张先鸣 （南京福贝尔金属制品有限公司，南京211100）

1、技术要素

对于大多数紧固件产品（螺栓、螺钉、螺柱、铆钉等）用钢，必须进行软化退火或球化退火。球化退火是获得弥散分布在铁素体基体上的细粒状（球状）珠光体组织的工艺方法，其目的是改善冷镦、冷锻、冷冲或切削加工性能，减少调质淬火时的变形开裂倾向性，使紧固件得到相当均匀的最终力学性能。

冷镦钢或低，中碳钢、低合金钢的原始组织在轧钢时为片状珠光体，这时的铁素体和渗碳体组织越细，它的相界面越多，则形成奥氏体的晶核越多，晶核长大速度越快，因此可加速奥氏体的形成过程。若预先经球化处理，使原始组织中的渗碳体呈球状分布，铁素体和渗碳体的相界面减少，所以将减慢奥氏体的形成速度。

球化退火工艺分两类：一类是将钢奥氏体化，通过控制奥氏体化温度和时间，使奥氏体的碳含量分布不均匀或保留大量未溶渗碳体质点，并在A1点以下较高温度范围内缓冷，获得粒状珠光体；另一类是将加热至低于A1点温度长时间保温，得到粒状珠光体。这时，片状珠光体球化的驱动力是铁素体和渗碳体之间相界面（或界面能）的减少。

与片状珠光体相比，粒状珠光体的硬度和强度较低，塑性和韧性较好。因此，许多重要的机械零部件，尤其是高强度螺栓、螺母都要通过热处理，使之变成碳化物呈颗粒状的回火索氏体组织，其强韧性都较高，具有优良的综合力学性能。

紧固件用冷镦线材的退火处理。退火工艺控制要点：（1）完全退火需加热至Ac3以上28 ℃，碳素钢选用Ac3以上30～50 ℃，合金结构钢选用Ac3以上50～80 ℃。（2）球化退火将中碳钢、低合金钢加热到Ac1以上20～40 ℃或Ac1以下13～26℃，保温后缓冷至550 ℃以下、空冷或在Ar1以下长时间等温后冷却。（3）中间退火。再结晶退火是将钢材加热至Ac1以下约13 ℃，碳素钢一般为650～700 ℃；去应力退火一般将钢材以100～150 ℃/h的速度升温至500～650 ℃，保温2～4 h，随炉缓冷至200～300 ℃出炉。球化退火工艺低碳经济、环保节能、生产周期短，是未来紧固件生产和研究的主要方向。

2、球化退火目的

当前，冷变形、冷挤压仍是紧固件制造业中重要的工艺手段之一。而应对这种冷变形工艺，要求成形的材料具有尽可能小的变形抗力和尽可能高的可变形能力。为获得这种性能，对于低碳碳素结构钢、低碳合金结构钢、中碳碳素结构钢、中碳合金结构钢需先期进行软化球化退火处理。球化退火的目的是要获得球化体组织，这是任何一种钢材所具有的最佳塑性和最低硬度的一种组织。

然而，完全球化的、分布的均匀的球化体的钢材，不是通过简单的工艺随意可获得的。一般的钢材的球化退火工艺过程周期很长，不但要求控制加热速度，还常要求控制冷却速度等多个环节。任何一环节的波动都会影响最终的球化效果，而不同的球化效果对钢材的不同的冷变形加工的适应性、工艺质量的影响十分敏感。因此，对于钢材球化体的检验、评级最终达到有效控制是十分必要的。

由于，球化退火工艺周期长，能耗大，环保影响大，对于球化退火工艺的改进、优化，控制要求十分迫切，这也要求对球化退火结果有个量化的评价，用以分析各因素对球化效果影响的权重，统一对球化率的检验、计量标准。新国标《低、中碳钢球化组织检验及评级》发布，按此标准对球化体量化评定，以避免球化率判定过严，造成盘条重（新）球化处理成本增加；反之，球化率判定过松，造成球化不良，对后续冷镦、冷冲压加工时，发生冷打裂。

作为亚共析钢的结构钢，当用于冷镦、冷变形加工时，球化退火后的组织检验评定，据根低、中碳钢，中碳合金结构钢，该标准把球化体按数量、分布等分为6级，最好6级，最差1级。在500倍或1000倍下，对照各标准中的标准图进行对比评定。

