熱處理技術熱點 10個熱處理技術點
1 非金屬夾雜物對高強度螺栓有哪些影響？ 非金屬夾雜物在鋼中主要以氧化物和硫化物的形式存在。根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，非金屬夾雜物按JK圖評定（A類硫化物、B類氧化鋁類、C類硅酸鹽類、D類球狀氧化物類和DS類單顆粒球狀類）。
鋼中的夾雜物通常對其性能是有害的，會造成鋼的組織不均勻；夾雜物往往是裂紋源，因而鋼中夾雜物是鋼的斷裂韌性重要影響因素，其中條狀MnS影響最為明顯。它的存在割裂了金屬的連續性，剝落后就成為凹坑或裂紋，在冷鐓成形時極易形成裂紋源，熱處理時易造成應力集中，產生淬火裂紋。因此，高強度緊固件對夾雜物應嚴格控制，鑒于我國鋼材標準GB/T 3077、GB/T 6478暫未對夾雜物做出明確要求。C類（硅酸鹽類）和D類（球狀氧化物類）對熱處理的影響最大，硅酸鹽夾雜物應不大于1.5級，球狀氧化物夾雜應不大于2級為佳；對氧化物和硫化物夾雜物之和應不大于3級。
鋼中的夾雜物的形狀和分布可以影響高強度螺栓的綜合性能。熱處理如果改變鋼中的夾雜物形狀和分布，則夾雜物在熱處理前后對材料會產生不同的影響。如果熱處理不改變夾雜物形狀和分布，只引起基體組織變化，則需要考慮夾雜物對熱處理過程中基體組織變化的影響。
在熱處理過程中，夾雜物對組織的影響主要是促進鐵素體形核，從而有效分割晶粒，細化組織。實踐證明，經過熱處理后，雖然夾雜物的大小、級別、狀態有所改變，但原材料組織不良的情況不可能根本改觀，會繼續遺留下來，因此對高強度螺栓沖擊試驗的影響較大，往往造成低溫沖擊功不合格。
這個問題很關鍵。重新調質熱處理也不能滿足技術要求。
2 對于鋼結構M82以上大規格10.9級高強度螺栓，采用什么鋼材？
這涉及一個成分和淬透性的問題，現在常用的42CrMo、B7、40CrNiMoA鋼，目前的工藝能滿足硬度及強度要求，但對于其它性能如斷后伸長率、沖擊韌性就難達到要求。一般用34CrNi3Mo鋼，34CrNi3Mo鋼為大截面調質用合金鋼，它的化學成分為0.30%～0.40%C、0.17%～0.37%Si0.、50%～0.80%Mn、0.70%～1.10%Cr、0.25%～0.40%Mo、2.75%～3.25%Ni。油淬臨界直徑可達φ60～80mm，淬透性優點，其他鋼種無法比擬。34CrNi3Mo鋼的臨界點溫度Ac1=725℃、Ac3＝790℃，淬火溫度選擇在860～880℃水溶液冷卻、880～900℃快速淬火油冷卻；對于10.9級螺栓回火溫度，一般在560～590℃回火水冷。
高強度螺栓規定了螺紋截面的芯部在“淬硬”狀態、回火前獲得約90%的馬氏體組織要求。為了保證淬透性，對于直徑大于φ50mm，淬火介質選用影響最大，當油淬火時不能滿足機械性能要求，則必須采用水淬，原則是在不淬裂的前提下盡量采用水溶液。因為水淬有較多的優點，如有較深的淬硬層、較優的機械性能、生產成本低等。我們搞熱處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%的鋼材,帶狀組織偏析應控制在1.5級以下，其中控制非金屬夾雜物的等級，如硫化物類、氧化鋁類、球狀氧化物類均不大于1.5級（包括粗、細系）。若沖擊韌性不夠，考慮增加一道580～600℃再回火工序，然后快冷。
3 什么是五害元素？對冷鐓鋼有何危害？
H、O、N、P和S 稱為“五害元素”，嚴重危害緊固件用的冷鐓鋼。對于緊固件企業而言，對緊固件生產用鋼的檢測就十分必要。
