DI值在紧固件热处理生产中的应用

易贞峰

宁波群力紧固件制造有限公司 浙江宁波 315205

1 序言

紧固件最常用的热处理工艺是淬火、回火。在紧固件制造过程中，经常会涉及不同钢厂或同一钢厂（相同或不同炉号）多批次材料，这些不同炉批号的材料其成分中各元素含量是有差异的，而这些差异会直接影响热处理工艺及热处理生产质量。在实际生产中，经常出现相同材料牌号、相同规格及性能等级要求、不同炉批号的产品（热处理前工序完全一样的情况下），用相同设备及热处理工艺处理时，得到的硬度值及变形等热处理指标不一样的情况。这就要求在实际热处理过程中，针对不同炉批号的产品，热处理工艺要有对应的调整。通常，我公司会针对某炉号材料与熟悉钢厂的材料先进行主要元素成分对比，大致判断哪个材料淬透性好，然后安排工艺试验进行验证，以确定使用该材料是否需要进行热处理工艺调整。例如，40Cr钢根据C、Cr含量来进行判断，如果某一炉批号的C、Cr含量高于另一炉批号的成分值，则认为前者淬透性是高于后者的，但这只是一种大致定性的分析，假如C、Cr含量在两者对比时出现一高一低时，如何进行评判。另外，材料内的其他元素对淬透性也是有影响的，比如Cu、Si、Mn等，显然在判断材料淬透性时应取多个元素的综合值。总之，对于原材料淬透性的掌控非常费力、费时且效果不明显，因为不清楚材料的差异什么时候会变大，且不能科学地评估差异。本文拟通过理想临界直径（DI）值来量化评估淬透性，从而建立材料成分与热处理工艺的联系。

2 钢的淬透性与DI值

上述问题主要是由于不同炉批次钢的化学成分变化导致的钢淬透性变化，在实际淬火过程中钢的淬透性是比较重要的一个性能指标。淬透性指的是钢材在淬火后能够被淬透的深度大小的一种属性，主要取决于钢材的化学成分。为了反映钢材的淬透性属性，国际上发展了许多不同材质的试验方法和评定方法，如端淬法、U曲线法等[1]。淬透性值量化求法有格罗斯曼理想临界直径计算公式、端淬曲线、淬火特性曲线等几种方法[2]。利用钢的化学成分来计算钢的淬透性，必须排除各种外界因素（淬火温度、冷却速度等）的影响。早在20世纪40年代，格罗斯曼就提出了一个关于“理想临界直径”的概念，假设淬火冷却介质的淬火烈度值H为无穷大，试样淬火所能淬透到50%马氏体（指心部）的最大直径称为理想直径（DI），其只与钢的成分有关[1]。ASTM A255-10：2018《测定钢淬透性的标准试验方法》[3]（以下简称 A255）基于格罗斯曼的工作成果，通过细化碳系数，以及细化硼与碳及合金元素成分间联系的硼系数，为计算DI值提供了更高的精度。在此采用该方法尝试将化学成分与淬透性通过DI值联系起来。指定位置的淬火硬度取决于材料的淬透性和外部条件的共同作用，也就是指定位置的实际冷却速度与材料理论临界冷却速度相比较。材料临界冷却速度取决于钢的各成分元素，实际冷却速度取决于外部条件如淬火冷却介质、搅拌速度、装炉量、零件单重及尺寸等[2]。在实际生产过程中，指定位置可以在测试时规定同一个位置取样即可；热处理生产线及工艺确定后，实际冷却速度也就确定了，临界冷却速度则主要取决于DI值，由此可知，指定位置的淬火硬度取决于D I值和工艺。

3 DI值的计算

根据A255标准，DI值即Ideal Diameter，理想临界直径，等于一个材料成分中碳的合金系数与各个合金的合金系数的乘积，在此使用英制。计算时，碳及各合金元素应在一定范围内，各元素具体范围要求见表1。

表1 DI值计算时各元素成分要求（质量分数）（%）

（1）无硼钢的计算 将各元素的含量乘以系数后再计算总乘积即为DI值。在此假定均为7级晶粒，不考虑P、S元素，因为二者的影响是相互抵消的。各元素的系数可通过查询A255标准中表6得到，或者直接使用A255标准中表11里的方程进行计算，将A255标准中表11内容进行整理，Fm系数计算方程见表2。

根据表2（设定晶粒度均为7级）以及材料的化学成分分析结果，就能计算不同成分炉批号材料的DI值。我公司实际生产35CrMo钢3个炉批号的DI计算值见表3。

表3 35CrMo钢3个炉批号DI计算值

由表3可看出，相比C、Cr、Mo 3个主要元素含量，炉号1-1比炉号1-2略高一点，通常认为两个炉号淬透性相差不大，也就是说淬火后硬度值应基本一致。但从计算的DI值上看，炉号1-1比炉号1-2的DI值低0.46，炉号1-1的淬火硬度值应低于炉号1-2。从表3可知，实际淬火硬度值炉号1-1与炉号1-2相差5HRC，也与DI值相符合。炉号1-3的C、Cr、Mo元素含量均大于前两个炉号，DI值也高，淬火硬度也是最高的，与最低的DI值2.49相比，淬火硬度高了6.5HRC。由此可见，DI值与淬火硬度值是成正比关系的，也就是DI值高的材料其淬透性高于DI值低的。

