王斯华 刘崇尧

（东莞科力线材技术有限公司，广东 东莞 523200）

SCM435冷镦钢是制造10.9～12.9级高强度标准件的主流钢种[1]，是紧固件行业的重要原材料，由于其组织与性能不能完全满足冷镦成型的要求，在冷镦过程中容易出现裂纹、开裂，进而产生大量废品[2]。而合金钢的球化退火对均匀组织、降低硬度和提高塑性具有重要意义。球化效果对冷镦合格率影响较大，目前，根据不完全统计，每年由球化退火不当导致材料在冷镦成型及后续加工工序中出现开裂、断裂的报废产品超出总产量的5%，同时，球化退火在紧固件生产过程中需要长时间加热，是最耗时、耗能的工序[3]。因此，研究SCM435合金钢的球化退火工艺，对提高冷镦合格率、降低生产成本、保护环境和节约能源都具有重要意义。

对于含碳量不同的钢材，即便使用相同的球化退火工艺，取得的球化效果也不一样，因此，对于特定含碳量的钢材，制定球化退火工艺需要经过大量试验和研究。该文从企业的实际需求出发，对SCM435合金钢进行球化退火试验研究，提出SCM435合金钢的球化退火工艺，使球化退火后的SCM435合金钢具备优良的组织和力学性能，解决了生产中报废率高和质量不稳定等问题。

1 试验

1.1 试验材料与试验方法

试验选用直径为15mm的SCM435合金钢热轧线材进行退火，其化学成分见表1。球化退火采用井式炉，该炉为周期式加热炉。试验采用装载试验，该热处理炉最大装炉量为12t，温度控制范围为0℃～980℃。

表1 SCM435合金钢的化学成分（wt.%）

在标准件厂，经常用到的球化退火热处理主要有[4]亚温退火热处理、等温球化退火热处理、周期球化退火热处理和一般球化退火热处理（缓冷法）。等温球化退火工艺是将试样加热至略低于Ac1点（加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度）的温度，然后经过长时间保温，使钢中的片状碳化物自发球化成球状碳化物。大部分钢种均可以采用等温球化热处理，特别适用于对球化质量要求较高的冷镦钢和难以球化的钢。与普通球化相比，等温球化热处理可以减少退火时间。结合标准件生产经验和工厂实际使用的常规球化退火工艺，该文采用等温球化退火方式，其热处理工艺如图1所示。将SCM435合金钢试样在退火炉中加热至保温温度（T1），保温一定时间（t1），然后以25℃/h冷却至等温温度（T2），保温一定时间（t2），再随炉冷却至小于550℃时出炉空冷。

图1 等温球化退火曲线

1.2 分析检测

1.2.1 金相组织

将SCM435合金钢样品用不同的砂纸由粗到细依次磨制，直至表面基本无刻痕，然后在抛光机上进行抛光，抛至样品表面呈光滑镜面为止。再将抛光好的样品冲洗干净，滴一滴乙醇后吹干，采用含量为4%的硝酸乙醇进行表面腐蚀处理。待腐蚀面呈浅灰色再冲洗、吹干。腐蚀好的样品可以直接放在光学显微镜下进行观察，并拍摄金相照片。

1.2.2 硬度测试

试验过程载荷选用0.3kgf。使用显微维氏硬度计（402MVA），根据GB/T4340.1—2009金属材料维氏硬度试验的第1部分（试验方法）标准对球化退火后SCM435合金钢硬度进行测试。

2 结果与分析

2.1 保温温度对SCM435合金钢组织的影响

粒状渗碳体的形成与碳原子的扩散密不可分，要保证碳原子能有效扩散，保温温度的选择尤为重要[5]。保温温度是保证球化的首要条件。如果保温温度过高，就会导致渗碳体溶解过多，球化核心大幅减少，退火后易获得片状珠光体；如果保温温度过低，将导致渗碳体溶解较慢，甚至可能使珠光体中的部分片状渗碳体被保留下来，使退火后的合金钢硬度较高[5]。因此，正确选择保温温度是获得好的球化组织的关键。

将SCM435合金钢试样分别在退火炉中加热至760℃、770℃、780℃、790℃，保温3h，然后以25℃/h冷却至700℃保温5h，在<550℃时出炉空冷。对样品进行金相分析，如图2所示。由图2可以清晰地看出SCM435合金钢的球化效果，经不同保温温度退火后，SCM435合金钢的显微组织为铁素体和细小球状碳化物。随着保温温度的升高，球状渗碳体在基体中分布更均匀，球状渗碳体晶粒细小，且没有出现粗大渗碳体。但是当温度升至790℃时，出现了少量的渗碳体聚集。对于SCM435合金钢，保温温度选择780℃，可以达到较好的球化效果。

