量已不明显，830 ～ 840℃常规淬火，组织中没有残留铁素体。在800℃淬火较低温度下，为板条状和片状马氏体共存，趋于细化且更加均匀，淬火应力较小，有效地减缓了淬火开裂的风险。

　　从机械性能检测可知，770 ～ 790℃亚温淬火对残留铁素体嵌在马氏体基体内，对马氏体产生割裂作用，中、高温回火时，会影响到回火托氏体、回火索氏体的连续性，在某种程度上对强度具有一定的削弱作用。在同一温度下，800℃或常规淬火、回火后获得的强度是相近的。回火对强度的影响除了与回火温度有关外，主要取决于马氏体的固溶强化程度以及与碳化物之间的相对关系。

　　对于800℃淬火而言，由于组织中似有似无的铁素体对马氏体的固溶度影响不大，因此，800℃和常规淬火组织中的马氏体无论从组织形态，还是固溶度都应该是相似的，于是在Ac3 附近（800℃）亚温淬火+ 回火后，其强度与常规淬火回火后的强度差别不大。为此，45# 钢高强度螺栓淬火强韧化工艺建议为800℃淬水。

　　二、材料、检测与冷却介质

　　11、非金属夹杂物对高强度螺栓有哪些影响？

　　非金属夹杂物在钢中主要以氧化物和硫化物的形式存在。根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，非金属夹杂物按JK 图评定（A 类硫化物、B 类氧化铝类、C 类硅酸盐类、D 类球状氧化物类和DS 类单颗粒球状类）。

　　钢中的夹杂物通常对其性能是有害的，会造成钢的组织不均匀；夹杂物往往是裂纹源，因而钢中夹杂物是钢的断裂韧性重要影响因素，其中条状MnS 影响最为明显。它的存在割裂了金属的连续性，剥落后就成为凹坑或裂纹，在冷镦成形时极易形成裂纹源，热处理时易造成应力集中，产生淬火裂纹。因此，高强度紧固件对夹杂物应严格控制，鉴于我国钢材标准GB/T 3077、GB/T 6478 暂未对夹杂物做作明确要求。

　　C 类（硅酸盐类）和D 类（球状氧化物类）对热处理的影响最大，硅酸盐夹杂物应不大于1.5 级，球状氧化物夹杂应不大于2 级为佳；对氧化物和硫化物夹杂物之和应不大于3 级。

　　钢中的夹杂物的形状和分布可以影响高强度螺栓的综合性能。热处理如果改变钢中的夹杂物形状和分布，则夹杂物在热处理前后对材料会产生不同的影响。如果热处理不改变夹杂物形状和分布，只引起基体组织变化，则需要考虑夹杂物对热处理过程中基体组织变化的影响。在热处理过程中，夹杂物对组织的影响主要是促进铁素体形核，从而有效分割晶粒，细化组织。

　　实践证明，经过热处理后，虽然夹杂物的大小、级别、状态有所改变，但原材料组织不良的情况不可能根本改观，会继续遗留下来，因此对高强度螺栓冲击试验的影响较大，往往造成低温冲击功不合格，这个问题很关键，重新调质热处理也不能满足技术要求。

　　12、对于钢结构M82 以上大规格10.9 级高强度螺栓，采用什么钢材？

　　这涉及一个成分和淬透性的问题，现在常用的42CrMo、B7、40CrNiMoA 钢，目前的工艺能满足硬度及强度要求，但对于其它性能如断后伸长率、冲击韧性就难达到要求。一般用34CrNi3Mo 钢， 34CrNi3Mo 钢为大截面调质用合金钢，它的化学成分为0.30% ～ 0.40%C、0.17% ～ 0.37%Si、50% ～ 0.80%Mn、0.70% ～ 1.10%Cr、0.25% ～ 0.40%Mo、2.75% ～ 3.25%Ni。

　　油淬临界直径可达φ60 ～ 80mm，淬透性优点，其他钢种无法比拟。34CrNi3Mo钢的临界点温度Ac1=725℃、Ac3 ＝ 790℃，淬火温度选择在860 ～ 880℃水溶液冷却、880 ～ 900℃快速淬火油冷却；对于10.9 级螺栓回火温度，一般在560 ～ 590℃回火水冷。

　　高强度螺栓规定了螺纹截面的芯部在“淬硬”状态、回火前获得约90% 的马氏体组织要求。

　　为了保证淬透性，对于直径大于φ50mm，淬火介质选用影响最大，当油淬火时不能满足机械性能要求，则必须采用水淬，原则是在不淬裂的前提下尽量采用水溶液。因为水淬有较多的优点，如有较深的淬硬层、较优的机械性能、生产成本低等。