五害元素的減少，使冷鐓鋼中有可能成為裂紋源的硫化物、氧化物及氮化物夾雜在晶內及晶界的數量減少，從而使晶界弱化作用降低，斷裂韌性和沖擊韌性提高。研究表明，在含有0.60%～0.90%Mn冷鐓鋼中，S主要形成MnS夾雜，MnS夾雜在鋼的基體中相當于裂紋源，S和P元素在晶界的偏析使晶界弱化，因此，S和P含量的增加降低了鋼的塑性，使鋼的斷面收縮率降低。鋼中N 主要生成氮化物夾雜，因而N 的增加使鋼的斷面收縮率明顯降低，而斷后伸長率變化不大。O在鋼中主要形成氧化物夾雜，O 增加使氧化物夾雜增多，鋼的斷面收縮率明顯降低。H 在鋼中會產生白點、點狀偏析等缺陷，隨著H 含量降低缺陷減少，斷面收縮率明顯升高。
對大規格高強度螺栓用鋼而言，減少五害元素，從而減少非金屬夾雜物的含量及夾雜元素在晶界的偏聚，增大裂紋形核和擴展阻力，對保證螺栓正常服役十分有效。
4 鋼的晶粒度如何評定？
鋼的晶粒大小與所處熱處理狀態有關。晶粒度是奧氏體化溫度和時間的函數，評定的不是在某任意規定溫度下的晶粒大小，而是在熱處理中實際執行奧氏體化的條件下晶粒的大小，這就是常規的“奧氏體晶粒度”。奧氏體晶粒度就是指“奧氏體的實際晶粒度”；也就是鋼在實際使用時，經奧氏體化處理所得到奧氏體晶粒度。GB/T6394-2013《金屬平均晶粒度測定方法》中涉及到的“奧氏體晶粒度”也就是“奧氏體的實際晶粒度”。標準規定了金屬組織的平均晶粒度表示及評定方法；本方法主要適用于單相晶粒組織，但經具體規定后也適用于多相或多組元的試樣中特定類型的晶粒平均尺寸的測量。
晶粒度是指晶粒大小的量度，通常使用長度、面積或體積來表示不同方法的評定或測量晶粒大小。真正影響鋼材使用的是鋼的奧氏體的實際晶粒度，而不是“本質晶粒度”。通過適當的顯示方法將晶粒顯現出來，視晶粒分布情況與狀態采用相應的測量方法，美國ASTM標準就設有一系列測量方法的標準。現行的GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》就是參照美國ASTM E112制定的；與GB/T 24177-2009《雙重晶粒度表征與測量方法》（參照ASTM E1181制定的）和JB/T4290-2012《金相檢測面上最大晶粒尺寸級別（ALA晶粒度）測定方法》(等同采用ASTME930-99(2007)等標準的發布實施，形成完整的晶粒度測定方法標準體系,更好地與國際接軌，將組成完整晶粒度測量標準系列。
標準中使用晶粒面積、晶粒直徑、截線長度的單峰分布來測量試樣的平均晶粒度。這些分布近似正態分布。測量方法僅適用于平均晶粒度的測量，不適用于試樣三維晶粒度的測量，即立體晶粒的測量。鋼的晶粒度是很重要的檢測指標，對重要緊固件是必檢項目。鋼的晶粒度對沖擊吸收能量值影響很大。
5 什么是回爐鋼、回硫鋼？
GB/T699、JIS G4051、JIS G3507～3509、SAE J403標準系列優質碳素結構鋼；GB/T6478標準系列等冷鐓冷擠壓用鋼在緊固件企業使用量最大。對于此類鋼材緊固件，不論在過去還是現在它仍然擔當著重要角色。尤其是冷鐓鋼是靠冷鐓成型制造螺栓、螺母、螺釘、鉚釘、銷釘等緊固件，冷擠壓鋼是通過冷擠壓工藝制造汽車、自行車等機械零件，又稱鉚螺鋼。
冷鐓和冷擠壓是在常溫下利用金屬塑性成形的，代替機加工，不但效率高、質量好，而且用料省、成本低(降低l0%～30%)。當代我國在冶煉技術上有了進一步發展，由于對資源的節約，使用廢鋼回爐冶煉的鋼品種有一定增加。轉爐煉鋼使用80%以上的鐵水，即使是電弧爐也可以使用超過60%的鐵水，采用鐵水預脫硫技術用于冷鐓鋼或高純凈度鋼，此時如果不在鋼包精煉或真空脫氣后實施回硫工藝，鋼中硫含量分別為0.005%～0.015%、0.010%～0.030%、0.025%～0.040%、0.030%～0.045%等區間。硫含量越高，鋼的切削性能越好；硫含量越高，鋼件的鍛造流線越嚴重，橫向性能下降越明顯。
