40Cr10Si2Mo钢排气歧管螺栓热处理工艺改善
2023-11-24唐建良蒋杨英林志峰
唐建良，蒋杨英，林志峰
舟山市7412工厂 浙江舟山 316041
1 序言
汽车排气歧管螺栓材质为耐高温的40Cr10Si2Mo钢，该螺栓的淬火温度在1000～1050℃[1]，我公司有连续网带炉和真空炉两种炉型选择，真空炉型号为VUQ669H ，真空炉最高使用温度为1250℃。连续网带炉的型号为S Y805-6，最高使用温度为950℃，试产量少时，在真空炉能满足质量和产能的要求，后来批量生产，真空炉产能无法满足要求，由于连续网带炉炉温最高950℃，为此在连续网带炉允许的温度范围内进行了相关工艺试验，与真空炉生产件进行性能对比，最终在连续网带炉上实现了批量生产，质量和效率都大幅提高，能耗成本大幅下降。
2 螺栓规格与技术要求
该螺栓的尺寸和形状如图1所示，螺栓材质为40Cr10Si2Mo钢，化学成分见表1。
表1 螺栓的化学成分（质量分数） （%）
图1 螺栓尺寸和形状
螺栓的技术要求：淬火硬度≥50HRC[2]，淬火＋回火后，抗拉强度885～1050MPa。
3 连续网带炉和真空炉对比
3.1 真空炉热处理生产
真空炉热处理工艺：温度为1000℃，保温120min，高压气淬，回火温度为700℃，回火时间为180min，装炉量为每炉320kg，生产一炉的总时间为10h（包括升温时间），生产效率为32kg/h，真空炉热处理工艺如图2所示，相关性能测试见表2。
表2 真空炉生产件性能
图2 真空炉热处理工艺
3.2 连续网带炉热处理试验
40Cr10Si2Mo钢相变转变点Ac3为930℃[3]，连续网带炉最高使用温度为950℃，因此连续网带炉采用940℃，通过改变保温时间方法进行试验，工艺参数及检测结果见表3。
表3 连续网带炉生产工艺参数及产品性能
从表3可看出，连续网带炉淬火温度940℃，保温时间超过130min时，生产的产品可以符合要求，在实际生产中采取940℃保温150min，油淬，回火温度700℃，回火时间120min，装炉量是550kg/h，也就是说生产效率为550kg/h。
3.3 性能对比
连续网带炉按940℃保温150 min，油淬，回火温度700℃，回火时间120 min生产，取10件产品与真空炉生产的10件产品进行对比测试，淬火硬度对比见表4，回火硬度对比见表5，常温抗拉强度对比见表6，550℃高温强度[4]结果见表7，生产效率对比见表8。
表4 淬火硬度对比 （HRC）
表5 回火硬度对比 （HRC）
表6 常温抗拉强度对比 （MPa）
表7 550℃高温强度对比 （MPa）
表8 生产效率对比 （kg/h）
从以上对比分析可看出，连续网带炉生产的产品与真空炉相比，硬度、常温强度更稳定，波动值更小；在550℃高温下高温抗拉强度、屈服强度更高。在生产效率方面，连续网带炉生产效率约是真空炉的17倍。
3.4 热处理金相组织对比
真空炉生产的产品金相组织如图3所示，连续网带炉生产的产品金相组织如图4所示。
图3 真空炉调质件金相组织（500×）
图4 连续网带炉调质件金相组织（500×）
按GB/T 38720—2020《中碳钢与中碳合金结构钢淬火金相组织检验》要求，对图3、图4进行金相组织评级[5]，真空炉生产的产品，金相组织为回火索氏体5级，连续网带炉生产的产品金相组织为回火索氏体4级，连续网带炉产品质量优于真空炉。
3.5 热处理能耗对比
真空炉采取的是周期性生产，且淬火温度高、耗时长；网带炉是连续式生产，淬火温度相对较低，生产效率高，二者能耗相差较大，具体能耗见表9。
表9 热处理能耗对比 （kW·h/t）
3.6 结果分析
真空炉采取的是较高的淬火温度、较短的保温时间，使材料完全奥氏体化，由于温度较高，晶粒较粗大[6]，连续网带炉采取的是在Ac3以上10℃较长时间保温来完成奥氏化转变，晶粒较细小，因此连续网带炉生产的产品在力学性能、金相组织方面优于真空炉；同时由于连续网带炉是连续性生产，因此效率高；真空炉升温时间很长，且装炉量小，因此生产效率低。在能耗方面，网带炉生产的电耗最低，约为真空炉电耗的21.7%，这样大幅节约了电能。
4 结束语
1）40Cr10Si2Mo钢螺栓，真空炉按标准要求的淬火温度1000℃、保温时间80min，淬火后700℃回火120min执行，能满足性能要求。
2）40Cr10Si2Mo钢螺栓，连续网带炉比标准淬火温度低60℃，即940℃通过加长保温时间，保温时间达150min，淬火后700℃回火120min，能满足性能要求。
3）对真空炉与连续网带炉生产的产品进行了全面的对比测试，结果表明，连续网带炉生产的产品在硬度均匀性、抗拉强度的均匀性、高温强度、高温屈服强度及金相组织等方面优于真空炉，且连续网带炉的生产效率约是真空炉的17倍，解决了生产瓶颈，大大降低了热处理能耗。