（2）硼钢的计算 根据A255标准，计算硼钢DI值时，需先计算出材料无硼时的DI值和合金系数（不含碳元素的），然后查A255标准[1]里的表10得到硼系数FB值，则用无硼时的DI值乘以FB即可得到硼钢的DIB值。具体细节不在此赘述。

4 实际应用

4.1 淬火工艺制定及调整

试验用淬火工艺参数见表4。

表4 试验用淬火工艺参数

进行淬火对比试验，取3个炉批号的35CrMo钢、规格为M30×90mm螺栓，在多用炉内使用1#工艺进行淬火，淬火后取样检测淬火硬度，测试部位为距离螺纹末端1倍直径处的心部（检测结果见表3）。

在此基础上，对我公司购进的不同厂家35CrMo钢进行了整理及计算，得到DI值数据，见表5。

表5 不同厂家35CrMo钢DI值

由表5可看出，单从淬透性上来看，3个钢厂生产的35CrMo钢淬透性从差到好的顺序依次为：A、B、C，从表3可看出，淬火硬度值随DI值不同而有明显的差异。基于整理出来的钢厂DI值，A、B钢厂材料的产品采用2#工艺，C钢厂材料的产品使用1#、2#工艺相对于1#工艺，将搅拌速度由300r/min提至700r/min，以提高冷却速率，获得了与C钢厂材料产品用1#工艺相似的淬火硬度。2#工艺经过半年的跟踪观察，热处理质量稳定。

基于上面的工作，针对我公司的多用炉生产线，确定了当35CrMo钢DI值达到3.35in时采用1#淬火工艺，DI＜3.35in（1in＝25.4mm）时采用2#淬火工艺。需强调的是，整个过程均针对相同规格、相同生产线。

4.2 淬火开裂的预估及工艺调整

在2022年初，新使用D钢厂42CrMo（ZY1）钢的产品在多用炉生产线热处理过程中，曾多次出现产品开裂现像，严重时开裂比例高达28%。影响热处理质量的因素是很多的，尤其是导致开裂的因素，诸如原材料成分、原材料缺陷、产品结构、淬火工艺参数、淬火冷却介质的稳定性、产品临界半径，以及产品工艺路线等。在我公司，由于一个炉号涉及到的产品规格有限，因此相同规格及性能等级产品其成形工艺基本上也一样，导致淬火开裂除了热处理设备、热处理工艺参数外，就是原材料的问题。因相同时期内，设备状况是清楚的，在此期间其他钢厂（E、F、G钢厂）42CrMo钢制成相同规格及性能等级的产品在相同的多用炉生产线上采用3#工艺进行热处理，从未产生热处理开裂，说明问题就出在原材料上。为此，对4家钢厂的42CrMo钢原材料多个炉批号成分进行了分析，并计算出各炉批号的DI值，见表6。

表6 42CrMo钢DI值

从表6可看出，从DI值来看，4个钢厂的42CrMo钢的淬透性从差到好的顺序依次为：G、E、F、D（ZY1）。D钢厂ZY1的DI值特别明显地高出另3个钢厂的产品，达到了7.293in，表明其淬透性相对其他3家的产品是非常好的。对此，经多次验证后单独制定出4#工艺，将快速搅拌速度从之前3#工艺的700r/min逐步降低至200/min，经过4个月的跟踪，心部硬度值均可达到55HRC，且无开裂。而对于D钢厂的ZY2，因其DI值4.644处于F钢厂的DI值范围内，所以与F钢厂的一样使用3#工艺，快速搅拌速度为700r/min，心部硬度达到52～54HRC，至今未发现开裂。

在此基础上，可以确定当DI≥7in时，采用3#工艺会出现开裂现象，而采用4#工艺则不会产生开裂。后期需要完善的是当DI＝5.5～7in时，采用4#工艺也不会产生开裂，当然，这首先需要采购的42CrMo钢成分达到这个对应的DI范围值。

4.3 回火工艺调整

回火一般都在热处理的结束阶段，如果回火工艺不当，则有可能导致产品需要重新回火，严重的可能需要重新淬火，不论出现哪种情况都会浪费成本和时间。为此，以35CrMo钢12.9级M36×330mm材料为对象进行了考察，相关数据汇总见表7。

表7 M36×330mm 3个炉号多用炉热处理工艺、DI值、硬度、抗拉强度汇总

由表7可知，相同淬火工艺情况下，炉号1-4的DI值为3.33in，大于炉号1-5的2.83in，虽然回火温度提高了10℃，抗拉强度值却提高了64MPa。对炉号1-4产品进行重回火后进行的测试，达到与炉号1-5相近的抗拉强度。由此可见，DI值为相同淬火工艺情况下回火工艺调整提供了方向，对于相同规格、相同性能等级要求的产品，DI值高时，回火温度也应提高，根据表7可得出，DI值相差0.5in时，则回火温度相差25℃。为此，以DI值2.8in为参照制定了回火温度450℃基准，当DI值变化0.5in时，回火温度应相应变化20℃的准则，减少了产品由于回火不合格而导致重新淬火带来的成本高、开裂等风险，同时也节约了试验成本及时间。

5 结束语

通过使用DI值在材料化学成分与热处理工艺之间建立了直接联系，对紧固件淬火、回火工艺参数的制定和优化，给出了一种量化的参考方案，减少了工艺试验次数和试验成本，值得推广应用。