SCM435合金鋼的退火工藝研究

王斯華 劉崇堯

（東莞科力線材技術(shù)有限公司，廣東 東莞 523200）

SCM435冷鐓鋼是制造10.9～12.9級(jí)高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)件的主流鋼種[1]，是緊固件行業(yè)的重要原材料，由于其組織與性能不能完全滿足冷鐓成型的要求，在冷鐓過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋、開裂，進(jìn)而產(chǎn)生大量廢品[2]。而合金鋼的球化退火對(duì)均勻組織、降低硬度和提高塑性具有重要意義。球化效果對(duì)冷鐓合格率影響較大，目前，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年由球化退火不當(dāng)導(dǎo)致材料在冷鐓成型及后續(xù)加工工序中出現(xiàn)開裂、斷裂的報(bào)廢產(chǎn)品超出總產(chǎn)量的5%，同時(shí)，球化退火在緊固件生產(chǎn)過(guò)程中需要長(zhǎng)時(shí)間加熱，是最耗時(shí)、耗能的工序[3]。因此，研究SCM435合金鋼的球化退火工藝，對(duì)提高冷鐓合格率、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源都具有重要意義。

對(duì)于含碳量不同的鋼材，即便使用相同的球化退火工藝，取得的球化效果也不一樣，因此，對(duì)于特定含碳量的鋼材，制定球化退火工藝需要經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)和研究。該文從企業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)SCM435合金鋼進(jìn)行球化退火試驗(yàn)研究，提出SCM435合金鋼的球化退火工藝，使球化退火后的SCM435合金鋼具備優(yōu)良的組織和力學(xué)性能，解決了生產(chǎn)中報(bào)廢率高和質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用直徑為15mm的SCM435合金鋼熱軋線材進(jìn)行退火，其化學(xué)成分見表1。球化退火采用井式爐，該爐為周期式加熱爐。試驗(yàn)采用裝載試驗(yàn)，該熱處理爐最大裝爐量為12t，溫度控制范圍為0℃～980℃。

表1 SCM435合金鋼的化學(xué)成分（wt.%）

在標(biāo)準(zhǔn)件廠，經(jīng)常用到的球化退火熱處理主要有[4]亞溫退火熱處理、等溫球化退火熱處理、周期球化退火熱處理和一般球化退火熱處理（緩冷法）。等溫球化退火工藝是將試樣加熱至略低于Ac1點(diǎn)（加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度）的溫度，然后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間保溫，使鋼中的片狀碳化物自發(fā)球化成球狀碳化物。大部分鋼種均可以采用等溫球化熱處理，特別適用于對(duì)球化質(zhì)量要求較高的冷鐓鋼和難以球化的鋼。與普通球化相比，等溫球化熱處理可以減少退火時(shí)間。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和工廠實(shí)際使用的常規(guī)球化退火工藝，該文采用等溫球化退火方式，其熱處理工藝如圖1所示。將SCM435合金鋼試樣在退火爐中加熱至保溫溫度（T1），保溫一定時(shí)間（t1），然后以25℃/h冷卻至等溫溫度（T2），保溫一定時(shí)間（t2），再隨爐冷卻至小于550℃時(shí)出爐空冷。

圖1 等溫球化退火曲線

1.2 分析檢測(cè)

1.2.1 金相組織

將SCM435合金鋼樣品用不同的砂紙由粗到細(xì)依次磨制，直至表面基本無(wú)刻痕，然后在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，拋至樣品表面呈光滑鏡面為止。再將拋光好的樣品沖洗干凈，滴一滴乙醇后吹干，采用含量為4%的硝酸乙醇進(jìn)行表面腐蝕處理。待腐蝕面呈淺灰色再?zèng)_洗、吹干。腐蝕好的樣品可以直接放在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，并拍攝金相照片。

1.2.2 硬度測(cè)試

試驗(yàn)過(guò)程載荷選用0.3kgf。使用顯微維氏硬度計(jì)（402MVA），根據(jù)GB/T4340.1—2009金屬材料維氏硬度試驗(yàn)的第1部分（試驗(yàn)方法）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球化退火后SCM435合金鋼硬度進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 保溫溫度對(duì)SCM435合金鋼組織的影響

