ML20MnTiB材料生产12.9级履带螺栓的工艺及检测方法的研究

ML20MnTiB材料生产12.9级履带螺栓的工艺及检测方法的研究

苏友份 ,吴承滔

浙江迪特高强度螺栓有限公司

【摘要】ML20MnTiB材料生产12.9级履带螺栓，通过调整热处理工艺，得到良好金相组织和力学性能，从而满足12.9级机械性能要求；同时介绍ML20MnTiB  12.9级履带螺栓可靠性的检验方法。

关键词 ML20MnTiB（12.9）履带螺栓、调质工艺、组织、检验方法

引言  强度等级12.9级以上螺栓材料一般选用中碳合金结构钢，但冷镦之前需经球化退火工艺将片状珠光体转变为球状珠光体。球化退火时消耗大量能源、延长生产周期，不但增加紧固件生产成本，而且还会污染环境，若工艺控制不当，还会导致表面脱碳、工件变形，影响螺栓质量。同时由于市场竞争激烈，在确保机械性能等指标的情况下，降低成本是紧固件企业永恒的话题,我司采取用杭钢生产的ML20MnTiB材料生产12.9级履带螺栓，可直接省去球化退火工艺，并能满足12.9级机械性能要求。

一、淬火工艺的研发

    ML20MnTiB材料属于低碳马氏体钢，具有良好的力学性能和工艺性能。我司充分利用ML20MnTiB低碳，富钛（Ti）、富硼（B）的特点，进行工艺试验。试验设备采取用GST-1080网带式热处理炉，并制定和确认不同的淬火工艺（见表1），得到了不同的金相组织和硬度，（见表2）。

表1  ML20MnTiB履带螺栓的不同淬火工艺

表2 不同淬火工艺的螺栓金相组织和硬度

   对淬火件按近表面、1/4d、芯部放大400倍在金相显微镜下的金相组织见（图1）:

       近表面400倍                     1/4d 400倍                       芯部 400倍

                               图1 螺栓不同位置的金相组织

小结：通过以上金相组织分析，三个淬火工艺产生的金相组织为马氏体+残余奥氏体符合低碳马氏体钢的淬火组织。

二、回火工艺的研发

低碳马氏体钢淬火件的组织主要由马氏体+残余奥氏体组成，具有高硬度、低韧性、低塑性的特点，如何利用合适的回火工艺使履带螺栓的机械性能满足12.9级的要求是我们的主要研究方向。同时12.9级履带螺栓用低碳马氏体钢生产，受强度等级的限制，其回火组织为回火马氏体。回火马氏体由于淬火应力的消除，其屈服强度、抗拉强度等指标达到极限，但塑性指标较差。同时回火马氏体对氢脆敏感性比较强、用水溶液淬火，更增加了氢脆风险【1】。基于这样的考虑采取用中温回火，中温回火将使马氏体中薄片状ε碳化物一部分重新溶解到α固溶体中，另一部分转变为细微的粒状渗碳体，得到非常均匀的回火屈氏体。回火屈氏体，具有良好的综合力学性能，即有相当高的强度，又保持较好的韧度【2-3】，同时考虑到低碳马氏体钢的400℃回火具有最大的氢脆敏感性【4】。为此制定了低于400℃回火的不同回火工艺（见表3）然后进行产品的金相组织检测和机械性能试验。

表3不同回火工艺

    分别对淬火工艺1、工艺2、工艺3的淬火件按表3的回火工艺进行回火，先进行金相组织的检测：a)淬火工艺1、工艺2产生的淬火件按回火工艺1进行回火后的产品的金相组织为回火马氏体+少量析出铁铁素体，然后按近表面、1/4d、芯部放大400倍在金相显微镜下的金相组织见图3:

         近表面400倍                     1/4d 400倍                       芯部 400倍

图3   工艺1、工艺2产生的淬火件按回火工艺1进行回火后的金相组织图

工艺3产生的淬火件按回火工艺1进行回火后的产品的金相组织为回火屈氏体+回火索氏体+少量析出铁素体，然后按近表面、1/4d、芯部放大400倍在金相显微镜下的金相组织见图4：

