CN103940704A - 确定scm435钢高温固态碳扩散系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定SCM435钢高温固态碳扩散系数的方法。按照以下步骤进行：将试样在1.013×10⁵Pa的大气压下，加热至900~1100℃并保温40~90min，进行高温脱碳模拟实验，确定脱碳层及氧化层厚度。将脱碳层中碳浓度降至0.298~0.315%处规定为脱碳层的起点。通过菲克第二准则推导出简单快速求解碳扩散系数的计算公式。通过相同的实验状态、实验材料，在相同的固相中，一定的温度区间内，其扩散系数具有相对的唯一性，根据这种唯一性验证模型的准确性。

Description

确定SCM435钢高温固态碳扩散系数的方法

技术领域

 本发明涉及一种确定SCM435钢高温固态碳扩散系数的方法，属于钢铁材料技术领域。

背景技术

众所周知，一台发动机需要许多紧固件进行连接固定。比如一辆轿车平均用紧固件1500个约50公斤，费用约占整车成本的2.5~3%。一辆中卡或重卡车平均需要各种紧固件90公斤，中国汽车紧固件需求量达到180~200亿件，总量将达40~45万吨，产值在百亿元以上。对于高端发动机螺栓来说，主要有连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓与飞轮螺栓。每台发动机(按四缸估算)，需要8个连杆螺栓、10个缸盖螺栓、10个轴承螺栓、6个飞轮螺栓，每个螺栓重量约60克，总计约2公斤。全国每年按2000万辆车计算，需要高端发动机紧固件总件数在6~8亿件。

目前国内乘用车、高端商用车、飞机、轮船、火车等12.9级高强度发动机螺栓用钢一直依赖国外进口，这种关键部位的高级别螺栓钢主要以SCM435冷镦钢为主，这种钢对脱碳等表面质量的要求近乎苛刻，属于有特殊要求的高级冷镦钢，而在实际生产中，由于高温扩散，盘条表面很容易产生脱碳现象。

目前对于螺栓钢领域，研究较多的为装配技术、力学性能、连接方法、热处理等，如ZL00105872.X号专利，公开了一种耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢。ZL200410074410.7号专利，公开了一种耐延迟断裂和冷加工性能优良的高强度螺栓钢；ZL200510028318.1号专利，公开了一种通过热处理，得到亚临界汽轮机螺栓钢细晶粒处理工艺方法；CN102587538A号专利，公开了一种狗骨式端板螺栓钢连梁联肢剪力墙的方法；CN200920104882.0号专利，公开了一种发动机螺栓装配机；CN201220266903.0号专利，公开了汽车发动机螺栓、螺母拆卸安装练习器。

另外，关于扩散技术专利，公布较多的为一种装置、或气体液体的扩散系数的测试工艺等，如CN102621039B号专利，公开了一种双流气准静态法测量气体扩散系数的方法；CN101319979B号专利，公开了一种利用毛细管电泳仪速测物质在液相中扩散系数的方法；CN102445406A号专利，公开了一种测量液相扩散系数的方法及装置；CN102809526A号专利，公开了一种测量二氧化碳在饱和油岩心中扩散系数的方法；CN102706779A号专利，公开了一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的方法；CN103472507A号专利，公开了一种基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系数的方法；CN1566993A号专利，公开了扩散物质的扩散状况预测方法及扩散状况预测系统，该方法可以预测排往大气中的扩散物质的扩散状况；CN1773246A号专利，公开了一种扩散系数测定仪，可以测试油气勘探中岩石扩散系数。

故有必要对高端螺栓钢SCM435钢的碳扩散系数进行测试，从而预测其高温碳扩散行为，为该钢种的加热工艺、在线冷却工艺、热处理工艺优化提供理论基础。

发明内容

确定SCM435钢高温固态碳扩散系数的方法，其工艺步骤包括：

试样制作步骤，

试样加热步骤，

试样保温步骤，

快速冷却步骤；

结果计算步骤；

⑥结果验证步骤；

其特征在于，其中试样制作步骤为将工业生产的高强度螺栓钢SCM435钢热轧盘条加工成Φ12mm×15mm圆柱体热模拟试样，并在试样中间表面焊接热电偶，在热模拟机上进行模拟实验；

