易貞峰

寧波群力緊固件制造有限公司 浙江寧波 315205

1 序言

我公司主要生產(chǎn)高強(qiáng)度緊固件，材料為SCM435、42CrMo、40Cr、35K、10B21等調(diào)質(zhì)鋼，wC主要在0.2%～0.42%，主要性能等級為8.8級、10.9級、12.9級等緊固件產(chǎn)品。按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]要求，緊固件產(chǎn)品除了需滿足硬度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度等一系列力學(xué)性能要求外，還需滿足表面滲碳脫碳的要求。我公司主要熱處理設(shè)備為網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線，其中一條網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線型號為SY806-4（220V，250kW），可通入甲醇（直接通入爐內(nèi)進(jìn)行裂解）和丙烷進(jìn)行爐內(nèi)氣氛調(diào)節(jié)，配備SSI AC20碳勢控制儀表控制丙烷流量閥的通斷。網(wǎng)帶爐淬火加熱區(qū)分為4個，每區(qū)配一支熱電偶并預(yù)留有監(jiān)視熱電偶位置，氧探頭位于3區(qū)位置，在淬火油槽處有排放裝置，廢氣經(jīng)過燃燒后直接排放。由于產(chǎn)能原因，需要將12.9級產(chǎn)品移至此條生產(chǎn)線進(jìn)行熱處理生產(chǎn)，但該生產(chǎn)線主要用于生產(chǎn)8.8級緊固件產(chǎn)品，之前偶爾處理12.9級緊固件產(chǎn)品，頻繁發(fā)生增碳現(xiàn)象。

2 檢驗標(biāo)準(zhǔn)及體系要求

2.1 檢驗方面

按GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]規(guī)定，增碳或脫碳檢測方法有以下兩種。

1）金相法：通過取距離螺紋末端1倍直徑長度，沿螺紋軸心線方向切開取縱向截面的試樣，鑲嵌后，用砂紙打磨、拋光，用3%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，在金相顯微鏡下進(jìn)行觀測實際的脫碳層或增碳層。

2）硬度法：按圖1所示測定3個點(diǎn)的值，其中E和H1的取值按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]規(guī)定進(jìn)行，載荷選用為0.3kg（2.94N），硬度法為仲裁方法。在本文中用HV0.3（1）、HV0.3（2）、HV0.3（3）分別表示圖1中的1、2、3點(diǎn)位置的維氏硬度值，0.3表示載荷為0.3kg。

圖1 脫碳試驗和增碳試驗的硬度測量

脫碳判斷：按GB/T 3098.1—2010規(guī)定，應(yīng)滿足HV0.3（2）≥HV0.3（1）－30，否則視為脫碳。

增碳判斷：按GB/T 3098.1—2010規(guī)定，應(yīng)滿足HV0.3（3）≤HV0.3（1）+30，否則視為增碳。

本文主要闡述增碳控制，脫碳控制需要在淬火前的球化退火過程中進(jìn)行，在此暫不述及。

2.2 CQI-9熱處理體系要求

按照CQI-9[2]熱處理體系要求，熱處理組織應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄕ{(diào)整并重新建立/確定實際的氣氛與原有的控制和備份的氣氛讀數(shù)之間的差異。為滿足CQI-9體系要求，我公司配備了1/10000天平、箔片以便對爐內(nèi)氣氛進(jìn)行定碳，后來又配備了三氣分析儀以便對爐內(nèi)氣氛進(jìn)行迅速有效的在線檢測。

3 碳勢及碳勢控制

碳勢是表征含碳?xì)夥赵谝欢囟认赂淖児ぜ砻婧剂磕芰Φ膮?shù)，如果爐內(nèi)氣氛的碳勢低于產(chǎn)品材料的碳含量，則產(chǎn)品表面有可能會脫碳；反之，如果爐內(nèi)氣氛的碳勢高于產(chǎn)品材料的碳含量，則產(chǎn)品表面有可能增碳。要控制產(chǎn)品表面的增碳或脫碳，須先控制住爐內(nèi)氣氛的碳勢，讓爐內(nèi)氣氛處于受控狀態(tài)。