       近表面400倍                     1/4d 400倍                       芯部 400倍

      近表面400倍                     1/4d 400倍                       芯部 400倍

图4工艺3产生的淬火件按回火工艺1进行回火后的金相组织图

    C)工艺1、工艺2、工艺3产生的淬火件按回火工艺2、回火工艺3、回火工艺4进行回火后的产品的金相组织为回火索氏体+回火屈氏体+少量析出铁铁素体，然后按近表面、1/4d、芯部放大400倍在金相显微镜下的金相组织见图5:

      近表面400倍                     1/4d 400倍                       芯部 400倍

图5工艺1、工艺2、工艺3产生的淬火件按回火工艺2、工艺3、工艺4进行回火后的金相组织图

小结：1、淬火介质为Q251水溶液，回火温度为350 ℃保温时间为100分钟进行回火后的金相组织符合低碳马氏体钢的组织，但不符合我们的初步设想;

     2、淬火介质为Q251水溶液，回火温度为350℃ 和370℃保温时间为120分钟进行回火后的金相组织符合我们回火工艺设定要求;

     3、淬火介质为快速淬火油，回火温度为350℃ 和370℃保温时间为120分钟进行回火后的金相组织符合我们回火工艺设定要求;

    4、淬火介质为快速淬火油，回火温度为350℃ 保温时间为100分钟进行回火后的金相组织同时也符合我们回火工艺设定要求。

由于履带车辆在行进过程中履带螺栓主要受力为行进中的牵引力。当履带车辆行走过程中由于履带板的间隙啮合会产生脉动力，这时需要克服地面的接地比压，因而瞬间产生的冲击力比较大，同时挖掘机的工作环境比较恶劣，通常在零下温度进行操作，如何区分这几种工艺生产的履带螺栓能够克服脉动产生的冲击力，满足12.9级螺栓的使用要求。我们对这几种工艺生产的履带螺栓按GB/T229标准进行KV2型缺口冲击试验，试验温度分别按常温（20℃）和低温（-20℃）分别进行。首先我们对试验产品进行分组，具体分组如表4进行，试验数据按一组进行3个冲击试样，然后按平均值进行计算，计算出的结果具体见图5、图6和图7。

表4产品分组数据

图5淬火工艺1不同回火工艺产生产品的冲击试验值图表

图6淬火工艺2不同回火工艺产生产品的冲击试验值图表

图7淬火工艺3不同回火工艺产生产品的冲击试验值图表

小结：1、通过冲击试验可以看出3-2、3-3、3-4工艺生产的履带螺栓随着回火温度和保温时间的提高，消除了回火脆性，回火组织为屈氏体，回火屈氏体组织具有明显优越的塑性和韧性指标，这样使履带螺栓的动载荷性能明显提高；

     2、通过冲击试验可以看出3-3、3-4工艺生产的履带螺栓冲击性能指标最优（在常温下冲击性能保持在120J以上，低温-20℃下冲击性能保持在40J以上，符合挖掘机用的履带螺栓的使用要求。

   20MnTiB材料生产的履带螺栓回火温度达到350℃以上，螺栓是否还能满足12.9级机械性能的要求？为此我们对以上的所有产品按GB/T3098.1的标准进行机械性能检测，检测结果（见表5）：

表4 不同回火工艺下产品的机械性能检验结果

机械性能小结：1、通过拉伸试验可以看出ML20MnTiB生产的履带螺栓随着回火温度和保温时间的提高，螺栓的塑性和韧性指标明显提高，同时由于淬火脆性的消除，螺栓的抗拉强度和屈服强度相应的得到提高；   

            2、通过拉伸试验数据可以看出淬火工艺3生产的履带螺栓塑性和韧性指标比淬火工艺1、2生产的履带螺栓的指标优越。

三、检测方法的研究 

     履带车辆在转向过程中，内侧履带系统的制动对履带螺栓的转向阻力具有较大的影响，这时履带螺栓的受力比直行时的受力应为2~3倍，同时由于单边履带受力，这是履带螺栓会产生一个倾斜角，同时回火温度采取在350℃~370℃回火符合第一类回火脆性（250℃~400℃）的特征，为了更好检验出低碳马氏体钢生产的12.9级履带螺栓强、韧性最佳组合，我们采取了加大倾斜角的楔负载试验，我们采取了倾斜角为8°然后按GB/T3098.1的楔负载试验方法对螺栓进行楔负载试验具体采取用M20×1.5×55履带螺栓进行试验，试验结果：螺栓断裂位置全部在未旋合的螺纹位置上，螺栓楔负载破断拉力全部满足GB/T3098.1，同时我们采取用20倍的放大镜进行低倍检验，结果如表6：

