本人根据“金相检验技术与紧固件失效案例”、“热处理工艺与金相检验技术的关系”、“紧固件原材料综合选材与热处理工艺 ”几次研讨班上学员的提问，总结出以下内容，供业内同行参考，不当之处请批评指正。　　

　　作者：金蜘蛛紧固件网顾问专家　张先鸣

　　淬火介质篇

　　1、请问合金钢能直接水淬吗?淬火介质如何选用?

　　水淬实际上采用水溶液，使用PAG淬火液“以水代油”和实现强烈淬火控制技术，已得到紧固件企业热处理同行的认可，应用聚合物淬火水溶液(以下简称为PAG)替代矿物油为基的快速淬火油类等。这取决于螺栓的直径和材料牌号。一般40Cr、35CrMo、SCM435钢直径在30mm以上;42CrMo、40CrMnMo、B7钢在48mm以上，应该没有问题。但必须注意浓度的比例。PAG浓度为12±1%或以上，使用温度一般控制在30～45℃之间，根据钢种和工艺需要选择不同的淬火液温度。

　　水的分子结构是H2O，其中O带负电，H带正电。当很多水分子聚集在一起时，O和其他分子的H之间相互吸引，形成分子键---氢键。水淬火过程中，随着水温的升高，氢键大幅减少。水的蒸发加快，因此一般水的使用温度不能超过40℃，最高不超过45℃，否则容易出现软点。PAG的逆溶性也与氢键有关，PAG是聚氧乙烯聚合物，存在极性，低温时与水形成氢键，溶于水。温度升高后，氢键断裂，PAG从水中析出。因此，使用PAG时，水温最好不要超过45℃，否则可能出现蒸汽膜时间长、软点等问题。

　　2、为什么PAG“开始好用，用久了无法控制浓度而引起开裂或淬不硬”等?

　　这主要是介质污染变质，冷却特性曲线发生急剧变化，尤其是低温区的冷却速度升高，导致相同加热条件下工件的变形、开裂严重，且淬火后的硬度明显提高或不足。

　　PAG的变化有时很怪的，不是一个线性过程。不管哪种品牌介质，都会经常性突然出现一批废品，当然，废品出现可能还存在其他原因，但淬火介质出现问题的可能性是非常高的。因此，加强对PAG的日常监控是首要一环，严格管理对保证淬火紧固件的品质极为重要。首先要确定定期检测，如每周测一次冷却特性值，感觉PAG有异常时应加紧测试。PAG是水基有机介质，均会跟细菌发生作用。各PAG厂家的原料都大同小异，主要是树脂，差别在于里面的防腐剂、灭菌剂。PAG的杀菌周期与生产的品种、生产频率和日常管理有关，高档高精度的螺栓周期就短。越是好的东西，管理也越严格。

　　判断是否有细菌滋生有两个办法：一是测PH值，此办法简单易行。细菌滋生一般会使PH值下降。如果PH值较高，基本可以不用担心细菌问题;反过来说，如果PH值较低，细菌比较容易滋生。这也有一个误区，有些厂一旦发现PH值降低，就设法调整PH值，结果发现提不高，这时候很可能是细菌滋生的问题，不杀菌也就调整不好PH值。值得注意的是，如果PH值在9以上，PAG不会有细菌滋生的问题。PAG的颜色和细菌并没有直接关系，可以用测菌片，其测量面一般是一面细菌，另一面是真菌，对比一下即可知。

　　3、PAG淬火能力强，怎样避免淬火开裂呢?