在一定溫度下，爐內(nèi)氣氛中的氧氣和碳勢存在一定的對應(yīng)關(guān)系。通常在碳勢控制過程中，碳控儀表借助插入爐膛內(nèi)的氧探頭取得一個代表氧含量的毫伏值，轉(zhuǎn)換成碳勢值與設(shè)定值比較，并根據(jù)比較結(jié)果控制丙烷通入爐內(nèi)的量達(dá)到碳勢控制。CQI-9要求定期驗證爐內(nèi)氣氛，以確保碳控儀表顯示值與爐內(nèi)碳勢真實值是正確對應(yīng)的，實際上也就是確定兩者之間的差值在允許范圍內(nèi)，此范圍一般為±0.03%。

4 試驗流程及結(jié)果

4.1 摸底抽樣檢驗

對在線熱處理DIN912的M24×120材料為ML20MnTiB鋼10.9級產(chǎn)品摸底抽樣檢驗，熱處理工藝參數(shù)見表1。

表1 M24×120材料為ML20MnTiB鋼10.9級產(chǎn)品熱處理工藝參數(shù)

從表1現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)看，生產(chǎn)過程無異常，接下來進(jìn)行相關(guān)測試。

1）金相檢測，如圖2所示。從金相上可看到，產(chǎn)品牙底增碳層深度約0.122mm，牙頂是約0.129mm，說明儀表顯示值0.18%是不真實的，需進(jìn)行定碳（爐氣檢測），然后對碳控儀表進(jìn)行修正。

圖2 M24×120金相組織（100×）

2）硬度法檢測，結(jié)果見表2。與金相法檢測得出的增碳結(jié)果相吻合，需對爐內(nèi)氣氛進(jìn)行定碳。

表2 硬度法檢測結(jié)果

4.2 爐氣摸底檢測

1）使用三氣分析儀進(jìn)行在線檢測，得到爐內(nèi)氣氛各組分值及碳勢，見表3。

表3 三氣分析爐內(nèi)氣氛值 （%）

2）用定碳片在三區(qū)定碳，箔片原始厚度0.08mm，保溫30min，AC20儀表實際顯示0.18%，定碳方法按照J(rèn)B/T 10312—2001《鋼箔測定碳勢法》[3]進(jìn)行，計算公式

式中C——采用稱重法測得的鋼箔滲碳后的碳含量（%）；

C0——鋼箔滲碳前的原始碳含量（%）；

Wf、Wi——用分析天平測量的滲碳前后鋼箔的重量（g）。

計算后得出爐內(nèi)實際碳勢為0.30%，見表4。

表4 箔片法測量碳勢值

三氣分析法和箔片法測試結(jié)果相差0.02%，可認(rèn)為測試結(jié)果可靠。

由上面的兩種方法可知，爐內(nèi)實際碳勢高于碳控儀表的顯示值，需對碳控儀表進(jìn)行修正。

4.3 對碳控儀表SSI AC20進(jìn)行COF參數(shù)修正

SY806-4三永網(wǎng)帶爐沒有配備往爐內(nèi)通入空氣的通道，AC20碳控儀表控制的是丙烷流量閥，由此可得出修正爐內(nèi)碳勢的思路為：先固定尾氣的排放量，然后將通入爐內(nèi)的甲醇流量降下來，使得爐內(nèi)氣氛中的CO占比隨之下降，從而將爐內(nèi)氣氛的碳勢實際值降低，再使AC20碳控儀表的顯示值正確地顯示實際碳勢值，即可實現(xiàn)低碳勢的控制。當(dāng)碳勢設(shè)定值高于降低流量后甲醇能供給的碳勢時，由AC20碳控儀表控制丙烷電磁閥的開啟通入丙烷，降低流量后通入的甲醇裂解提供不了的碳勢差值由丙烷通入爐內(nèi)裂解來補(bǔ)充。這些都須基于AC20碳控儀表正確顯示爐內(nèi)實際碳勢。