在冷鐓變形部位，如果金屬產生激烈的橫向流動，將導致絲線狀、棒狀硫化物的扁平化，加劇硫化物分割基體的作用，使螺栓頭部或螺母六角部分、支承面出現微小裂縫，增加淬火可裂或磨削開裂的傾向。在相同性能等級的螺栓零件，回爐鋼、回硫鋼與冷鐓鋼比少了一次820～880℃的低溫奧氏體重結晶工藝，其晶粒比冷鐓鋼的粗大，是導致其韌性差的另一重要原因。因此，對高強度螺栓等不宜采用回爐鋼、回硫鋼。
GB/T3098.1-2010標準中對8.8級～10.9級的螺栓使用的材料有明確規定，對于需要熱處理的高強度螺栓鋼硫和磷的最大含量極限，從0.035%降到0.025%，其中有“添加元素的碳鋼（如硼或錳或鉻）”一類，不允許向鋼中添加鈣或鈣合金，應采取一切合理的措施，防止從生產所用的廢鋼或其它合金材料中帶進影響淬透性、力學性能和使用性能的元素。在我國大量使用的45#、40Cr鋼往往殘余合金元素過多，控制非常困難，特別是一些難于在冶煉中去除的雜質元素，S、P的含量一般都在0.025%～0.035%或更多，還有其他的雜質Cu銅、Pb鉛、Sn錫、Se硒，當鋼中有害元素P、S增加時，低倍組織檢測的中心疏松、一般疏松、方形偏析的級別將在 2～3級，白點、縮孔、氣泡、翻皮等缺陷也可見存在。此類鋼材由于價格較低，不少緊固件企業還很喜歡采用。在螺栓調質時常有淬火裂紋的事故，主要是雜質元素和非金屬夾雜物較多引起，在熱處理時采取任何措施都不可避免開裂。對于重要的產品，建議一般不用或少用45#、40Cr鋼。
6 高強度螺栓調質后為什么要進行金相檢驗？
GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》強調對8.8級及以上產品的材料要求應有足夠的淬透性，以確保螺栓螺紋截面的芯部在淬硬狀態、回火前獲得約90%的馬氏體。生產上常以硬度來衡量螺栓淬火后的回火轉變程度，為達到良好的淬透性，對10.9級及以上高強度螺栓而言，淬火組織的均勻性尤為重要。
一些企業在熱處理淬火時，沒有達到鋼材馬氏體可能得到的最高硬度，即沒有獲得最大淬硬性（鋼淬火時的硬化能力），只是通過調整回火溫度，降低回火溫度來保證螺栓的最低抗拉強度值，以此來掩蓋不良熱處理質量。為此，GB/T 3098.1標準中規定螺栓回火前獲得約90%的馬氏體組織是很有必要的。
淬火后馬氏體的粗細可按JB/T9211-2008《中碳鋼與中碳合金結構鋼馬氏體等級》進行評定。由于奧氏體化溫度不同，馬氏體形態和大小不一樣。1級屬于奧氏體化溫度偏低，淬火組織是隱針馬氏體、細針馬氏體和不大于5%的鐵素體（體積分數）；而8級則屬于過熱組織，是粗大的板條馬氏體+粗片針馬氏體。正常淬火時控制在3級～5級，其組織為細小的板條馬氏體+片狀馬氏體，6級具有較高的沖擊韌性、屈服強度和抗拉強度，適用于較大規格且要求淬透性高的螺栓。評定調質后的質量一般采用GB/T 13320-2007《鋼質模鍛件金相組織評級圖與評定方法》，試樣拋光后用體積百分數2%～5%的硝酸酒精溶液侵蝕。金相組織按1～8級評定，1級組織最好；8級組織最差。該標準第三組評級圖，適用于結構鋼調質處理件，尤其是高強度螺栓的調質檢驗。被評定的調質組織介于兩個級別之間時，以下一級為判定級別，例如大于3級小于4級時，則判為4級。