　　选择PAG，冷却能力强，一般采用钢材的下限淬火加热温度;选择快速淬火油，冷却能力弱的介质，可提高淬火温度。如SWRCH35K钢M12螺栓用PAG淬火用800～820℃，用快速淬火油淬火可用850～870℃。

　　以前大量的生产研究主要是在淬火介质无搅拌状态下进行的，而实际淬火过程中几乎所有的溶液都是在搅拌状态下工作的，由于各钢种化学成分的不一致，各钢厂的成分控制不一致，在批量生产前，必须进行样件试生产，再调整生产工艺，以减少工件变形，避免淬火裂纹，提高硬度均匀性。

　　为了减少淬火变形和淬火开裂的可能性，最好的办法是凭冷却特性来控制浓度。使用PAG的目的是把它作为水的添加剂加入水中来调节其冷却特性。因此，热处理生产中要求控制的也应当是淬火介质的冷却特性。实践证明：一是凭经验从紧固件的淬火效果来调整浓度;二是用冷却特性仪来控制浓度。

　　凭经验调整浓度的做法时是对螺栓的淬火态硬度作记录，做成图表，用来观察同类螺栓的硬度变化趋势。当发现螺栓的淬火硬度连续偏高到一定程度时，及时采取升高浓度等办法来降低实际的冷却速度，就可以防止出现淬火开裂。而当发现螺栓的硬度连续一段时偏低或硬度高低不均，以及有较大变形时，可以考虑降低淬火介质浓度来增大冷却速度。经验法需要经验和严格的管理，需要有责任心，但很有效，很可靠，适合由工程技术人员来做。

　　用冷却特性仪来控制浓度，购买一台便携式冷却介质性能检测仪，具体的做法是定期测量淬火介质的冷却特性，主要凭其300℃冷速来确定溶液的有效浓度，再用折光仪对照按比例来控制浓度。

　　4、考虑到自攻螺钉的心部硬度270～390HV，选用了高速淬火油，心部硬度满足了要求，但碳黑严重，不好清洗电镀，如何解决?

　　高速淬火油使用温度在70～90℃，特征是抗氧化剂含量高、有较高的热稳定性、粘度较高。高速淬火油的运动粘度为25～30mm2/S以上,而普通机械油的运动粘度为20mm2/S以下,所以说高速淬火油的粘度较高，螺钉淬火后容易有碳黑，如果网带炉可控气氛控制不好，碳黑堆积工件或进入油品，对品质有较大影响，油品过滤可能都成问题。

　　建议采用普通淬火油，加强淬火油的循环对提高冷速和保持油温均匀，破除淬火过程中的蒸汽膜很重要，搅拌速度增大，蒸汽膜冷却阶段缩短，最大冷速增大，而且更重要的是对流冷却阶段的冷却也增大。

　　解决心部硬度主要靠钢材的选用。如1018、1022或SWRCH22A、10B21钢等。根据热处理产量多少，每半年清理油槽一次，过滤油污，清除槽底的残渣杂物，及时补充新油;每月或每三个月对每个油槽都应取油样检测一次，以监测油质变化情况，当检测的指标超过规定标准而无法调整改善时，每一年或一年半必须整槽更换新油。

　　小结

　　日本热处理专家大和重雄曾提出“热处理就是加热和冷却的加工过程，以两者的重要性而论，加热只占二成，冷却则要占八成，这就是热处理的二八规则”。冷却是紧固件热处理生产中非常重要的一个环节，淬火介质是关键因素。应用PAG替代矿物油为基础油的油类淬火介质等，是热点问题之一。目前紧固件行业选用的中碳结构钢量大，该钢的马氏体转变(Ms)点都在300℃附近，故采用PAG都能满足技术要求，使用量较多的PAG的品种有UCON A 、UCON E、AQ 251、AQ364、AR～A、JY820等等。

　　最后还有两点体会和大家分享一下。①水与油的冷却差距是比较大的，水的沸点是100℃，油的沸点是350℃。在100～350℃水是沸腾阶段，冷却速度很快;油还处于对流阶段，所以当把油替换成PAG时，一定要注意做好细节工作。根据现场情况，选择合适的聚合物种类或PAG品牌，调整好浓度、搅拌速度和温度，这样才能保证淬火紧固件质量。②PAG与油不一样，凡是有水的地方，就有生菌的问题，变数较大，一定要建立严格的检测制度。

　　检查篇

　　1 为什么要规定进行低温冲击试验?