具體修正操作如下：

1）鑒于前面的分析，先將尾氣排出量調(diào)節(jié)閥固定住，不允許調(diào)節(jié)其開啟大小，并固定產(chǎn)品裝載量。

2）調(diào)整通入甲醇流量，將其由50mL/min降至25mL/min，因為通入爐內(nèi)的甲醇量少了，產(chǎn)氣量也隨之少了，爐壓隨之降低，導(dǎo)致淬火油槽處的尾氣火焰長度由400mm左右降到了300mm左右。

3）SSI AC20碳控儀表操作說明書中修正COF參數(shù)方法為：將AC20的COF值200和顯示碳勢值0.40%（見圖3）相連PIVOT交于一點(diǎn)，通過此點(diǎn)將定碳所得真實值0.35%連接起來，延長線與右側(cè)線交于175，則所需設(shè)置的COF值即為175。實際可用內(nèi)插法計算求出所需的COF值，假設(shè)所需的COF值為X，則X/200=0.35/0.4，由此得出X=200×0.35/0.4=175，與在圖3上作圖所得結(jié)果一致。

圖3 COF值與碳勢關(guān)系

依此法，AC20儀表COF原始值為308，需要修正的COF參數(shù)值=308×0.3/0.18=513，在此暫取500。如果后面發(fā)現(xiàn)此值不合適再重新計算確定，同時將AC20碳勢表里的COF值更新為500。

4.4 檢測COF參數(shù)修正后的爐氣

同樣使用箔片定碳法和三氣分析法進(jìn)行。熱處理工藝參數(shù)見表5，三氣分析儀分析結(jié)果見表6，箔片法定碳結(jié)果見表7。

表5 熱處理工藝參數(shù)

表6 三氣分析爐內(nèi)氣氛值 （%）

表7 箔片法測量碳勢值

由上結(jié)果可知，修正后CO的占比降至了25.6%，爐內(nèi)碳勢實際值降至了0.22%/0.24%，AC20儀表的顯示為0.22%。兩種方法檢測結(jié)果與儀表顯示均在0.03%以內(nèi)，結(jié)果可以接受。

4.5 檢測COF參數(shù)修正后熱處理爐內(nèi)的產(chǎn)品

金相檢驗如圖4所示，從金相上看表面已無增碳層，說明爐內(nèi)氣氛在修正后達(dá)到預(yù)期的效果。

圖4 COF修正后M24×120金相組織（100×）

硬度法檢測金相樣件，結(jié)果見表8。

表8 增碳測試數(shù)據(jù)

表8數(shù)據(jù)與金相檢測結(jié)果吻合，說明經(jīng)過調(diào)整后，碳勢控制達(dá)到了預(yù)期的效果。

4.6 進(jìn)一步驗證處理12.9級產(chǎn)品符合性

處理12.9級材料SCM435規(guī)格M12×80產(chǎn)品時，碳勢設(shè)置為0.35%，實際顯示也為0.35%，金相分析如圖5所示，從金相上看產(chǎn)品能達(dá)到要求。

圖5 M12×180金相組織（100×）

硬度法檢測金相樣件，結(jié)果見表9。

表9 材料為SCM435鋼的產(chǎn)品增碳測試數(shù)據(jù)

由檢測結(jié)果可知，材料由20MnTiB換為SCM435，爐內(nèi)碳勢同樣也能達(dá)到預(yù)期的要求。跟蹤 ML40Cr和SCM435材料的12.9級產(chǎn)品多批次生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)均能達(dá)到要求。

5 結(jié)束語

SY806-4三永網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線AC20碳勢控制儀表的顯示碳勢與爐內(nèi)實際碳勢之差超出了要求，通過降低甲醇流量，固定住尾氣排放閥的開放量大小以及產(chǎn)品的裝載量，用三氣分析儀及箔片定碳法對爐內(nèi)氣氛進(jìn)行檢測（箔片法為仲裁法，但三氣分析儀可得出爐內(nèi)氣氛組分），然后修改AC20儀表COF參數(shù)值為500，使?fàn)t內(nèi)氣氛得到精確控制，實現(xiàn)了在SY806-4三永網(wǎng)帶爐中量產(chǎn)12.9級緊固件產(chǎn)品的目的。