表6 8°倾斜角的楔负载试验结果

8°的楔负载试验小结：1、通过了8°的楔负载试验用工艺3生产的ML20MnTiB 12.9履带螺栓的性能最优，满足了履带螺栓的性能使用要求。

2、通过8°的楔负载试验可以看出淬火工艺1、工艺2由于采取用水溶液作为淬火介质，这样组织为回火马氏体，回火马氏体的抗拉强度和屈服强度指标可以满足12.9级高强度螺栓的性能要求，但不能满足挖掘机用12.9级履带螺栓的使用环境要求。

4、工艺确认

4.1通过以上产品的检测分析，我们确认用淬火温度880℃ 保温时间为80分钟 冷却介质为快速淬火油，回火温度为350℃~370 ℃、保温时间100~120分钟为合适的热处理工艺。

4.2 采取用350℃~370℃回火虽然在第一类回火脆性（250℃~400℃）的范围中但通过了用中温回火将使马氏体中薄片状ε碳化物一部分重新溶解到α固溶体中，另一部分转变为细微的粒状渗碳体，得到非常均匀的回火托氏体，回火托氏体，该组织具有良好的综合力学性能，即有相高的强度，又保持较好的韧度2-3），可以满足12.9级使用性能。

4.3 确认采取用8°的楔负载试验可以综合性检测ML20MnTiB生产的12.9履带螺栓的性能。

5、产品跟踪确认

   我们在2013年1月份进行首次小批量的试生产，投入到后市场中进行跟踪情况反馈比较良好，于2013年~2015年共3年批量投入后市场，均无出现螺栓疲劳断裂的现象，使用性能良好。截止到2015年的10月份我司用ML20MnTiB生产的12.9履带螺栓共降低了成本近10万元。

6、总结：

6.1、ML20MnTiB在淬火状态下保证金相组织为马氏体+残余奥氏体，可以尽量采取用快速淬火油作为冷却介质，这样可以提高螺栓的塑性和韧性；

6.2、低碳马氏体钢生产的12.9级履带螺栓如果采取用低于350℃的回火温度进行回火，其组织为回火马氏体，但回火马氏体由于淬火应力的消除，其屈服强度、抗拉强度等指标达到极限，但塑性指标较差。同时回火马氏体对氢脆敏感性比较强、用水溶液淬火，更增加了氢脆风险【1】，建议采取中温回火将使马氏体中薄片状ε碳化物一部分重新溶解到α固溶体中，另一部分转变为细微的粒状渗碳体，得到非常均匀的回火托氏体，回火托氏体，该组织具有良好的综合力学性能，即有相高的强度，又保持较好的韧度2-3），可以满足12.9级使用性能。

6.3、在保证12.9级硬度和机械性能的指标下，尽可能延长回火时间可以消除回火脆性，使20MnTiB的性能发挥应有的性能。

6.4、采取用8°的楔负载试验可以综合性检测ML20MnTiB生产的12.9履带螺栓的性能。

参考文献

1、螺栓氢脆问题研究  孙小炎 《紧固件》季刊 第13期 2008年4月。

2、提高ML20MnTiB钢标准件强度级别的盘条生产工艺的研究  马志军  《金属制品》第34卷 第6期 2008年12月。

3、高强度紧固件的热处理实践  张先鸣 《 金属加工 热加工》第15期2009年。

4、低碳马氏体高强度螺栓的电镀氢脆  李仁顺 马振举 刘兴秋 《机械工程材料》总第91期1992年8月。

作者:苏友份   单位：浙江迪特高强度螺栓有限公司  单位地址：浙江省温州市洞头区杨文工业区D01-01

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