高強度外六角螺栓六角螺絲第39卷 Vol. 39 第5期 No. 5 金屬制品 Metal Products doi：10． 3969 / j． issn． 1003 － 4226． 2013． 05． 014 2013 年 10 月 October 2013 緊固件螺栓調質的金相檢驗 張先鳴 （ 湖南冷水江天寶實業有限公司， 湖南 冷水江 417500） 摘 要 介紹緊固件螺栓調質金相組織及評定標準。闡述常見的調質缺陷組織和熱處理淬火缺陷組織形貌特征 及產生原因。進口螺絲在實際生產應用中，可通過金相檢驗判定緊固件成品質量是否達標或確定各種缺陷分布狀況和性 質，精制螺栓分析產生缺陷的原因和各種工藝因素對質量的影響，為改進工藝提供依據。 關鍵詞 緊固件；螺栓；調質處理；金相檢驗；組織缺陷；力學性能 中圖分類號 TG156． 6 Metallographic inspection of fastener bolt quenching and tempering ZHANG Xian-ming （ Hunan Lengshuijiang Tianbao Industrial Co． ，Ltd． ，高強度自攻螺釘Lengshuijiang 417500，雙頭螺栓批發China） Abstract To introduce fastener bolt quenching and tempering microstructure and evaluation standard． The usual pattern feature cause of quenching and tempering defects structure and heat treatment quenching defect structure are explained． In actual production application，fastener finished product quality can be decided，each defect distribution condition and property can be identified by metallographic inspection． The reason of defects production and influence of every process factors on quality are analyzed，which provide basis for process improvement． Keywords fastener； bolt； quenching and tempering treatment； metallographic inspection； structure defect； mechanical property 高強度螺栓經過調質處理（淬火加高溫回火） 具 有良好的綜合力學性能及較高的強韌性六角螺栓規格常用的鋼 材為 低、中 碳 優 質 碳 素 鋼 和 低 合 金 鋼，如 10B21、 SWＲCH35K、雙頭螺栓英文ML35、35、45 （ 生產 8． 8 級螺栓），40Cr、不銹鋼高強螺栓 SCM435、ML35CrMo、30CrMnSi、40CrMnMo（ 生產 10． 9 級螺栓），以及 35CrMoV、ML42CrMo、40CrNiMo（ 生產 12． 9級螺栓）等牌號［1］。 1 調質金相檢驗 調質是將亞共析鋼加熱超過 Ac3 以上 30 ～ 50 ℃ ，當工件淬火溫度正常u型絲保溫時間足夠，且冷卻速 度也較高，過冷奧氏體在淬火過程中未發生分解，則 淬火后得到的組織應是板條狀馬氏體和針片狀馬氏 體。在中高溫回火過程中，馬氏體中析出碳化物，獲 得回火索氏體或回火屈氏體［2］。 1． 1 調質組織與評定 為確保高強度螺栓淬火時奧氏體化充分，淬火 組織均勻，無未溶鐵素體及非馬氏體組織，必須充分 重視淬火態組織的金相檢驗。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。國外 的高強度螺栓熱處理非常重視鋼的充分奧氏體化， 確保其組織的均勻性，以獲得更佳的強韌性配合，保 障螺栓服役時安全可靠。高強度自攻螺釘國內高強度螺栓制造商對 此尚未引起足夠重視，普遍存在的問題是螺栓淬火 加熱保溫不足，奧氏體化不充分。 評定調質處理的質量一般采用 GB / T 13320— 2007《鋼質模鍛件 金 相 組 織 評 級 圖 與 評 定 方 法》。 該標準適用于經過調質處理的結構鋼件，不適用于 脫碳、過熱、過燒等組織的評定。