　　我们搞热处理的如果不把成分放在第一位那是搞不好的。可以采用含碳量≥ 0.34% ～ 0.38% 的钢材, 带状组织偏析应控制在1.5 级以下，其中控制非金属夹杂物的等级, 如硫化物类、氧化铝类、球状氧化物类均不大于1.5级（包括粗、细系）。

　　若冲击韧性不够，考虑增加一道580 ～ 600℃再回火工序，然后快冷。

　　13、什么是五害元素？对冷镦钢有何危害？

　　H、O、N、P 和S 称为“五害元素”，严重危害紧固件用的冷镦钢。对于紧固件企业而言，紧固件生产用钢的检测十分必要。五害元素的减少，使冷镦钢中有可能成为裂纹源的硫化物、氧化物及氮化物夹杂在晶内及晶界的数量减少，从而使晶界弱化作用降低，断裂韧性和冲击韧性提高。研究表明，在含有0.60% ～ 0.90% Mn 冷镦钢中，S 主要形成MnS 夹杂，MnS 夹杂在钢的基体中相当于裂纹源，S和P 元素在晶界的偏析使晶界弱化，因此，S 和P 含量的增加降低了钢的塑性，使钢的断面收缩率降低。

　　钢中N 主要生成氮化物夹杂，因而N 的增加使钢的断面收缩率明显降低，而断后伸长率变化不大。O 在钢中主要形成氧化物夹杂，O 增加使氧化物夹杂增多，钢的断面收缩率明显降低。H 在钢中会产生白点、点状偏析等缺陷，随着H含量降低缺陷减少，断面收缩率明显升高。

　　对大规格高强度螺栓用钢而言，减少五害元素，从而减少非金属夹杂物的含量及夹杂元素在晶界的偏聚，增大裂纹形核和扩展阻力，对保证螺栓正常服役十分有效。类、氧化铝类、球状氧化物类均不大于1.5 级（包括粗、细系）。若冲击韧性不够，考虑增加一道580～ 600℃再回火工序，然后快冷。

　　14、钢的晶粒度如何评定？

　　钢的晶粒大小与所处热处理状态有关。晶粒度是奥氏体化温度和时间的函数，评定的不是在某任意规定温度下的晶粒大小，而是在热处理中实际执行奥氏体化的条件下晶粒的大小，这就是常规的“奥氏体晶粒度”。

　　奥氏体晶粒度就是指“奥氏体的实际晶粒度”；也就是钢在实际使用时，经奥氏体化处理所得到奥氏体晶粒度。GB/T6394-2013《金属平均晶粒度测定方法》中涉及到的“奥氏体晶粒度”也就是“奥氏体的实际晶粒度”。

　　标准规定了金属组织的平均晶粒度表示及评定方法；本方法主要适用于单相晶粒组织，但经具体规定后也适用于多相或多组元的试样中特定类型的晶粒平均尺寸的测量。

　　晶粒度是指晶粒大小的量度，通常使用长度、面积或体积来表示不同方法的评定或测量晶粒大小。真正影响钢材使用的是钢的奥氏体的实际晶粒度，而不是“本质晶粒度”。通过适当的显示方法将晶粒显现出来，视晶粒分布情况与状态采用相应的测量方法，美国ASTM 标准就设有一系列测量方法的标准。

　　现行的GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》就是参照美国ASTM E112 制定的；与GB/T24177-2009《双重晶粒度表征与测量方法》（参照ASTME1181 制定的）和JB/T4290-2012《金相检测面上最大晶粒尺寸级别（ALA 晶粒度）测定方法》( 等同采用ASTM E930-99(2007) 等标准的发布实施，形成完整的晶粒度测定方法标准体系, 更好地与国际接轨，将组成完整晶粒度测量标准系列。

　　标准中使用晶粒面积、晶粒直径、截线长度的单峰分布来测量试样的平均晶粒度。这些分布近似正态分布。测量方法仅适用于平均晶粒度的测量，不适用于试样三维晶粒度的测量，即立体晶粒的测量。钢的晶粒度是很重要的检测指标，对重要紧固件是必检项目。钢的晶粒度对冲击吸收能量值影响很大。

　　15、什么是回炉钢、回硫钢？

　　GB/T699、JIS G4051、JIS G3507 ～ 3509、SAE J403标准系列优质碳素结构钢；GB/T6478 标准系列等冷镦冷挤压用钢在紧固件企业使用量最大。对于此类钢材紧固件，不论在过去还是现在它仍然担当着重要角色。