图2 不同保温温度退火后SCM435钢的金相组织

2.2 保温时间对SCM435合金钢硬度的影响

保温时间也是影响球化效果的重要因素之一。如果保温时间过长，得到的球化组织往往不均匀，达不到良好的球化效果；如果保温时间过短，原始组织中的片状渗碳体难以破碎，导致合金钢球化后硬度偏高。将SCM435合金钢在780℃的温度下分别保温2h、3h、4h、5h，然后以25℃/h缓慢冷却至700℃保温5h，在<550℃出炉空冷，得到退火态样品，采用硬度计对样品进行硬度测试，结果如图3所示。从图3可以看出，随着保温时间的延长，SCM435合金钢的硬度值明显降低，但当保温时间超过3h后，钢的硬度值缓慢上升。因此，经退火后可以降低SCM435合金钢硬度，提高SCM435合金钢的塑性。因此，保温温度和保温时间对SCM435合金钢的球化具有关键作用。

图3 SCM435钢的硬度随保温时间的变化关系

选择合适的保温温度和保温时间可以保留一定数量的残留碳化物，并使残留碳化物的尺寸和数目达到最佳值，作为冷却时碳化物析出的形核质点。在共析转变中，碳化物会最先在残留碳化物表面析出。虽然点状残留碳化物能作为冷却时碳化物析出的形核质点，但是碳化物并不是全部以点状残留碳化物为形核质点进行析出。当点状残留碳化物数目太少时，不能提供足够的位置供给大量的碳化物析出，只有一部分碳化物以残留碳化物为成核质点并以颗粒状析出，另一部分碳化物将直接从基体以短棒状析出。显然，组织中残留碳化物的数目越小，析出的颗粒状碳化物就越少。在接下来的碳化物球化长大的过程中，碳化物的球化长大是通过小粒子溶解并在大粒子上重新析出的方式实现的，以界面能的降低为驱动力。在共析转变中，当残留碳化物全部溶解或以片状存在时，碳化物就完全以片状形式析出，所处状态比较稳定，只有经过较长时间的保温，才有可能转变成球状。当组织中的点状残留碳化物数目较多时，碳化物则以短棒状或颗粒状析出，其界面能小，曲率半径小，很容易溶解，所处状态不稳定，在后期的冷却过程中非常容易长大，球化热处理结束后能得到完全的球化组织。

2.3 等温温度对SCM435合金钢组织的影响

在等温阶段，奥氏体中的碳化物通过扩散迁移到残留碳化物核心处并析出成球形。为了研究等温球化退火中等温温度对球化效果的影响，该文将SCM435合金钢加热至780℃等温3h，然后以25℃/h分别冷却至680℃、690℃、700℃、710℃并等温5h，随炉冷却至<550℃出炉空冷。在金相显微镜下观察SCM435合金经不同等温温度热处理后的组织，结果如图4所示。从图4可以看出，经不同等温温度热处理后，SCM435合金组织分布及碳化物的形态均发生变化。组织基体为铁素体，铁素体基体上弥散分布粒状（或球状）碳化物。等温温度为700℃时，球状碳化物在基体中的分布最均匀。

图4 不同等温温度退火后SCM435钢的金相组织

2.4 等温时间对SCM435合金钢组织和硬度的影响

将SCM435合金钢加热至780℃保温3h，然后以20℃/h冷却至700℃，分别等温3h、4h、5h、6h，随炉冷却至<550℃出炉空冷。研究等温时间对球化效果的影响，用硬度计测试球化退火后的SCM435合金钢的硬度，结果如图5所示。在等温时间3h～5h内，SCM435合金钢的硬度随等温时间延长而降低。当等温时间为3h时，SCM435合金钢的硬度值为158HV0.3；当等温时间为5h时，SCM435合金钢的硬度值降至142HV0.3；当等温时间为6h时，SCM435合金钢的硬度值有所上升。主要原因是等温时间过长，渗碳体容易长大，导致硬度升高。同时等温时间过长，会消耗更多能源，提高了生产成本。由此可知，等温球化退火可显著降低SCM435合金钢的硬度，使其能满足冷镦成型的要求，有效减少了冷镦过程中的裂纹、开裂和掉头等现象，降低了报废率。

图5 SCM435钢的硬度随等温时间的变化关系

3 结论

该文以SCM435合金钢为研究对象，对SCM435合金钢的球化退火进行研究，通过大量试验研究得出的结论如下。1）采用等温球化退火工艺对SCM435合金钢进行热处理可以得到较好的球化效果。2）经球化退火后，SCM435合金钢的组织比球化前有明显改善，硬度可以达到冷镦的技术要求。3）SCM435合金钢的最佳球化退火工艺为随炉加热至780℃保温3h，随炉冷却至700℃保温5h，然后随炉冷却至550℃空冷。