標準要求試樣應在 冷態下用機械方法制取；若采用熱切時，u螺栓廠家必須將熱影 響區完全去除。制樣過程中，不能出現因受熱而導 致的 組 織 改 變 現 象。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 級組織更好，精制螺栓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。不銹鋼高強螺栓 ·52· 金屬制品 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 下服役的螺栓，1 級 ～ 3． 5 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。 1． 2 螺栓的調質及組織 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心部在淬硬狀 態、回火前獲得體積分數約 90% 的馬氏體。盆式支座地腳螺栓為保證 良好的淬透性，對于 8． 8 級、螺紋直徑超過 20 mm 的 螺栓需采用標準規定的合金鋼材料淬火并回火。 淬火后 馬 氏 體 的 粗 細 可 按 JB / T 9211—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帶肩雙頭螺柱低，淬火組織是隱針馬氏 體、細針馬氏體和體積分數不大于 5% 的鐵素體；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 ～ 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。圖 1 為 40Cr 鋼板條狀及針狀 馬氏體 4 級，圖 2 為 45 鋼板條狀及針狀馬氏體 5 級，圖 3 為 SCM435 鋼板條狀及針狀馬氏體 4 級 ，以 上均為正常淬火組織。 第 39 卷 圖 1 板條狀及針狀馬氏體（40Cr，4 級） × 1 000 Fig． 1 The board strips and acicular martensite（40Cr，grade four） 回火索氏體組織實際上是在 α 相基體上分布的 極小顆粒狀碳化物，如圖 4高強度螺栓的生產質量缺陷圖 5 所示。什么是高強度螺栓回火溫度根據 高強螺栓等級要求，一般在 450 ～ 600 ℃ ，高強度自攻螺釘具體溫度范 圍視鋼的化學成分有所區別。因為合金元素的加入 會減緩馬氏體的分解、碳化物的析出和聚集以及殘余 奧氏體的轉變等過程，回火溫度將移向更高［3］。 2 調質的缺陷組織 2． 1 淬火過熱組織 淬火加熱溫度偏高致使奧氏體晶粒長大，淬火 后得到粗大的馬氏體組織，如圖 6 所示。一旦出現 粗大針狀馬氏體，即使采用合理的回火溫度進行回 第5 期 張先鳴：緊固件螺栓調質的金相檢驗 ·53· 圖 5 回火索氏體（3 級） × 500 Fig． 5 Tempered sorbite（ grade three） 火，也不能獲得較好的綜合力學性能，具有該組織的 螺栓在使用過程中極有可能發生早期斷裂失效。 圖 6 粗大的馬氏體組織（42CrMo，8 級） × 500 Fig． 6 Coarse martensite structure （42CrMo，grade eight） SWＲCH35K 正常淬火溫度不超過 870 ℃ 。圖 7 試樣為 920 ℃ 淬火時，晶粒急劇長大，不同晶粒內平 行的馬氏體位向是不同的，奧氏體化相應提高，淬火 后殘余奧氏體相對多一些。粗大馬氏體組織綜合性 能差，也容易淬裂［4］。 2． 2 淬火欠熱組織 高強度螺栓正常淬火后得到的組織應是板條狀 馬氏體和針片狀馬氏體。淬火欠熱是淬火加熱溫度 過低或保溫不足高強度螺栓的連接是什么！奧氏體未均勻化，導致淬火后的組 織為馬氏體和未溶鐵素體，如圖 8 所示。即使通過 回火也不能消除鐵素體。 45 鋼在 Ac1 ～ Ac3 保溫，圖 9 鐵素體仍留在基體 內。進口螺絲同時由于淬火溫度低，保溫時間短，奧氏體均勻 化差，什么是高強度螺栓冷卻時局部發生屈氏體轉變。 2． 3 欠淬透組織 淬火溫度正常且保溫時間足夠，但冷卻速度不 夠以至于不能淬透，結果沿工件截面各部位將得到 不同的組織，即使表面是馬氏體，往中心會逐步出現 非馬氏體組織。非馬氏體組織有屈氏體、貝氏體等， 心部為屈氏體和鐵素體等組織。在低合金鋼中出現 的非馬氏體組織一般不是屈氏體，而是上貝氏體，如 ·54· 金屬制品 圖 10 所示。該組織為馬氏體基體上分布有少量貝 氏體，用金相方法較容易檢驗出這種缺陷。 第 39 卷 圖 10 心部組織回火索氏體 + 上貝氏體 × 500 Fig． 