　　GB/T3098.1-2010标准规定，冲击试验是在−20℃得到的冲击吸收能量数据，也就是试验要在−20℃的情况下进行，以检测紧固件材料的韧性。

　　国内外通用的冲击试验方法主要有摆锤冲击试验。在GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》附录D中，讲到冲击吸收能量—温度曲线(K-T曲线)和转变温度。在室温以上试验时，材料的冲击吸收能量比较高。从K-T曲线看，吸收能量有一个转变温度，在这个温度下冲击吸收能量急剧下降。由于冲击试验的脆性转化温度就在室温附近(室温以下−20℃～−40℃)。为此，在−20℃进行试验，就可以准确测出材料的脆性转化温度。

　　脆性转化温度也是在一个温度区间范围发生的，很难用一个温度来表示，因此用了集中方法来衡量。数值在−20℃的试验温度下达到某一特点值(>27J)时，说明材料的冲击吸收能量已处于急剧上升的范围，在室温下使用是安全的;若低于27J，很可能处于转变曲线的下方，是不安全的。冲击试验标准中还有增加小尺寸冲击试样，如55mm×7.5mm×7.5 mm或55mm×5mm×5 mm等，对仅“适用于d ≥ 16 mm”的螺栓的规定，今后很有可能改变这一规定，逐步推广到小规格d 12～14 mm。

　　2 冲击试样长度对冲击试样吸收能量值有影响吗?

　　由于冲击试验的影响因素较多，因此对试样应有一定要求。在试验中试样长短不影响试验机的操作，有时会出现试样过长或过短，必然影响试验结果的准确性。冲击试验广泛采用JB—300B型摆锤式冲击试验机，根据GB/T229-2007规定，冲击试样长度为55mm，机加工偏差为±0.60mm;试样长短之间相差1.20mm。在实际加工试样时，加工人员往往忽视对试样长度的控制，为防止试样长度过小，试样加工时常常采用上差，有时试样长度会超差。

　　众所周知，在冲击试验中，试样所吸收的全部冲击能量可以分为两个部分，一是使试样变形进而断裂所需的功，二是试样与摆锤及支座之间摩擦所消耗的功。摆锤冲断试样的过程可以分为两步：从摆锤接触试样到缺口底部区域开裂;缺口底部到试样整体断裂。为此，试样越长，冲断后试样所需要进行的塑性弯曲越大，冲击吸收能量就会升高。也就是说，较长试样的冲击吸收能量偏高的原因，在于冲击过程中需要更大的塑性变形。因为尺寸偏差而造成的偏差值与试样的实测冲击吸收能量关系密切，冲击力越大，偏差值就越大。

　　根据生产实践：对于300J以下的冲击试样的影响，因其长度尺寸偏差而造成的冲击吸收能量的升高，不会超过总冲击吸收能量的7%，冲击吸收能量在50J左右的试样，这一偏差的影响不会超过4%，并且冲击吸收能量越低，这一偏差越小。为保证冲击吸收能量检测准确性，建议按GB/T229-2007标准将冲击试样的长度偏差值减小。

　　3 10.9级M27*300长六角螺栓掉头的原因?(红打没有正火、直接调质，装配后出现头部断裂问题)

　　此类情况的原因很复杂，要从制程上逐一分析排除，一般首先怀疑热处理质量(淬火保温时间不够、回火不充分、硬度偏高、脱碳或增碳、氢脆磷脆等);其次，头与杆部的头下R角度，螺纹处有细小裂纹，原材料有非金属夹杂物，且与毛坯未进行预先退火、正火直接调质，组织不均匀有关系。

　　小结

　　迄今为止，热处理生产和研究还在很大的程度上依赖于经验或试探式的实验方法。紧固件的热处理质量控制涉及的点很多，不仅涵盖热处理工序各控制要点，还包括原材料、冷镦或温镦工艺的控制要求。潜伏的隐患常常在产品投入使用时才暴露，甚至可能导致重大事故。为此，所有热处理的控制要点和检查要求，最终要达到的目的就是保证热处理工艺稳定，也只有这样，才能生产出性能优异的高品质紧固件。