　　尤其是冷镦钢是靠冷镦成型制造螺栓、螺母、螺钉、铆钉、销钉等紧固件，冷挤压钢是通过冷挤压工艺制造汽车、自行车等机械零件，又称铆螺钢。冷镦和冷挤压是在常温下利用金属塑性成形的，代替机加工，不但效率高、质量好，而且用料省、成本低( 降低l0% ～ 30%)。

　　当代我国在冶炼技术上有了进一步发展，由于对资源的节约，使用废钢回炉冶炼的钢品种有一定增加。转炉炼钢使用80% 以上的铁水，即使是电弧炉也可以使用超过60% 的铁水，采用铁水预脱硫技术用于冷镦钢或高纯净度钢，此时如果不在钢包精炼或真空脱气后实施回硫工艺，钢中硫含量分别为0.005% ～ 0.015%、0.010% ～ 0.030%、0.025% ～ 0.040%、0.030% ～ 0.045% 等区间。

　　硫含量越高，钢的切削性能越好；硫含量越高，钢件的锻造流线越严重，横向性能下降越明显。在冷镦变形部位，如果金属产生激烈的横向流动，将导致丝线状、棒状硫化物的扁平化，加剧硫化物分割基体的作用，使螺栓头部或螺母六角部分、支承面出现微小裂缝，增加淬火可裂或磨削开裂的倾向。

　　在相同性能等级的螺栓零件，回炉钢、回硫钢比冷镦钢少了一次820 ～ 880℃的低温奥氏体重结晶工艺，其晶粒比冷镦钢的粗大，是导致其韧性差的另一重要原因。因此，对高强度螺栓等不宜采用回炉钢、回硫钢。

　　GB/T3098.1-2010 标准中对8.8 级～ 10.9 级的螺栓使用的材料有明确规定，对于需要热处理的高强度螺栓钢，硫和磷的最大含量极限，从0.035% 降到0.025%，其中有“添加元素的碳钢（如硼或锰或铬）”一类，不允许向钢中添加钙或钙合金，应采取一切合理的措施，防止从生产所用的废钢或其它合金材料中带进影响淬透性、力学性能和使用性能的元素。

　　在我国大量使用的45#、40Cr 钢往往残余合金元素过多，控制非常困难，特别是一些难于在冶炼中去除的杂质元素，S、P 的含量一般都在0.025% ～ 0.035% 或更多，还有其他的杂质Cu 铜、Pb 铅、Sn 锡、Se 硒，当钢中有害元素P、S 增加时，低倍组织检测的中心疏松、一般疏松、方形偏析的级别将在2 ～ 3 级，白点、缩孔、气泡、翻皮等缺陷也可见存在。

　　此类钢材由于价格较低，不少紧固件企业还很喜欢采用。在螺栓调质时常有淬火裂纹的事故，主要是杂质元素和非金属夹杂物较多引起，在热处理时采取任何措施都不可避免开裂。对于重要的产品，建议一般不用或少用45#、40Cr 钢。

　　16、高强度螺栓调质后为什么要进行金相检验？

　　GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》强调对8.8 级及以上产品的材料要求应有足够的淬透性，以确保螺栓螺纹截面的芯部在淬硬状态、回火前获得约90%的马氏体。生产上常以硬度来衡量螺栓淬火后的回火转变程度，为达到良好的淬透性，对10.9 级及以上高强度螺栓而言，淬火组织的均匀性尤为重要。

　　一些企业在热处理淬火时，没有达到钢材马氏体可能得到的最高硬度，即没有获得最大淬硬性（钢淬火时的硬化能力），只是通过调整回火温度，降低回火温度来保证螺栓的最低抗拉强度值，以此来掩盖不良热处理质量。为此，GB/T3098.1 标准中规定螺栓回火前获得约90%的马氏体组织是很有必要的。

　　淬火后马氏体的粗细可按JB/T9211-2008《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》进行评定。由于奥氏体化温度不同，马氏体形态和大小不一样。

　　1 级属于奥氏体化温度偏低，淬火组织是隐针马氏体、细针马氏体和不大于5% 的铁素体（体积分数）；而8 级则属于过热组织，是粗大的板条马氏体+ 粗片针马氏体。正常淬火时控制在3 级～ 5 级，其组织为细小的板条马氏体+ 片状马氏体，6 级具有较高的冲击韧性、屈服强度和抗拉强度，适用于较大规格且要求淬透性高的螺栓。

　　评定调质后的质量一般采用GB/T13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图与评定方法》，试样抛光后用体积百分数2% ～ 5% 的硝酸酒精溶液侵蚀。金相组织按1 ～ 8 级评定，1 级组织最好；8 级组织最差。

