浅谈紧固件热处理的质量管理

杨亚飞

南方泵业智水（杭州）科技有限公司 浙江杭州 311113

1 热处理试验

1.1 材料

试验材料选用Φ6mm棒材，通过金相分析法测得试验铸锭的相变点为860℃-865℃。

1.2 热处理工艺及结果

本试验依据标准GJB3763A—2004《钛及钛合金热处理》制定了TC16成品棒材相应的热处理试验工艺，见表1。从表1中可以看出：本试验制定了4份退火工艺，共2类（普通退火、双重退火），根据钛及钛合金紧固件力学性能测试取样要求，每份工艺试样为5组。对根据表1热处理工艺热处理后的试样进行了力学性能及工艺性能的测试，其结果如表2所示。

由表2可知：780℃保温2h后空冷的热处理工艺中，所测试的5组力学性能中有3组抗拉强度Rm不能满足产品性能要求，且在测试冷顶锻工艺性能时，均产生开裂；780℃保温2h随炉冷至550℃后空冷的热处理工艺中有3组断面收缩率Z低于产品性能要求；另外的两份退火工艺中，其力学性能均满足要求。对比满足要求的两份退火工艺，双重退火的Rm值平均高76MPa，Z值较稳定且略高1%，冷顶锻工艺性能均合格[1]。因此，从力学性能是否能够满足要求的角度来看：我们可以选择出780℃保温2h，炉冷至500℃后空冷热处理工艺及780℃保温2h，空冷，再在630℃保温4h，空冷的热处理工艺较适合产品要求。

2 试验结果分析

表1 TC16棒材退火工艺

表2 TC16棒材退火态力学性能

图1 TC16棒材各种退火状态下的显微组织

TC16棒材各种退火状态下的显微组织如图1所示。众所周知，α+β两相合金和亚稳定β型钛合金退火时除再结晶过程外还可能发生与相变有关的组织性能的变化，TC16这种β稳定元素含量较高的钛合金的显微组织一般都呈多边形化。

观察图1（a）-图1（d）显微组织，可以发现在相同的退火温度下保温相同的时间后，仅仅是由于热处理工艺中的冷却方式发生变化，而导致4种热处理工艺下的显微组织产生了不同之处；比较4种金相图发现，图1（c）、图1（d）的α相含量较图1（a）、图1（b）的金相组织中α相含量多，同时可以注意到，图1（d）中的α相和β相分布更加弥散。结合表2可知：采用随炉冷却到一定温度后再空冷的冷却方式，材料力学性能的稳定性较好。这一现象与相关资料研究得到的结论相吻合，以2℃/min-4℃/min的速度炉冷时，可以得到相当稳定的α+β组织。至于各工艺之间机械性能存在高低不等的差异，这与其他的两相合金一样，在冷却方式发生变化后，TC16钛合金中α相和β相的分布比例会产生变化，从而引起材料机械性能的变化[2]。

双重退火的第一阶段中组织及相组成的特点如上所述，在空冷过程中没有分解的亚稳定β相在第二阶段继续并完全分解，亚稳定β相的分解方式可以简单地表示为：β亚稳定→β亚稳定+α→β+α。这个过程在电子金相研究中可以被观察到，最终的显微组织如图1（d）所示，具有更加弥散的α相组织且其含量远远高于β相的含量。在表2中，双重退火状态下的强度较之其他几种退火状态下的要高些，这是与亚稳定β相的分解弥散强化相关的；双重退火状态下的塑性也比较高，这与α相含量有相当的关系，因此可以解释在两种退火状态下的冷顶锻试验中，空冷方式全部开裂而双重退火状态下全部合格的测试结果[3]。

3 结语

（1）780℃保温2h后以2℃/min-4℃/min的速度炉冷至400℃-500℃，然后在空气中冷却，可保证最大的塑性和最小的强度。

（2）780℃保温2h后在空气中冷却，再在630℃保温4h，空冷，即可保证最大的塑性和也可具有相当高的强度。

（3）双重退火可使亚稳定β相的分解产生弥散强化，冷顶锻测试性能全部合格。