調質的金相組織分析，在光學顯微鏡下用500倍觀察，合格級別可由供需雙方協商約定，沒有約定的以1級～4級為合格。生產實踐表明，在低溫環境下服役、有低溫沖擊性能要求的螺栓，1級～3級為驗收標準。如果在評級時有爭議，可以參考力學性能檢驗結果進行判定。
7 如何正確使用淬火介質？
當今水溶性淬火介質在國內緊固件企業的普及程度越來越廣，除了中低碳鋼外，如合金鋼，馬氏體不銹鋼、熱作模具鋼等類型的產品都在嘗試采用水溶性淬火介質，且工藝控制的經驗也越來越成熟，但是對于水溶性淬火介質濃度問題的控制往往會存在偏差，導致各種熱處理質量問題。
目前，國內緊固件企業熱處理淬火介質主要采用快速淬火油和水溶性淬火介質，它們在使用過程中與高溫工件直接接觸，不可避免會發生理化性能的變化，因此在使用過程中冷卻性能均會發生一定程度的變化，需要有效地監控。一是提高淬火介質的穩定性，保證淬火工件的性能和變形在可控的范圍內；二是提供有效的冷卻性能監控方式，同時根據工況條件“量身定做”淬火介質優化方案，以保證淬火介質長期穩定的使用。
從多數緊固件企業的生產實踐來看，快速淬火油主要用于合金結構鋼的鋼種及薄壁的螺栓、螺母及異型件；水主要用于碳素結構鋼及形狀簡單的緊固件；PAG聚合物淬火介質介于水-油之間，在一定的條件可代替水，也可代替油，具有較寬的冷卻烈度范圍。
聚合物淬火介質可消除淬火油產生的油煙。減少碳排放，推廣使用聚合物淬火介質是全球范圍的趨勢。聚合物淬火介質可完全符合安全生產要求，可以確認是我國緊固件熱處理清潔生產的重要工藝材料。
目前聚合物淬火介質由于具有環保、技術和成本方面獨特優勢，其應用越來越廣泛。近年來，為了減少熱處理油煙排放，我國開發了多種環保減碳的新型淬火介質。當前聚合物淬火介質的使用約占整個淬火介質（油+聚合物淬火介質）的30%～40%。生產實踐中，為提高淬火質量，對聚合物淬火介質的使用效果試驗重現性，主要取決于攪拌的重現性，攪拌實際上是紊流。聚合物淬火介質的使用溫度、濃度及攪拌是保證淬火質量的關鍵因素。
由于PAG聚合物淬火介質中細菌以有機物為原料并催化其發生變化，會加速聚合物淬火介質的老化，縮短淬火介質的使用壽命，并使對流階段冷速加大，淬火時螺栓、螺母變形開裂傾向增大，從而使緊固件的淬火質量難以保證。現場只有調整濃度減慢冷速，但是效果并不明顯。使用生物穩定的聚合物淬火介質AQ245以及環保性能優異的速冷劑，可以較好地解決變形與開裂問題。
首先采用新液配置不同濃度的淬火液，通過冷卻特性測試儀測試不同濃度下淬火液的300℃冷速，從而建立不同濃度與冷速的標準表格或圖譜，采用冷卻特性測試儀是較理想的方法。其次，對于快速淬火油最好每年調換新油一次；水溶性淬火介質不同于淬火油，溫度、濃度、攪拌強度對其冷卻性能的影響較大，建議采用螺旋漿進行強力攪拌，以保證冷卻的均勻性，從而獲得組織和硬度的均勻性。
8 快速淬火油使用時間長了為什么會老化？
目前，快速淬火油在緊固件熱處理冷卻介質中仍然占主導作用，淬火油的使用溫度升高，會顯著加快其老化的反應速度。油溫每提高10℃，化學反應速度提高約2～4倍，原則上淬火油的使用溫度在60～80℃。淬火油加熱使用和與熱工件反復接觸，導致淬火油氧化和老化，是其在生產中的最大威脅。
長期的螺栓、螺母淬火操作使淬火油發生許多復雜的化學改變，從而引起油的特性的顯著改變，也使淬火油不斷老化，包括淬火油碳氫化合物熱分解出易揮發的組分或氣體及一些化合物的氧化，氧化產物經聚合會導致油的黏度增大，這是淬火油老化的機制反應。同時，油接觸灼熱工件表面被加熱至較高的溫度，引起油的斷鏈和發生次級反應而生成分解產物，被氧化的碳氫化合物均處于高的不穩定狀態，會發生聚合，形成油垢，甚至發生沾污工件和淤塞管路等嚴重后果。顯然，淬火油使用過程中碳氫化合物氧化的機制應予以重視。