　　该标准第三组评级图，适用于结构钢调质处理件，尤其是高强度螺栓的调质检验。被评定的调质组织介于两个级别之间时，以下一级为判定级别，例如大于3 级小于4 级时，则判为4 级。

　　调质的金相组织分析，在光学显微镜下用500 倍观察，合格级别可由供需双方协商约定，没有约定的以1 级～ 4 级为合格。生产实践表明，在低温环境下服役、有低温冲击性能要求的螺栓，1 级～ 3 级为验收标准。如果在评级时有争议，可以参考力学性能检验结果进行判定。

　　17、如何正确使用淬火介质？

　　当今水溶性淬火介质在国内紧固件企业的普及程度越来越广，除了中低碳钢外，如合金钢，马氏体不锈钢、热作模具钢等类型的产品都在尝试采用水溶性淬火介质，且工艺控制的经验也越来越成熟，但是对于水溶性淬火介质浓度问题的控制往往会存在偏差，导致各种热处理质量问题。

　　目前，国内紧固件企业热处理淬火介质主要采用快速淬火油和水溶性淬火介质，它们在使用过程中与高温工件直接接触，不可避免会发生理化性能的变化，因此在使用过程中冷却性能均会发生一定程度的变化，需要有效地监控。一是提高淬火介质的稳定性，保证淬火工件的性能和变形在可控的范围内；二是提供有效的冷却性能监控方式，同时根据工况条件“量身定做”淬火介质优化方案，以保证淬火介质长期稳定的使用。

　　从多数紧固件企业的生产实践来看，快速淬火油主要用于合金结构钢的钢种及薄壁的螺栓、螺母及异型件；水主要用于碳素结构钢及形状简单的紧固件；PAG 聚合物淬火介质介于水- 油之间，在一定的条件可代替水，也可代替油，具有较宽的冷却烈度范围。

　　聚合物淬火介质可消除淬火油产生的油烟。减少碳排放，推广使用聚合物淬火介质是全球范围的趋势。聚合物淬火介质可完全符合安全生产要求，可以确认是我国紧固件热处理清洁生产的重要工艺材料。

　　目前聚合物淬火介质由于具有环保、技术和成本方面独特优势，其应用越来越广泛。近年来，为了减少热处理油烟排放，我国开发了多种环保减碳的新型淬火介质。

　　当前聚合物淬火介质的使用约占整个淬火介质（油+ 聚合物淬火介质）的30% ～ 40%。生产实践中，为提高淬火质量，对聚合物淬火介质的使用效果试验重现性，主要取决于搅拌的重现性，搅拌实际上是紊流。聚合物淬火介质的使用温度、浓度及搅拌是保证淬火质量的关键因素。

　　由于PAG 聚合物淬火介质中细菌以有机物为原料并催化其发生变化，会加速聚合物淬火介质的老化，缩短淬火介质的使用寿命，并使对流阶段冷速加大，淬火时螺栓、螺母变形开裂倾向增大，从而使紧固件的淬火质量难以保证。现场只有调整浓度减慢冷速，但是效果并不明显。使用生物稳定的聚合物淬火介质AQ245 以及环保性能优异的速冷剂，可以较好地解决变形与开裂问题。

　　首先采用新液配置不同浓度的淬火液，通过冷却特性测试仪测试不同浓度下淬火液的300℃冷速，从而建立不同浓度与冷速的标准表格或图谱，采用冷却特性测试仪是较理想的方法。

　　其次，对于快速淬火油最好每年调换新油一次；水溶性淬火介质不同于淬火油，温度、浓度、搅拌强度对其冷却性能的影响较大，建议采用螺旋桨进行强力搅拌，以保证冷却的均匀性，从而获得组织和硬度的均匀性。

　　18、快速淬火油使用时间长了为什么会老化？

　　目前，快速淬火油在紧固件热处理冷却介质中仍然占主导作用，淬火油的使用温度升高，会显著加快其老化的反应速度。油温每提高10℃，化学反应速度提高约2 ～ 4 倍，原则上淬火油的使用温度在60 ～ 80℃。淬火油加热使用和与热工件反复接触，导致淬火油氧化和老化，是其在生产中的最大威胁。

　　长期的螺栓、螺母淬火操作使淬火油发生许多复杂的化学改变，从而引起油的特性的显著改变，也使淬火油不断老化，包括淬火油碳氢化合物热分解出易挥发的组分或气体及一些化合物的氧化，氧化产物经聚合会导致油的黏度增大，这是淬火油老化的机制反应。

