高强度螺栓用ML25B钢的热处理工艺

 一、问题的提出

GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》规定，螺栓用钢材是碳素钢和为增加强度、淬透性而添加铬、钼、镍、锰等合金元素的合金钢，以及耐蚀为主的不锈钢等，此外，还有添加微量硼使淬透性大幅度提高的碳硼钢。而钢材的淬透性程度越大，调质后的屈强比也越大，屈强比的增大意味着能更好地发挥钢材的潜力，这对于满足产品规定的抗拉强度和屈强比的高强度螺栓，就更有实际的意义。

高强度螺栓调质用合金钢与相同含碳量的碳素钢相比，往往在相同强度下具有较高的塑性、韧性；或在相同的塑性下具有较高的强度；或强度、塑性、韧性都较高，且耐热、耐500℃以下高温环境服役。因为在调质状态下，合金元素除固溶强化铁素体外，更主要的是提高了钢的回火稳定性，在相同温度回火后，合金钢的碳化物比较弥散，从而使钢的强度较高。如果回火到与碳钢相同的硬度、强度时，合金钢的回火温度应较高，从而应力消除较彻底。

近10年来，市场上大力开发了节约合金元素的低碳高强度冷镦硼钢，其成分设计的基本原则是降低含碳量、改善冷镦钢的冷变形能力，加入0.0008%～0.0035%的硼，以弥补因降碳而造成了强度和淬透性的损失。冷镦硼钢热轧线材可以直接拉拔和冷镦加工，不需要预先球化退火处理，节约了螺栓的制造成本。ML25B是GB/T 6478—2015《冷镦和冷挤压用钢》新标准中的一个新牌号，用于制造8.8、9.8级D≤16mm螺栓和8、10级D≤24mm螺母。下面简述ML25B碳硼钢的热处理淬火方法以及进行的热处理工艺试验，供参考。

二、试验材料与方法

从冷水江钢铁有限责任公司购进的冷镦钢ML25B盘条，考虑到化学成分的影响，根据GB/T 6478-2015标准中选择对碳、硅、锰、硼等元素优化控制，用直读式光谱仪对样件进行化学成分分析，如表1所示。

（1）碳：碳是影响钢材冷塑性变形的最主要元素。含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低。钢中含碳量对于钢材的冷镦性能是影响最大的，在生产实际中，含碳量大于0.28%时，要求钢在拉拔前要进行球化退火。含碳量过低对淬透性也有重要影响。为此，含碳量控制在0.25%～0.28%，尽量不考虑退火工艺处理。

（2）硅：Si对冷镦性能的影响仅次于碳，硅是钢在冶炼时脱氧剂的残余物。当钢中含硅量超过0.1%时，抗拉强度提高，但影响冷加工性能。因此，主张控制冷镦钢硅含量≤0.15%。

（3）锰：Mn能提高钢的淬透性，使得钢的抗拉强度和抗弯强度有所提高，塑性有所降低，对于钢的冷塑性变形是不利的。ML25B钢的含锰量，不宜超过0.9%，热处理水淬易开裂，锰按标准要求的下限0.75%～0.90%控制。

（4）硼：B能显著提高钢的淬透性，但同时又会导致钢材脆性增加。B含量最大值均为0.0035%，硼与钢中氧氮有很强的亲合力一旦与它们结合生成氧化硼或氮化硼时，硼的作用就消失，即只有酸溶硼才能使钢的淬透性增加，控制为0.0010%～0.0025%。

表1  ML25B钢的化学成分（质量分数）   （%）

化学成分	C	Si	Mn	P≤	S≤	B	Alt≥
标准值	0.23～0.28	0.10～0.30	0.60～0.90	0.035	0.035	0.0008～0.0035	0.020
内控值	0.25～0.28	≤0.15	0.70～0.90	0.025	0.025	0.0008～0.0035	0.020
实测值	0.26～0.275	0.10～0.15	0.75～0.85	0.02	0.015	0.0010～0.0025	0.020

试验加热采用连续式网带炉生产线，依据现场实际生产产品GB/T5782-M16×100高强度8.8级六角头螺栓制定热处理温度，选取4组加热温度，分别为：830℃、860℃、880℃和900℃。每组试样加热保温时间按网带加热炉运转速度为85min,加热后用2.5%～3%PAG水溶液冷却，水温控制在30～32℃，回火温度分别为410℃、420℃和430℃，保温时间按网带加热炉运转速度为90min。回火后试样加工成10mm×10mm×55mm标准冲击试样，冲击试验按照GB/T229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，设备为数显冲击试验机。硬度检测使用洛氏硬度计，显微组织检验使用倒置式金相显微镜及图像采集系统。

三、试验结果与分析

1.不同加热温度对组织及性能的影响

ML25B属于低碳合金冷镦钢。8.8级高强度螺栓之所以选择用ML25B，是出于对螺栓淬透性及服役条件的考虑。含碳量在0.32%～0.38%之间的ML35、SWRCH35K冷镦钢，对于M16以上螺栓热处理往往存在淬不透，心部未溶铁素体增多，在服役过程造成早期失效的问题。

ML25B钢中的含锰量，考虑热处理用水淬易开裂，锰含量按0.75%～0.85%控制 ，虽然含量不高，但锰属于扩大奥氏体相区元素，使Ac3点下移，使钢在较低温度加热，即可完全奥氏体化，如在830℃加热淬火显微组织中已基本看不到铁素体组织，见图1；860℃加热淬火显微组织为淬火马氏体+少量先共析铁素体组织，见图2；880℃加热淬火显微组织为淬火马氏体+先共析铁素体组织，见图3；900℃加热淬火显微组织为粗大淬火马氏体+网状铁素体组织，见图4。