粒狀滲碳體的形成與碳原子的擴(kuò)散密不可分，要保證碳原子能有效擴(kuò)散，保溫溫度的選擇尤為重要[5]。保溫溫度是保證球化的首要條件。如果保溫溫度過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致滲碳體溶解過(guò)多，球化核心大幅減少，退火后易獲得片狀珠光體；如果保溫溫度過(guò)低，將導(dǎo)致滲碳體溶解較慢，甚至可能使珠光體中的部分片狀滲碳體被保留下來(lái)，使退火后的合金鋼硬度較高[5]。因此，正確選擇保溫溫度是獲得好的球化組織的關(guān)鍵。

將SCM435合金鋼試樣分別在退火爐中加熱至760℃、770℃、780℃、790℃，保溫3h，然后以25℃/h冷卻至700℃保溫5h，在<550℃時(shí)出爐空冷。對(duì)樣品進(jìn)行金相分析，如圖2所示。由圖2可以清晰地看出SCM435合金鋼的球化效果，經(jīng)不同保溫溫度退火后，SCM435合金鋼的顯微組織為鐵素體和細(xì)小球狀碳化物。隨著保溫溫度的升高，球狀滲碳體在基體中分布更均勻，球狀滲碳體晶粒細(xì)小，且沒(méi)有出現(xiàn)粗大滲碳體。但是當(dāng)溫度升至790℃時(shí)，出現(xiàn)了少量的滲碳體聚集。對(duì)于SCM435合金鋼，保溫溫度選擇780℃，可以達(dá)到較好的球化效果。

圖2 不同保溫溫度退火后SCM435鋼的金相組織

2.2 保溫時(shí)間對(duì)SCM435合金鋼硬度的影響

保溫時(shí)間也是影響球化效果的重要因素之一。如果保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，得到的球化組織往往不均勻，達(dá)不到良好的球化效果；如果保溫時(shí)間過(guò)短，原始組織中的片狀滲碳體難以破碎，導(dǎo)致合金鋼球化后硬度偏高。將SCM435合金鋼在780℃的溫度下分別保溫2h、3h、4h、5h，然后以25℃/h緩慢冷卻至700℃保溫5h，在<550℃出爐空冷，得到退火態(tài)樣品，采用硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，SCM435合金鋼的硬度值明顯降低，但當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)3h后，鋼的硬度值緩慢上升。因此，經(jīng)退火后可以降低SCM435合金鋼硬度，提高SCM435合金鋼的塑性。因此，保溫溫度和保溫時(shí)間對(duì)SCM435合金鋼的球化具有關(guān)鍵作用。

圖3 SCM435鋼的硬度隨保溫時(shí)間的變化關(guān)系

選擇合適的保溫溫度和保溫時(shí)間可以保留一定數(shù)量的殘留碳化物，并使殘留碳化物的尺寸和數(shù)目達(dá)到最佳值，作為冷卻時(shí)碳化物析出的形核質(zhì)點(diǎn)。在共析轉(zhuǎn)變中，碳化物會(huì)最先在殘留碳化物表面析出。雖然點(diǎn)狀殘留碳化物能作為冷卻時(shí)碳化物析出的形核質(zhì)點(diǎn)，但是碳化物并不是全部以點(diǎn)狀殘留碳化物為形核質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行析出。當(dāng)點(diǎn)狀殘留碳化物數(shù)目太少時(shí)，不能提供足夠的位置供給大量的碳化物析出，只有一部分碳化物以殘留碳化物為成核質(zhì)點(diǎn)并以顆粒狀析出，另一部分碳化物將直接從基體以短棒狀析出。顯然，組織中殘留碳化物的數(shù)目越小，析出的顆粒狀碳化物就越少。在接下來(lái)的碳化物球化長(zhǎng)大的過(guò)程中，碳化物的球化長(zhǎng)大是通過(guò)小粒子溶解并在大粒子上重新析出的方式實(shí)現(xiàn)的，以界面能的降低為驅(qū)動(dòng)力。在共析轉(zhuǎn)變中，當(dāng)殘留碳化物全部溶解或以片狀存在時(shí)，碳化物就完全以片狀形式析出，所處狀態(tài)比較穩(wěn)定，只有經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的保溫，才有可能轉(zhuǎn)變成球狀。當(dāng)組織中的點(diǎn)狀殘留碳化物數(shù)目較多時(shí)，碳化物則以短棒狀或顆粒狀析出，其界面能小，曲率半徑小，很容易溶解，所處狀態(tài)不穩(wěn)定，在后期的冷卻過(guò)程中非常容易長(zhǎng)大，球化熱處理結(jié)束后能得到完全的球化組織。