10 Center structure tempered sorbite and upper bainite 中碳鋼調質組織形態取決于淬火態組織，加熱 不足而殘留在馬氏體組織中的塊狀鐵素體，或冷卻 不足而在晶界處析出網狀或半網狀鐵素體，都是有 害的。 值得注意的是，加熱不足引起的未溶鐵素體與 冷卻不足時先析出鐵素體在形態上是有區別的，前 者呈圓鈍塊狀或厚薄不均勻斷續網狀（ 圖 11） ，而后 者是新形成的先共析鐵素體，形態上比較纖細，雙頭螺栓批發分布 在奧氏體晶界上（ 圖 12）［5］。雙頭螺栓批發 圖 12 淬火冷卻不足組織（40Cr） × 500 Fig． 12 Quenching insufficient cooling structure（40Cr） 裂的根本原因。當內應力超過材料的屈服強度時， 便引起變形；當內應力超過材料的斷裂強度時，便造 成開裂。只有拉應力是使裂紋萌生和擴展的必要條 件。淬火裂紋原因可以從兩方面考慮，一是有哪些 因素造成了較大的應力；二是材質有沒有缺陷，致使 強度和韌性降低。 3． 1． 1 淬火裂紋特征 （1） 多數情況下裂紋由表面向心部擴展，宏觀 形態較平直。雙頭螺栓英文 （2） 從宏觀與微觀看裂紋兩側均無脫碳，但如 果在氧化性氣氛中進行過高溫回火，則淬火裂紋兩 側會有氧化層（ 圖 13） 。 圖 11 淬火欠熱組織（40Cr） × 500 Fig． 11 Quenching under-heating structure（40Cr） 3 常見熱處理淬火缺陷 螺栓調質熱處理工藝中淬火缺陷最為常見，如 硬度不足、變形、開裂等。產生缺陷的原因很多，進口螺絲需 從各方面分析，金相檢驗是常用的方法［6］。 3． 1 淬火裂紋 淬火時在螺栓中引起的內應力是造成變形與開 圖 13 裂紋兩側嚴重脫碳 Fig． 13 Serious decarburization on both sides of crack 3． 1． 2 內應力增大引發正常組織淬火裂紋 （1） 設計不合理，如有尖角、截面突然變化，易 引起應力集中。 （2） 冷卻太強烈，如本應采用快速淬火油，卻選 擇了水溶液，精制螺栓不該冷透時冷透等。 （3） 淬火時冷卻方式不當，淬火后未及時回火。 第5 期 張先鳴：緊固件螺栓調質的金相檢驗 ·55· 3． 1． 3 組織缺陷引起淬火裂紋 （1） 淬火溫度偏高，奧氏體晶粒粗大，淬火后形 成較粗大的馬氏體，容易開裂。進口螺絲特別是粗大的高碳 馬氏體，常伴有顯微裂紋。 （2） 鋼材存在網狀碳化物等脆性相，淬火時易 沿脆性碳化物網開裂。在晶界處有沿晶界分布的碳 化物網絡，磨削時也容易磨裂。 （3） 鋼材有折疊或粗大夾雜物等缺陷，淬火時 易沿此缺陷形成裂紋。 （4） 鋼材中存在嚴重偏析，淬火后組織不均勻， 內應力較大且不均勻，容易開裂。 （5） 由于緊固件表面脫碳，淬火時表層體積膨 脹小，受到兩相應力，容易形成龜裂。 3． 2 淬火硬度不足 （1） 加熱溫度不足，冷卻時形成屈氏體，當屈氏 體很少時，盆式支座地腳螺栓硬度無明顯變化，但金相組織容易鑒別。 （2） 淬火冷卻速度不足，淬火組織中除馬氏體 外，盆式支座地腳螺栓還有屈氏體或貝氏體組織。屈氏體或貝氏體越 多，硬度越低。上海地腳螺栓廠家 （3） 表面脫碳，淬火時不易形成馬氏體，或形成 低碳馬氏體，如圖 14 所示。 （4） 淬螺柱火過熱，過熱組織馬氏體粗大，殘余奧氏 體量明顯增多，硬度也降低。 圖 14 表面脫碳鐵素體和低碳馬氏體 × 200 Fig． 14 Surface decarburization ferrite and low carbon martensite 螺栓淬火回火后性能達不到技術要求，影響因素 是多方 面 的，對 其 進 行 質 量 分 析 是 一 個 復 雜 的 過 程［7 －8］。這里只是強調金相檢驗時應注意有無影響 強韌性的不利因素外六角螺絲尺寸規格表諸如晶粒粗大、非金屬夾雜物、網 狀滲碳體、網狀鐵素體、淬火組織中的非馬氏體組織 以及低倍檢測中的顯微偏析造成的組織不均勻等。 4 結語 金相檢驗的目的一方面是為了判定螺栓成品的 質量是否符合有關標準規定；另一方面是通過觀察 確定各種缺陷的分布狀況和性質，u螺栓廠家分析產生缺陷的 原因和各種工藝因素對質量的影響，為改進工藝和 試驗研究提供數據，這是不可或缺的手段。 參考文獻（ Ｒeferences） ［1］ 張先鳴． 我國緊固件行業熱處理技術現狀及展望［J］． 金屬制品，2008（6） ：53 － 57． 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