图1  830℃加热淬火显微组织

 

图2  860℃加热淬火显微组织

 

图3  880℃加热淬火显微组织

 

图4  900℃加热淬火显微组织

钢中加入微量硼，能弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失，改善钢的冷变形能力。硼在钢中的主要作用是提高淬透性，硼提高淬透性的机制是硼在奥氏体晶界的偏聚，降低了奥氏体晶界能，从而使奥氏体稳定，铁素体新相在晶界处形核困难。只有固溶在钢中，自由硼（或称有效硼）才对提高淬透性有益，微量硼B≥0.0007%就可使冷镦钢调质的性能明显提高，使用少量硼代替合金元素生产螺栓的用ML25B钢，能够降低成本。硼含量控制大于0.0010%，可使淬透性达到最大。

表2所示为ML25B钢淬火加中温回火的力学性能检测结果。从表3所列4组试验结果来看，回火后力学性能基本在标准范围，只有830℃淬火所得冲击吸收能量偏低（低于标准值27J），860℃和900℃淬火所得冲击吸收能量数据比较分散，880℃淬火为理想的淬火加热温度。

表2   ML25B钢淬火加中温回火的力学性能

热处理工艺	抗拉强度 /MPa	断后伸长 率（%）	断面收缩 率（%）	-20℃冲击吸 收能量/J	表面硬 度HRC
830℃淬火+410℃回火	900～970	12～14.5	52～58	25.5～50	26.5～32
860℃0淬火+410℃回火	910～970	12～14.5	53～58	35～66	27～31.5
880℃淬火+420℃回火	900～955	13～15.5	54.5～60	38.5～55	28～31
900℃淬火+420℃回火	920～980	13～14.5	52.5～60	28.5～67	27.5～31

从淬火显微组织表明，若ML25B钢采用Al脱氧时，Al和硼钢中残留的Ti将对钢的奥氏体晶粒度产生影响，同时起细化晶粒的作用。钢中的Al质量分数控制在0.02%～0.05%；残留Ti质量分数在≥0.03%时，淬透性效果最佳。

2.不同热处理回火温度下的冲击吸收能量

按GB/T 3098.1—2010，螺栓冲击吸收能量在零下-20℃进行，检测取平均值，表3所示为ML25B钢淬火加中温回火的冲击吸收能量与硬度，从表3来看，430℃回火，冲击吸收能量值最高，也符合标准对8.8级螺栓的最低回火温度425℃的要求。

表3   ML25B钢回火后的冲击吸收能量与硬度（880℃淬火）

热处理工艺	抗拉强度 /MPa	-20℃冲击吸收 能量/J	-20℃冲击吸收 能量平均值/J	表面硬 度HRC
880℃淬火+410℃回火	900～980	32，28，44	34.5	28.5～32
880℃淬火+420℃回火	910～970	42.5，53，48.5	48	27～31.5
880℃淬火+430℃回火	880～955	53，68，42.5	54.5	26～30

3．ML25B钢的工艺特性及对性能的影响

（1）冷成型性

由于在ML25B钢中的硼对固溶、沉淀和冷加工硬化增强很小，因而很适宜于冷挤压、冷镦和温锻，典型的车辆车轮的轮胎螺栓，此类异型件可在多功位冷镦机上进行加工。

（2）抗淬裂性

淬火开裂可以由单一或多种因素而引起。然而，对于高强度螺栓来说，淬裂倾向是Ms点温度的逆向函数，与碳和其他合金元素相比，硼有独特的性能，它可增大淬透性而不使Ms点有明显降低。因此，对螺栓异型件的锐边、螺栓孔等对淬裂敏感处，用ML25B钢制造要可靠得多。

（3）切削加工性

ML25B钢的切削加工性与含碳量相近或经调质的ML25、ML35、SWRCH35K钢相似。对于9.8级的异型件螺栓的机加工生产证实了这一点，硼对切削加工性的影响被认为是不用考虑的。

（4）焊接性

ML25B钢是很容易焊接的，热处理调质后也一样，通常不用预热和后加热，当然最好是低氢处理工艺，热影响区的硬度则略低于低合金钢。但是，恰当的设计螺栓焊接组合件，可以防止对性能的很多有害作用。

四、结语

（1）ML25B钢高强度螺栓适宜的淬火温度为875～885℃，淬火后硬度大于44HRC。

（2）ML25B钢调质后在410～430℃回火，其力学性能均可满足8.8级螺栓的技术要求，从高强度螺栓综合力学性能考虑，回火温度以430℃为佳；但对9.8级螺栓，不能满足标准中的最低回火温度425℃的要求。

（3）ML25B钢为了避免淬火开裂，对于M10以下规格的高强度螺栓可油淬，油淬后硬度也可达44～45HRC。ML25B钢回火稳定性较差，故可适当降低回火温度，如调质时应提高淬火温度5℃左右，降低回火温度5℃左右。若力学性能不达标时有出现，主要是对热处理工艺控制不严，特别是保温时间不足所致，只要保证加热奥氏体化均匀，就能保证高强度螺栓具有良好的综合力学性能，至于冷却介质温度及回火工艺等都是次要的。