5.如何對中碳鋼SWRCH35K進行亞溫球化退火？

通常采用中碳鋼或中碳合金鋼來制造8.8級及其以上的高強度緊固件，其典型的生產(chǎn)流程主要包括：熱軋線材—球化退火—拉拔—冷鐓—滾絲—淬火回火—表面處理。其中球化退火的主要目的是使鋼材獲得足夠的塑性以滿足冷鐓成型的要求。在冷鐓成型過程中材料往往要承受70％～80％的總變形量，因而要求原材料的塑性好，硬度盡可能低。再制造高強度緊固件過程中，球化退火處理是目前緊固件制造過程中最為耗時、耗能的工序，其周期大約需要12～24h。因此，緊固件制造行業(yè)迫切希望能夠簡化球化退火工藝，縮短球化退火處理時間。

球化退火工藝，根據(jù)其工作原理，可主要分為：亞溫球化退火、緩慢冷卻/等溫或周期循環(huán)球化退火（以下稱雙相區(qū)球化退火）、淬火+高溫回火、形變球化退火等。多數(shù)冶金和緊固件企業(yè)通常采用圖2-18（a）所示的工藝對其材料進行球化退火處理。認為在臨界點A1以下溫度等溫使碳化物球化的周期太長，因而生產(chǎn)中很少采用圖2-18（b）所示的亞溫球化退火工藝。然而對于現(xiàn)代高速線材生產(chǎn)線生產(chǎn)的冷鐓鋼線材，采用圖2-18（b）工藝對其材料進行球化退火處理，可以節(jié)約能源和減少球化退火時間。相關(guān)對中碳合金鋼的研究表明，對于經(jīng)斯太爾摩控冷線快速冷卻得到的細珠光體組織，在A1點以下的較高溫度進行亞溫球化退火處理可顯著加快滲碳體的球化進程。

例如，某研究單位選用制作8.8級高強度螺栓的試驗料為中碳鋼。工業(yè)生產(chǎn)的常規(guī)軋制和控軋控冷的中碳鋼SWRCH35K的化學(xué)成分見表2-4，試驗材料熱軋態(tài)的微觀組織形貌如圖2-19所示。

用軟件計算的中碳鋼SWRCH35K鋼的A1點和A3點分別為719℃、786℃。如按某研究單位提供的雙相區(qū)球化退火工藝參數(shù)（1）與亞溫球化退火；（2）將其表2-4所提供的材料進行球化處理并加工成標準拉伸試樣（10=5d0，d0=4mm）和金相、硬度試樣，并進行室溫拉伸試驗。可得到圖2-20與圖2-21所示的碳化物球化情況。

（1）雙相區(qū)球化退火，加熱到θ1=750℃，保溫t1=2h后，爐冷（約2℃/min）到θ2=700℃保溫t2=0～20h后空冷；

（2）亞溫球化退火，加熱到θ0=630～700℃，保溫t0=1～16h后空冷。

比較圖2-19、圖2-20與圖2-21，可見對于CR熱軋態(tài)料，由于軋后冷卻速度較快，因而珠光體片層間距十分細小，少量珠光體退化，如圖2-19（a）所示；而對于CRC熱軋態(tài)料，盡管珠光體片層間距相對粗大，平均片層間距約0.20μm，但是部分珠光體發(fā)生退化，滲碳體呈短棒狀或顆粒狀，部分滲碳體片產(chǎn)生扭折甚至斷開，如圖2-19（b）所示。

而經(jīng)雙相區(qū)球化退火處理后的SWRCH35K鋼碳化物球化情況（如圖2-20所示）與圖2-19有很大區(qū)別。對于CRC料，雙相區(qū)球化退火處理在θ2溫度700℃未保溫時組織為先共析鐵素體+片層狀珠光體，如圖2-20（a）所示，其中的片層狀珠光體是從750℃爐冷到700℃時未轉(zhuǎn)變的奧氏體在隨后的空冷過程形成的；保溫2h后即有部分滲碳體溶斷、球化，此時組織中粗大的珠光體是在爐冷或在700℃等溫過程中形成的，而十分細小的珠光體則是未轉(zhuǎn)變的奧氏體在隨后的空冷過程中形成的，如圖2-20（b）所示；此后，隨著保溫時間的延長，碳化物球化率繼續(xù)提高，并按照Ostwald熟化機制長大，且分布更加均勻，如圖2-20（c）所示。值得注意的是，雙相區(qū)球化退火處理過程中，所用材料即使經(jīng)過20h的長時間保溫，仍有少量未球化的片狀滲碳體，這表明要使SWRCH35K鋼得到全部球狀滲碳體比較困難。CR料的碳化物球化行為如圖2-20（d）、（e）所示與CRC料類似，只是其碳化物球化進程明顯落后于CRC試驗材料。