　　同时，油接触灼热工件表面被加热至较高的温度，引起油的断链和发生次级反应而生成分解产物，被氧化的碳氢化合物均处于高的不稳定状态，会发生聚合，形成油垢，甚至发生沾污工件和淤塞管路等严重后果。显然，淬火油使用过程中碳氢化合物氧化的机制应予以重视。

　　快速淬火油使用时间长了为什么会老化？这是淬火油在使用过程中不断地发生氧化，工件表面出现油泥和渍斑的主要原因。

　　随着使用时间的增加，油的氧化越来越严重，黏度进一步增大，油泥也进一步增多，这些都使淬火油的冷却性能下降，以致使工件出现软点甚至淬不硬，金相检验显微组织：碳素钢中条块状团絮铁素体增多；合金钢中呈现下贝氏体组织。这时，其实质是淬火油在使用过程中发生了严重的氧化。

　　随着淬火油在使用过程中发生氧化，其羧(SUO- 有机化合物中的含碳、氧、氢COOH 的基叫羧基) 酸含量会逐步升高，故可测试油的酸值来衡量其老化的程度。淬火油在连续使用2 年以上后，酸值不断升高，在酸值达到1.0~1.5mgKOH/g左右时，生成羧酸的速率明显加快。

　　淬火油品老化后，其冷却曲线反映在蒸汽膜阶段缩短，最大冷速增大，冷却曲线整体向右上方移动，高温冷速加快，工件的可淬硬性下降。酸值达到1.5mgKOH/g 是淬火油老化的量化指标，也是换油的依据，一般使用达到1 年就应该换新油。
　　
　　防止淬火油品老化的措施有：使用加氢精制的基础油和复合抗氧化剂能有效改善油的抗氧化性能。为提高淬火油的抗老化性能，在使用淬火油时，应注意如下事项：使油处于循环状态，及时过滤，防止进水，不要部分换油，尽量降低淬火油的使用温度，减少污染等。

　　19、聚合物淬火介质的细菌滋生问题。

　　目前聚合物淬火介质因具有环保、技术和成本方面的独特优势，其应用越来越广泛。然而与水和油不同，聚合物淬火介质富含有机养料，故易滋生细菌，从而加速聚合物淬火介质的老化，缩短淬火介质的使用寿命。使对流阶段的冷速加大，从而使紧固件的淬火质量难以稳定，可能堵塞网带炉的过滤系统，影响系统的正常运行。
　
　　事实上有不少企业就是因为细菌的滋生问题，而不得不提前更换在用的淬火剂。细菌滋生时会释放出酸性物质，使PH 值降低，PH 值降低是细菌滋生的结果。可以通过经常检测聚合物淬火介质的PH 值， 揭示细菌滋生的趋势或迹象，并采取相应的措施，防止细菌滋生。

　　较低的PH 值是细菌滋生的重要原因之一；试验结果证明，PH 值低于8.0时就会明显促进细菌生长。

　　在PH 值低于8 ～ 8.5 时要及时将其调高，以防止细菌滋生和防锈性能的下降。可以采用添加原液的办法，或用供应商提供的PH 值调节剂来调整PH 值。不可用无机盐或碱如NaOH、Na2CO3，会污染聚合物淬火剂，影响浓度的准确测量，并影响淬火过程中的传热，所以现场不宜用无机碱或无机盐来提高PH 值。在淬火过程中产生的氧化皮、碳黑会不断地淤积在系统中，不仅会堵塞过滤器，也易滋生细菌，因此应定期进行清理，尽可能保持淬火介质洁净。

　　为此，滋生细菌与聚合物淬火介质和配液用水的质量，淬火系统的循环、PH 值、杂质杂油以及空气中的细菌等因素有关，应针对这些因素采取相应的措施，以减少细菌的滋生，而保证聚合物淬火介质的冷却性能。

　　20、碳素钢淬火时用水冷为什么硬度不均？

　　碳素钢淬火时用水淬火，金相检验组织中有白色网状或块状组织出现，这时硬度检验时就有一边硬一边软的硬度不均现象。当钢的化学进行成分一定的情况下，大截面螺栓淬火时，由于淬透性的影响，从表层到芯部，冷却速度由快变慢，此时出现的白色网状或块状组织通常考虑是先共析铁素体，形态由断续细小半网状向粗网状过渡，因为一般情况下淬火温度不会出现太大的偏差，淬火组织中出现未溶铁素体的几率较小，先共析铁素体的形态与冷却速度有关。

　　所以组织检验时首先应从冷却速度排查，然后考虑化学成分以及加热温度，就能找到真正的原因。

　　作者： 张先鸣，金蜘蛛紧固件网顾问专家
　　本文原刊登于第41、42期金蜘蛛《紧固件》季刊


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