40Cr10Si2Mo鋼排氣歧管螺栓熱處理工藝改善

唐建良，蔣楊英，林志峰

舟山市7412工廠 浙江舟山 316041

1 序言

汽車排氣歧管螺栓材質(zhì)為耐高溫的40Cr10Si2Mo鋼，該螺栓的淬火溫度在1000～1050℃[1]，我公司有連續(xù)網(wǎng)帶爐和真空爐兩種爐型選擇，真空爐型號(hào)為VUQ669H ，真空爐最高使用溫度為1250℃。連續(xù)網(wǎng)帶爐的型號(hào)為S Y805-6，最高使用溫度為950℃，試產(chǎn)量少時(shí)，在真空爐能滿足質(zhì)量和產(chǎn)能的要求，后來(lái)批量生產(chǎn)，真空爐產(chǎn)能無(wú)法滿足要求，由于連續(xù)網(wǎng)帶爐爐溫最高950℃，為此在連續(xù)網(wǎng)帶爐允許的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)工藝試驗(yàn)，與真空爐生產(chǎn)件進(jìn)行性能對(duì)比，最終在連續(xù)網(wǎng)帶爐上實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，質(zhì)量和效率都大幅提高，能耗成本大幅下降。

2 螺栓規(guī)格與技術(shù)要求

該螺栓的尺寸和形狀如圖1所示，螺栓材質(zhì)為40Cr10Si2Mo鋼，化學(xué)成分見表1。

表1 螺栓的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 螺栓尺寸和形狀

螺栓的技術(shù)要求：淬火硬度≥50HRC[2]，淬火＋回火后，抗拉強(qiáng)度885～1050MPa。

3 連續(xù)網(wǎng)帶爐和真空爐對(duì)比

3.1 真空爐熱處理生產(chǎn)

真空爐熱處理工藝：溫度為1000℃，保溫120min，高壓氣淬，回火溫度為700℃，回火時(shí)間為180min，裝爐量為每爐320kg，生產(chǎn)一爐的總時(shí)間為10h（包括升溫時(shí)間），生產(chǎn)效率為32kg/h，真空爐熱處理工藝如圖2所示，相關(guān)性能測(cè)試見表2。

表2 真空爐生產(chǎn)件性能

圖2 真空爐熱處理工藝

3.2 連續(xù)網(wǎng)帶爐熱處理試驗(yàn)

40Cr10Si2Mo鋼相變轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ac3為930℃[3]，連續(xù)網(wǎng)帶爐最高使用溫度為950℃，因此連續(xù)網(wǎng)帶爐采用940℃，通過改變保溫時(shí)間方法進(jìn)行試驗(yàn)，工藝參數(shù)及檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 連續(xù)網(wǎng)帶爐生產(chǎn)工藝參數(shù)及產(chǎn)品性能

從表3可看出，連續(xù)網(wǎng)帶爐淬火溫度940℃，保溫時(shí)間超過130min時(shí)，生產(chǎn)的產(chǎn)品可以符合要求，在實(shí)際生產(chǎn)中采取940℃保溫150min，油淬，回火溫度700℃，回火時(shí)間120min，裝爐量是550kg/h，也就是說生產(chǎn)效率為550kg/h。

3.3 性能對(duì)比

連續(xù)網(wǎng)帶爐按940℃保溫150 min，油淬，回火溫度700℃，回火時(shí)間120 min生產(chǎn)，取10件產(chǎn)品與真空爐生產(chǎn)的10件產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，淬火硬度對(duì)比見表4，回火硬度對(duì)比見表5，常溫抗拉強(qiáng)度對(duì)比見表6，550℃高溫強(qiáng)度[4]結(jié)果見表7，生產(chǎn)效率對(duì)比見表8。