3、几个概念术语和定义

Ⅰ 术语

①球状碳化物  Spheroidized carbide

碳化物颗粒的长、宽之比小于5。

②珠光体球化率  Pearlite spheroidizing rate

钢铁材料基体组织中，转化为球状碳化物的总面积与基体中碳化物总面积的百分比。

③点状球化体  Fine spheroidite

在低放大倍率下呈点状的细小球状碳化物。

Ⅱ 试样

①球化组织检验评级的试样一般在工件上直接截取，或按有关技术文件规定。

②按GB/T 34895要求进行取样、制样，并用3%～5%硝酸酒精溶液浸蚀。

③对于球化工艺检查评定时，试样应在热处理炉中有代表性的部位选取。一般按加热炉的有效加热区大小取3个～5个。

Ⅲ  珠光体球化率的计算方法

本标准规定珠光体球化率按面积百分比计算：

A_{球状碳化物}：球状碳化物面积

A_{未球化碳化物}：长、宽之比大于等于5的独立碳化物面积

A_{片状珠光体}：片状珠光体团的面积

4.球化组织的分级与评级方法

4.1 球化组织的分级

球化组织按球化率的大小分为6级。

4.2标准图谱比较的评级方法

被检试样应随机选取5个视场对照比较标准图谱分别进行评定，取平均值，精确到个位数作为评定结果。

4.2.1 标准制定三套级别图，分别对应不同钢种：

a) 低碳碳素结构钢、低碳合金结构钢用球化组织分级标准图谱见图1，评                定说明见表 1；

b) 中碳碳素结构钢用球化组织分级标准图谱见图2，评定说明见表2；

c) 中碳合金结构钢用球化组织分级标准图谱见图3，评定说明见表3；

4.2.2试样观察方法

a) 投影法：将球化体组织图像投影到荧屏上或打印出来，应保证放大500倍，实际视场直径为φ0.15mm，图像尺寸为φ75mm。将此图与相应500倍标准图谱进行比较。

b) 直接观察法：通过目镜直接观察，放大500倍。实际视场0.15mm，可使用视场光栏确定检验区域，并与500倍标准图谱比较评级。也可1000倍下与相应1000倍标准图谱参考比较。

表1　低碳碳素结构钢、低碳合金结构钢球化组织分级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（a）1级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（b）2级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（c）3级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（d）4级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（e）5级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（f）6级

图1  低碳碳素结构钢及低碳合金结构钢球化组织分级

表2　中碳碳素结构钢球化组织分级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（a）1级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000

（b）2级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（c）3级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（d）4级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（e）5级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（f）6级

图2  中碳碳素结构钢球化组织分级

表3　中碳合金结构钢球化组织分级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（a）1级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（b）2级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（c）3级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（d）4级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（e）5级

放大倍数：500×                    放大倍数：1000×

（f）6级

图3  中碳合金结构钢球化组织分级图

5、结语

    1、热轧盘条，金相组织中碳化物呈现不规则的长条或片状排列，不容易冷镦成型或冷冲压变形，不利于后续加工，因此需经球化退火处理，以获得良好的球化组织，才便于后续冷镦成型。球化退火质量，一般用退火后硬度和渗碳体颗粒大小（即所谓球化级别）进行评价。可根据《低中碳钢球化体评级》标准检查，要求4～6级合格，1～3级不合格，金相组制特征为点状球状珠光体及少量铁素体或均匀分布球状珠光体+铁素体。

2.由于盘条球化不良，经多次镦锻变形加工，大变形处易造成冷成型开裂。盘条球化退火组织判定与管制是一项严谨的工作，望大家在实践中不断总结。期待各位对球化退火有更深层次的认识，以减少重球化退火处理时间，以节省盘条球化退火成本。不当之处，请各位同仁批评指正。

参考文献

[1]  张先鸣.冷镦线材的退火处理[J].金属制品,2012（5）：43-45.

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[3]  刘云旭.金属热处理原理[M].北京：冶金工业出版社,1985.

[4]  孟运杰.冷顶锻钢丝球化退火工艺的制定[J].金属制品,2002（2）：24-25.

[5]  强士坤等.退火处理对冷拉钢丝力学特性的影响能[J].金属制品,2011（3）：33-37.