试样加热步骤为用电阻加热法在1.013×10⁵Pa的大气压下，避免试样在加热阶段产生脱碳，将试样从常温快速加热到900~1100℃；

试样保温步骤为在1.013×10⁵Pa的大气压下，为促进脱碳层的产生及生长，进行40~90min的保温；

快速冷却步骤为将试样从保温温度以大于5℃/s的冷速快速冷却到室温，以避免试样在冷却阶段产生脱碳，实验后测量氧化层及脱碳层厚度；

结果计算步骤为由公式：

计算得出，

SCM435钢的实际高温碳扩散系数介于D ₁~D ₂之间，其中试样远离表面一端的碳质量浓度设为0.35%；对于氧化层表面，其碳质量浓度设为0。

结果验证步骤为由公式：

计算得出，

扩散系数D ₄₀、D ₉₀的差值误差率W ₄₀、W ₉₀控制小于5%。

本发明的原理：

（1）将试样在1.013×10⁵Pa的大气压下，通过在900~1100℃下保温40~90min，进行高温脱碳模拟实验，实验后测量氧化层及脱碳层厚度。

（2）试样远离表面一端的碳质量浓度设为0.35%；对于氧化层表面，其碳质量浓度设为0。

（3）经过多次元素测量，脱碳层的起点时的碳浓度，确定为0.298~0.315%之间。

（4）通过菲克第二准则拟合扩散系数。根据胡赓祥等主编≤材料科学与基础≥一书中，一端成分不受扩散影响的扩散体，其菲克第二准则可以表达为：

                           (1)

根据式(1)，在温度T _n时，保温t后，其脱碳层厚度为x，最终可以变换为式(2)：

           (2)

通过方程变化及函数的求解，可以得到SCM435钢高温固态碳扩散系数的最终表达式，如式(3)所示：

                 (3)

SCM435钢的实际高温碳扩散系数介于D ₁~D ₂之间。

（5）模型的准确性验证，在温度T下分别保温40min、90min，分别求出扩散系数D ₄₀、D ₉₀，变异系数控制小于5%，其差值误差率控制如式(4)所示：

                                  (4)

其中，对于脱碳实验，其原理是实验时避免时间太短或温度太低，脱碳层太少，测量误差相对较大，也应避免时间太长或温度太高，氧化层太多，影响精度。使用金相显微镜测量脱碳层。由于金相加工的过程中氧化层脱落或部分脱落，通过实验后试样尺寸的减少量及金相显微镜测量确定氧化层厚度。

对于心部与表面的碳质量浓度的确定，其原理是试样视为半无限长的扩散体，远离表面一端始终保持不受扩散影响；对于氧化层表面，由于直接与大气接触，处于完全氧化状态，忽略其碳含量。并假设与间隙固溶体C相比，忽略置换固溶体Fe、Mn、Cr等元素扩散的影响；氧化层未从基体脱落且扩散行为与基体一致。

模型的准确性验证，其原理是通过相同的实验状态、实验材料，在相同的固相中，一定的温度区间内，其扩散系数具有相对的唯一性，根据这种唯一性验证模型的准确性。

采用本发明的方法能够实现不同温度下SCM435钢的固相碳扩散系数的测量，本发明具有下列优点和效果：（1）通过高温脱碳实验进行碳扩散的测试，实验过程样品用量少、成本低、非接触、重复性高、安全可靠、易操作；（2）通过菲克第二准则推导出高温固态碳扩散系数的表达式，计算过程清晰简单；（3）根据相同实验状态时扩散系数的唯一性，能够简单、快速地检测计算结果的准确性。

由于本发明研究的内容为通过大气环境下高温脱碳实验，一种简单快速求解SCM435钢高温固态碳扩散系数的方法。与发动机螺栓钢领域装配技术、力学性能、连接方法、热处理等其他专利相比，控制手段、方法及研究对象都不一样；与气体、液体扩散系数的测试工艺等扩散方面的专利相比，控制对象、手段、方法及控制目标也不一样。综上所述，对于SCM435钢产品，求解其高温固态碳扩散系数的方面上未有公开的研究报道。

附图说明

图1为950℃温度下保温40min时的脱碳金相照片；

图2为1000℃温度下保温40min时的脱碳金相照片；

图3为1050℃温度下保温40min时的脱碳金相照片；

图4为950℃温度下保温90min时的脱碳金相照片；

图5为1000℃温度下保温90min时的脱碳金相照片；

图6为1050℃温度下保温90min时的脱碳金相照片。

具体实施方式

确定SCM435钢高温固态碳扩散系数的方法，其工艺步骤包括：

试样制作步骤，

试样加热步骤，

试样保温步骤，

快速冷却步骤；

结果计算步骤；

⑥结果验证步骤；

其特征在于，其中试样制作步骤为将工业生产的高强度螺栓钢热轧盘条加工成圆柱体热模拟试样，并在试样中间表面焊接热电偶；

试样加热步骤为用电阻加热法在1.013×10⁵Pa的大气压下将试样加热到900~1100℃；

试样保温步骤为在1.013×10⁵Pa的大气压下保温40~90min；

快速冷却步骤为将保温后的试样快速冷却至室温；

结果计算步骤为由公式：

计算得出，

SCM435钢的实际高温碳扩散系数介于D ₁~D ₂之间，其中试样远离表面一端的碳质量浓度设为0.35%；对于氧化层表面，其碳质量浓度设为0；

结果验证步骤为由公式：

计算得出，

扩散系数D ₄₀、D ₉₀的差值误差率W ₄₀、W ₉₀控制小于5%。

 

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例中拍摄金相照片的金相显微镜为Axio Imager.M2m(德国蔡司公司)正置全自动材料显微镜(北京普瑞赛司仪器有限公司代理)。