SWRCH35K中碳鋼材料經(jīng)亞溫球化退火后的碳化物球化情況如圖2-21所示。由圖可見，該材料在700℃保溫2h后滲碳體大部分變成短棒狀或顆粒狀，滲碳體的球化率大約在60％以上，相比雙相區(qū)球化退火工藝，此時的亞溫球化退火整個保溫時間至少縮短了2h。同樣，CR試驗材料的碳化物球化進程明顯也落后于CRC試驗料。

例如，定義滲碳體顆粒的最大尺寸與最小尺寸的比值≤3時的滲碳體顆粒數(shù)與滲碳體顆粒總數(shù)的比值為滲碳體的球化率。比較CRC熱軋材試驗料經(jīng)雙相區(qū)球化退火和亞溫球化退火處理后的滲碳體球化率隨等溫時間的變化（如圖2-22所示），可見在等溫初期，隨著等溫時間的延長，兩種球化退火的球化率均顯著增加，但當(dāng)?shù)葴貢r間超過約8h（亞溫球化退火）或12h后，雙相區(qū)球化退火SWRCH35K中碳鋼的球化率提高的幅度很小。這主要是由于退火過程中一方面不斷有新的片狀滲碳體溶斷、球化，使球化的滲碳體數(shù)量增加，另一方面又不斷有滲碳體顆粒按照Ostwald熟化機制長大，使球化的滲碳體數(shù)量減少。因此，綜合作用的結(jié)果是球化率隨著等溫時間的延長而先迅速增加，而后增加趨勢變緩。但總體來看，SWRCH35K中碳鋼亞溫球化退火的滲碳體球化率要高于雙相區(qū)球化退火的球化率，尤其是這種差異在退火早期表現(xiàn)得更突出一些。

圖2-23（a）、（b）分別示出CRCSWRCH35K中碳鋼試驗料經(jīng)雙相區(qū)球化退火和亞溫球化退火處理后的斷面收縮率和抗拉強度隨等溫時間的變化。由圖2-23可見，對于雙相區(qū)球化退火，隨著等溫時間的延長，強度急劇降低，塑性得到明顯改善，當(dāng)?shù)葴貢r間延長到8～10h（在700℃等溫時間6～8h）后，強度緩慢降低，而塑性卻有所降低；對于亞溫球化退火，隨著等溫時間的延長，強度緩慢降低，塑性緩慢提高。在等溫時間超過約5h后，亞溫球化退火處理試樣的抗拉強度稍高于雙相區(qū)球化退火處理的試樣，如圖2-23（b）所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于亞溫球化退火處理后材料中滲碳體比較細小的緣故，如圖2-20和圖2-21所示。亞溫球化退火處理后材料的斷面收縮率也高于雙相區(qū)球化退火后材料的斷面收縮率如圖2-23（a）所示。從圖2-23（c）、（d）中可見，對于雙相區(qū)球化退火處理，CR試驗料的強度略高于CRC試驗料；而對于亞溫球化退火處理，兩種試驗料的強度差別不大。

圖2-24是在不同等溫溫度下CR態(tài)SWRCH35K中碳鋼試驗料的抗拉強度隨等溫時間的變化。可見，無論對于雙相區(qū)球化退火還是亞溫球化退火處理，隨著等溫時間的延長，強度逐漸降低；而隨著A1以下等溫溫度的升高，強度逐漸降低，這主要是由于等溫溫度過低使得碳原子的擴散比較困難，從而延緩滲碳體球化進程的緣故。

由以研究可見，與傳統(tǒng)的雙相區(qū)球化退火相比，SWRCH35K中碳鋼在亞溫球化退火的等溫初期（≤5h），碳化物即大部分球化，因而鋼的強度明顯低于前者，塑性明顯高于前者；繼續(xù)延長等溫時間，亞溫球化退火鋼的強度高于傳統(tǒng)的雙相區(qū)球化退火，其塑性也高于前者。這主要是亞溫球化退火鋼的碳化物比較細小、球化率高的緣故。

對于經(jīng)過控軋控冷、具有細珠光體組織的中碳鋼線材，與傳統(tǒng)的雙相區(qū)球化退火工藝相比，采用亞溫球化退火處理可明顯縮短球化退火時間，同時具有良好的塑性和冷成型性，因而具有明顯的節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率的作用。