表4 淬火硬度對(duì)比 （HRC）

表5 回火硬度對(duì)比 （HRC）

表6 常溫抗拉強(qiáng)度對(duì)比 （MPa）

表7 550℃高溫強(qiáng)度對(duì)比 （MPa）

表8 生產(chǎn)效率對(duì)比 （kg/h）

從以上對(duì)比分析可看出，連續(xù)網(wǎng)帶爐生產(chǎn)的產(chǎn)品與真空爐相比，硬度、常溫強(qiáng)度更穩(wěn)定，波動(dòng)值更小；在550℃高溫下高溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度更高。在生產(chǎn)效率方面，連續(xù)網(wǎng)帶爐生產(chǎn)效率約是真空爐的17倍。

3.4 熱處理金相組織對(duì)比

真空爐生產(chǎn)的產(chǎn)品金相組織如圖3所示，連續(xù)網(wǎng)帶爐生產(chǎn)的產(chǎn)品金相組織如圖4所示。

圖3 真空爐調(diào)質(zhì)件金相組織（500×）

圖4 連續(xù)網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)件金相組織（500×）

按GB/T 38720—2020《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相組織檢驗(yàn)》要求，對(duì)圖3、圖4進(jìn)行金相組織評(píng)級(jí)[5]，真空爐生產(chǎn)的產(chǎn)品，金相組織為回火索氏體5級(jí)，連續(xù)網(wǎng)帶爐生產(chǎn)的產(chǎn)品金相組織為回火索氏體4級(jí)，連續(xù)網(wǎng)帶爐產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于真空爐。

3.5 熱處理能耗對(duì)比

真空爐采取的是周期性生產(chǎn)，且淬火溫度高、耗時(shí)長(zhǎng)；網(wǎng)帶爐是連續(xù)式生產(chǎn)，淬火溫度相對(duì)較低，生產(chǎn)效率高，二者能耗相差較大，具體能耗見表9。

表9 熱處理能耗對(duì)比 （kW·h/t）

3.6 結(jié)果分析

真空爐采取的是較高的淬火溫度、較短的保溫時(shí)間，使材料完全奧氏體化，由于溫度較高，晶粒較粗大[6]，連續(xù)網(wǎng)帶爐采取的是在Ac3以上10℃較長(zhǎng)時(shí)間保溫來(lái)完成奧氏化轉(zhuǎn)變，晶粒較細(xì)小，因此連續(xù)網(wǎng)帶爐生產(chǎn)的產(chǎn)品在力學(xué)性能、金相組織方面優(yōu)于真空爐；同時(shí)由于連續(xù)網(wǎng)帶爐是連續(xù)性生產(chǎn)，因此效率高；真空爐升溫時(shí)間很長(zhǎng)，且裝爐量小，因此生產(chǎn)效率低。在能耗方面，網(wǎng)帶爐生產(chǎn)的電耗最低，約為真空爐電耗的21.7%，這樣大幅節(jié)約了電能。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）40Cr10Si2Mo鋼螺栓，真空爐按標(biāo)準(zhǔn)要求的淬火溫度1000℃、保溫時(shí)間80min，淬火后700℃回火120min執(zhí)行，能滿足性能要求。

2）40Cr10Si2Mo鋼螺栓，連續(xù)網(wǎng)帶爐比標(biāo)準(zhǔn)淬火溫度低60℃，即940℃通過加長(zhǎng)保溫時(shí)間，保溫時(shí)間達(dá)150min，淬火后700℃回火120min，能滿足性能要求。

3）對(duì)真空爐與連續(xù)網(wǎng)帶爐生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行了全面的對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，連續(xù)網(wǎng)帶爐生產(chǎn)的產(chǎn)品在硬度均勻性、抗拉強(qiáng)度的均勻性、高溫強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度及金相組織等方面優(yōu)于真空爐，且連續(xù)網(wǎng)帶爐的生產(chǎn)效率約是真空爐的17倍，解決了生產(chǎn)瓶頸，大大降低了熱處理能耗。