鋼材熱處理之: 緊固件的網(wǎng)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(qiáng)度、耐磨性，同時(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)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(xué)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(qiáng)度，滲碳材料一般為低碳鋼或低碳低合金鋼。

傳統(tǒng)的氣體滲碳技術(shù)，其滲碳過程一般分為分解、吸附和擴(kuò)散三個(gè)階段。而目前緊固件企業(yè)使用量較多的是網(wǎng)帶爐滲碳，該設(shè)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(gè)爐膛的碳勢分布，其技術(shù)的不足是工件在滲碳期始終處于高碳勢狀態(tài)，難以獲得良好的滲層碳濃度梯度分布。

為深入了解網(wǎng)帶爐爐內(nèi)氣氛的分布以及影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素，我們結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行研究，本文以自攻鎖緊螺釘為例，試驗(yàn)分析網(wǎng)帶爐滲碳技術(shù)，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(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用M6×20盤頭內(nèi)花六角頭自攻螺釘，材料為SWRCH22A，材料符合日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。產(chǎn)品技術(shù)要求：滲碳層深度0.15～0.28mm，回火后心部硬度（30±2）HRC。

試驗(yàn)用無馬弗SY-805-6三永網(wǎng)帶爐，由爐體、電熱元件、熱電偶、氧探頭、攪拌風(fēng)扇和輸送帶組成，爐體由抗?jié)B層、保溫層和爐殼組成，爐膛為貫通式結(jié)構(gòu)，采用前排氣方式。時(shí)間、碳勢和溫度等參數(shù)可在PLC系統(tǒng)的程序內(nèi)設(shè)定并執(zhí)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(shí)間由變頻器控制，碳勢由碳控儀控制，信號由反應(yīng)靈敏的氧探頭測量，功率由三相SCR電力調(diào)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(jù)碳勢由電磁閥控制。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果

爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在880℃,設(shè)定碳勢1.2%。三永SY-805-6型網(wǎng)帶爐分為6區(qū)，氧探頭安裝在4區(qū)和5區(qū)，用三氣分析儀測量4區(qū)、5區(qū)和6區(qū)的碳勢，4區(qū)1.18%，5區(qū)1.21%，6區(qū)1.24%。網(wǎng)帶爐內(nèi)氣氛均勻性通過攪拌風(fēng)扇控制，產(chǎn)品在3區(qū)前面時(shí)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(qū)由于油蒸氣的分解碳勢略有上升。

（2）試驗(yàn)工藝

在網(wǎng)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(yīng)根據(jù)螺釘規(guī)格選擇，對于合金鋼可滲碳直接淬火，而對碳素鋼應(yīng)滲碳后空冷，二次加熱淬火。試驗(yàn)工藝見附表。

自攻鎖緊螺釘熱處理工藝

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(dāng)430℃回火后心部硬度在30HRC，達(dá)到8.8級螺栓的機(jī)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(jīng)510℃回火后心部硬度在30HRC，達(dá)到8.8級螺栓的力學(xué)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(jīng)530℃回火后心部硬度達(dá)到35HRC，達(dá)到10.9級螺栓的力學(xué)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(yàn)分析

無論采用何種滲碳方式，所用滲碳劑經(jīng)高溫裂解后滲碳組分應(yīng)為CO、CO2、CH4、H2，產(chǎn)生活性碳原子在工件表面吸附，并擴(kuò)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(wǎng)帶式滲碳爐十分有利，工件是按照預(yù)先設(shè)定的條件進(jìn)行處理，工件連續(xù)地在裝料口裝爐，處理之后在出料口連續(xù)出爐。隨著滲碳時(shí)間的延長，影響滲碳速度在因素也發(fā)生變化，即滲層深度的增加主要受碳在鋼中的擴(kuò)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(xì)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(shí)間等，當(dāng)螺釘?shù)牟?/span>質(zhì)、滲碳溫度和碳勢確定后，滲碳時(shí)間將根據(jù)滲碳層深度確定，各種滲碳劑或滲碳?xì)怏w在高溫下產(chǎn)生的活性原子是不一樣的。在連續(xù)式網(wǎng)帶爐內(nèi)滲碳碳勢設(shè)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(nèi)部擴(kuò)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(dāng)?shù)拇阃感缘臈l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(nèi)氣氛產(chǎn)生影響，若不清洗干凈則直接影響爐內(nèi)氣氛和控制精度，還要注意空爐時(shí)網(wǎng)帶上是否有殘留黃色粉末，如有應(yīng)認(rèn)真對待處理螺釘?shù)那逑垂ぷ鳌Ｓ捎诰W(wǎng)帶爐不具備滲碳后空冷條件，所以應(yīng)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(zhì)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(shí)產(chǎn)生的氫氣及碳氮共滲時(shí)周圍介質(zhì)中氫氣（一般高達(dá)60%～70%），可在鋼中溶解一部分。當(dāng)電鍍、磷化工序陰極電流效率達(dá)不到100%時(shí)，會產(chǎn)生大量的氫原子附在螺釘表面，從而產(chǎn)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(qū)氫時(shí)間6～8h，由于溫度可提高氫在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)，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(dá)不到除氫目的。驅(qū)氫溫度選擇在140～170℃（磷化）、200～240℃（電鍍），但生產(chǎn)中要根據(jù)心部硬度、表面粗糙度電鍍時(shí)間、鍍層厚度、酸洗時(shí)間、酸濃度等生產(chǎn)條件來確定驅(qū)氫時(shí)間，應(yīng)在鈍化處理前、剛剛電鍍后（4h之內(nèi)）進(jìn)行。

6.結(jié)語

網(wǎng)帶滲碳爐適合于零件尺寸小，數(shù)量和工藝變化大的場合，尤其是針對緊固件行業(yè)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(jìn)、完善，才能生產(chǎn)出具有市場競爭力的產(chǎn)品。

作者：陸柯杰