2.3 等溫溫度對(duì)SCM435合金鋼組織的影響

在等溫階段，奧氏體中的碳化物通過(guò)擴(kuò)散遷移到殘留碳化物核心處并析出成球形。為了研究等溫球化退火中等溫溫度對(duì)球化效果的影響，該文將SCM435合金鋼加熱至780℃等溫3h，然后以25℃/h分別冷卻至680℃、690℃、700℃、710℃并等溫5h，隨爐冷卻至<550℃出爐空冷。在金相顯微鏡下觀察SCM435合金經(jīng)不同等溫溫度熱處理后的組織，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，經(jīng)不同等溫溫度熱處理后，SCM435合金組織分布及碳化物的形態(tài)均發(fā)生變化。組織基體為鐵素體，鐵素體基體上彌散分布粒狀（或球狀）碳化物。等溫溫度為700℃時(shí)，球狀碳化物在基體中的分布最均勻。

圖4 不同等溫溫度退火后SCM435鋼的金相組織

2.4 等溫時(shí)間對(duì)SCM435合金鋼組織和硬度的影響

將SCM435合金鋼加熱至780℃保溫3h，然后以20℃/h冷卻至700℃，分別等溫3h、4h、5h、6h，隨爐冷卻至<550℃出爐空冷。研究等溫時(shí)間對(duì)球化效果的影響，用硬度計(jì)測(cè)試球化退火后的SCM435合金鋼的硬度，結(jié)果如圖5所示。在等溫時(shí)間3h～5h內(nèi)，SCM435合金鋼的硬度隨等溫時(shí)間延長(zhǎng)而降低。當(dāng)?shù)葴貢r(shí)間為3h時(shí)，SCM435合金鋼的硬度值為158HV0.3；當(dāng)?shù)葴貢r(shí)間為5h時(shí)，SCM435合金鋼的硬度值降至142HV0.3；當(dāng)?shù)葴貢r(shí)間為6h時(shí)，SCM435合金鋼的硬度值有所上升。主要原因是等溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，滲碳體容易長(zhǎng)大，導(dǎo)致硬度升高。同時(shí)等溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)消耗更多能源，提高了生產(chǎn)成本。由此可知，等溫球化退火可顯著降低SCM435合金鋼的硬度，使其能滿足冷鐓成型的要求，有效減少了冷鐓過(guò)程中的裂紋、開裂和掉頭等現(xiàn)象，降低了報(bào)廢率。

圖5 SCM435鋼的硬度隨等溫時(shí)間的變化關(guān)系

3 結(jié)論

該文以SCM435合金鋼為研究對(duì)象，對(duì)SCM435合金鋼的球化退火進(jìn)行研究，通過(guò)大量試驗(yàn)研究得出的結(jié)論如下。1）采用等溫球化退火工藝對(duì)SCM435合金鋼進(jìn)行熱處理可以得到較好的球化效果。2）經(jīng)球化退火后，SCM435合金鋼的組織比球化前有明顯改善，硬度可以達(dá)到冷鐓的技術(shù)要求。3）SCM435合金鋼的最佳球化退火工藝為隨爐加熱至780℃保溫3h，隨爐冷卻至700℃保溫5h，然后隨爐冷卻至550℃空冷。