快速淬火油使用時間長了為什么會老化，這是淬火油在使用過程中不斷地發生氧化，工件表面出現油泥和漬斑的主要原因。隨著使用時間的增加，油的氧化越來越嚴重，黏度進一步增大，油泥也進一步增多，這些都使淬火油的冷卻性能下降，以致使工件出現軟點甚至淬不硬，金相檢驗顯微組織：碳素鋼中條塊狀團絮鐵素體增多；合金鋼中呈現下貝氏體組織。這時，其實質是淬火油在使用過程中發生了嚴重的氧化。
隨著淬火油在使用過程中發生氧化，其羧(SUO-有機化合物中的含碳、氧、氫COOH的基叫羧基)酸含量會逐步升高，故可測試油的酸值來衡量其老化的程度。淬火油在連續使用2年以上后，酸值不斷升高，在酸值達到1.0～1.5mgKOH/g左右時，生成羧酸的速率明顯加快。淬火油品老化后，其冷卻曲線反映在蒸氣膜階段縮短，最大冷速增大，冷卻曲線整體向右上方移動，高溫冷速加快，工件的可淬硬性下降。酸值達到1.5mgKOH/g是淬火油老化的量化指標，也是換油的依據，一般使用達到1年就應該換新油。防止淬火油品老化的措施有：使用加氫精制的基礎油和復合抗氧化劑能有效改善油的抗氧化性能，為提高淬火油的抗老化性能，在使用淬火油時，應注意如下事項：使油處于循環狀態，及時過濾，防止進水，不要部分換油，盡量降低淬火油的使用溫度，減少污染等。
9 聚合物淬火介質的細菌滋生問題。
目前聚合物淬火介質因具有環保、技術和成本方面的獨特優勢，其應用越來越廣泛。然而與水和油不同，聚合物淬火介質富含有機養料，故易滋生細菌，從而加速聚合物淬火介質的老化，縮短淬火介質的使用壽命。使對流階段的冷速加大，從而使緊固件的淬火質量難以穩定，可能堵塞網帶爐的過濾系統，影響系統的正常運行。事實上有不少企業就是因為細菌的滋生問題，而不得不提前更換在用的淬火劑。
細菌滋生時會釋放出酸性物質，使PH值降低，PH值降低是細菌滋生的結果。可以通過經常檢測聚合物淬火介質的PH值，揭示細菌滋生的趨勢或跡象，并采取相應的措施，防止細菌滋生。較低的PH值是細菌滋生的重要原因之一；試驗結果證明，PH值低于8.0時就會明顯促進細菌生長。
在PH值低于8～8.5時要及時將其調高，以防止細菌滋生和防銹性能的下降。可以采用添加原液的辦法，或用供應商提供的PH值調節劑來調整PH值。不可用無機鹽或堿如NaOH、Na2CO3，會污染聚合物淬火劑，影響濃度的準確測量，并影響淬火過程中的傳熱，所以現場不宜用無機堿或無機鹽來提高PH值。在淬火過程中產生的氧化皮、碳黑會不斷地淤積在系統中，不僅會堵塞過濾器，也易滋生細菌，因此應定期進行清理，盡可能保持淬火介質潔凈。
為此，滋生細菌與聚合物淬火介質和配液用水的質量，淬火系統的循環、PH值、雜質雜油以及空氣中的細菌等因素有關，應針對這些因素采取相應的措施，以減少細菌的滋生，而保證聚合物淬火介質的冷卻性能。
10 碳素鋼淬火時用水冷為什么硬度不均？
碳素鋼淬火時用水淬火，金相檢驗組織中有白色網狀或塊狀組織出現，這時硬度檢驗時就有一邊硬一邊軟的硬度不均現象。
當鋼的化學成分一定時，大截面螺栓淬火時，由于淬透性的影響，從表層到芯部，冷卻速度由快變慢，此時出現的白色網狀或塊狀組織通常考慮是先共析鐵素體，形態由斷續細小半網狀向粗網狀過渡，因為一般情況下淬火溫度不會出現太大的偏差，淬火組織中出現未溶鐵素體的幾率較小，先共析鐵素體的形態與冷卻速度有關。
所以組織檢驗時首先應從冷卻速度排查，然后考慮化學成分以及加熱溫度，就能找到真正的原因。
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