实施例1

将工业生产的高强度螺栓钢热轧盘条加工成圆柱体热模拟试样，在加热炉上进行高温脱碳模拟实验，钢种牌号及成分如表1所示。具体步骤如下：

表1 SCM435钢主要化学成分

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
							0.35	0.2	0.65	0.013	0.007	0.95	0.2

（1）将热电偶焊接在小样中间表面，用电阻加热法进行加热。

（2）将试样快速加热到900℃，分别保温40min、90min，然后快速冷却至室温。

（3）金相显微镜测量其氧化层的厚度分别为10μm、20μm；脱碳层的厚度分别为165μm、238μm；实验影响区域厚度分别为175μm、258μm。

（4）将40min、90min保温时的实测值175μm、258μm代入式(3)，通过计算，求出该温度下，脱碳层起点为0.315%时碳扩散系数分别为2.37×10^-12m²/s、2.29×10^-12m²/s。其差值很小，仅0.08×10^-12m²/s，差值误差率分别为3.37%、3.49%，其平均值为2.33×10^-12m²/s。

（5）脱碳层起点为0.298%时碳扩散系数分别为3.07×10^-12m²/s、2.96×10^-12m²/s。其平均值为3.01×10^-12m²/s，变异系数为3.46%。

（6）900℃时SCM435钢的碳扩散系数在2.33×10^-12m²/s与3.01×10^-12m²/s之间，取其平均值为2.67×10^-12m²/s。

实施例2

将工业生产的高强度螺栓钢热轧盘条加工成圆柱体热模拟试样，在加热炉上进行高温脱碳模拟实验，钢种牌号及成分如表1所示。具体步骤如下：

（1）将热电偶焊接在小样中间表面，用电阻加热法进行加热。

（2）将试样快速加热到1100℃，分别保温40min、90min，然后快速冷却至室温。

（3）金相显微镜测量其氧化层的厚度分别为170μm、220μm；脱碳层的厚度分别为528μm、835μm；实验影响区域厚度分别为698μm、1055μm。

（4）将40min、90min保温时的实测值698μm、1055μm代入式(3)，通过计算，求出该温度下，脱碳层起点为0.315%时碳扩散系数分别为3.77×10^-11m²/s、3.83×10^-11m²/s。其差值很小，仅0.06×10^-11m²/s，差值误差率分别为1.59%、1.57%，平均值为3.80×10^-11m²/s。

（5）脱碳层起点为0.298%时碳扩散系数分别为4.88×10^-11m²/s、4.95×10^-11m²/s。其平均值为4.92×10^-11m²/s，变异系数为1.52%。

（6）900℃时SCM435钢的碳扩散系数在3.80×10^-11m²/s与4.92×10^-11m²/s之间，取其平均值为4.36×10^-11m²/s。

实施例3

将工业生产的高强度螺栓钢热轧盘条加工成圆柱体热模拟试样，在加热炉上进行高温脱碳模拟实验，钢种牌号及成分如表1所示。具体步骤如下：

（1）将热电偶焊接在小样中间表面，用电阻加热法进行加热。

（2）将试样快速加热到950℃、1000℃、1050℃，分别保温40min、90min，然后快速冷却至室温。

（3）根据实验后测量试样尺寸变化及金相显微镜测量，其氧化层与脱碳层的实验影响区域厚度，950℃时分别为257μm、395μm；1000℃时分别为355μm、556μm；1050℃时分别为576μm、837μm。图1、图2、图3分别为950℃、1000℃、1050℃温度下保温40min时的脱碳金相照片；图4、图5、图6分别为950℃、1000℃、1050℃温度下保温90min时的脱碳金相照片。

（4）将40min、90min保温时的实测值数据分别代入式(3)，通过计算，求出950℃、1000℃、1050℃时的碳扩散系数分别为6.00×10^-12m²/s、1.17×10^-11m²/s、2.85×10^-11m²/s。

Claims (1)

1.确定SCM435钢高温固态碳扩散系数的方法，其工艺步骤包括：

试样制作步骤，

试样加热步骤，

试样保温步骤，

快速冷却步骤；

结果计算步骤；

⑥结果验证步骤；

其特征在于，其中试样制作步骤为将工业生产的高强度螺栓钢热轧盘条加工成Φ12mm×15mm圆柱体热模拟试样，并在试样中间表面焊接热电偶；

试样加热步骤为在1.013×10⁵Pa的大气压下将试样加热到900~1100℃；

试样保温步骤为在1.013×10⁵Pa的大气压下保温40~90min；

快速冷却步骤为将保温后的试样以大于5℃/s的冷速在快速冷却至室温；

结果计算步骤为由公式：

 

 计算得出，

SCM435钢的实际高温碳扩散系数介于D ₁~D ₂之间，其中试样远离表面一端的碳质量浓度设为0.35%；对于氧化层表面，其碳质量浓度设为0；

结果验证步骤为由公式：

 

 计算得出，

扩散系数D ₄₀、D ₉₀的差值误差率W ₄₀、W ₉₀控制小于5%。