本文针对风电塔筒紧固件在大风沙地区的使用环境下，42CrMo钢高强螺栓的综合性能达不到要求这一问题，从调整42CrMo钢高强螺栓热处理工艺参数淬火加热时的碳势、淬火冷却时的水溶性淬火剂浓度和回火温度入手，通过测定高强螺栓经热处理后的力学性能和扫描电镜显微组织分析等措施，最大限度地提高42CrMo钢的综合性能，以满足用于高强螺栓的42CrMo钢在特定使用环境下的高要求。
试验材料及方法
（1）试验材料
试验原材料是国内某钢厂生产的φ40mm双真空冶炼钢棒料，该材料经复验后得到的化学成分如表1所示。
（2）试验方法
高强螺栓的加工过程是将φ40mm的棒料经粗车→冲压→缩颈→退火→攻螺纹→淬火→回火→性能测试→高强螺栓。其中淬回火工序在托辊型网带炉生产线上进行，具体工艺为：将托辊型网带炉生产线的网带淬火炉升温至400℃，保温1h，继续升温到600℃，保温1h，当温度升高到800℃，开始通入甲醇和丙酮作为保护气氛，以免高强螺栓表面脱碳及网带淬火炉炉膛被氧化，保温1h，继续升温到860℃并稳定在这一温度，当碳势稳定在0.4时，开始放入待加工工件高强螺栓，保温1.5h（本试验高强螺栓的直径为36mm，所以保温时间为1.5h），出炉用水溶性淬火剂进行冷却，然后在指定回火温度下回火，保温2h（同样，利用高强螺栓的直径为36mm，确定出回火保温时间为2h），出炉水冷。本文采用正交试验设计出三个热处理工艺参数的影响因素，通过正交试验以期找到它们之间的交互影响，确定出各因素的最佳参数。
试验结果及分析
利用正交试验设计出42CrMo钢高强螺栓进行热处理时的碳势、水溶性淬火剂和回火温度3个参数因素及其3个水平，见表２。
表２ 试验因素-水平表
因素水平
碳势（%）
水溶性淬火剂（%）
回火温度/℃
1
0.2
1～6
520
2
0.4
6～12
530
3
0.6
12～18
540
根据3个参数因素及其3个水平，利用正交试验设计为9组试验来进行。表３为42CrMo钢高强螺栓在不同热处理工艺参数下对力学性能影响的试验结果，表中所有数据均取3～8个试样的平均值。
表３ 不同热处理工艺下的试验结果
由表3可知，当水溶性淬火剂浓度分别为1%～6%、6%～12%和12%～18%，回火温度分别为520℃、530℃和540℃时，42CrMo钢高强螺栓的σb分别为1158MPa、1170MPa和1160MPa，σ0.2分别为1044MPa、1052MPa和1046MPa，δ5分别为13.3%、14%和12.7%，AKU分别为84J、88J和87J，Ψ分别为48.3%、51%和49.3%。可以看出，42CrMo钢的力学性能随着热处理参数水溶性淬火剂浓度和回火温度的升高，呈先上升后下降的趋势，故当水溶性淬火剂浓度为6%～12%，回火温度为530℃时，42CrMo钢高强螺栓的性能σb为1170MPa，σ0.2为1052MPa，δ5为14%，AKU为88J，Ψ为51%，达到了最大值，其综合性能也最好。同时，研究表明，42CrMo钢高强螺栓在淬火加热过程中的碳势主要起保护气作用，抑制高强螺栓的表面脱碳和阻止托辊型网带淬火炉炉膛的氧化，一般碳势控制在0.4左右为宜，对高强螺栓的组织和性能影响不大。
（1）不同热处理工艺参数对42CrMo钢显微组织的影响
附图为42CrMo钢分别在第一组、第五组和第九组热处理工艺参数下的显微组织图。图中的明亮基体均为马氏体组织，不规则颗粒或条状组织为贝氏体和铁素体，其中黑色的基体为板条马氏体组织，较为明亮的为贝氏体组织，亮点是未溶碳化物或贝氏体组织端部与观察面相截的结果，而铁素体上的亮点（如右箭头所指）是转变过程中析出的碳化物。
（a）第一组
（b）第五组
（c）第九组
42CrMo钢在三组热处理工艺下的显微组织
附图中的贝氏体组织均为无碳贝氏体，但在形态上存在很大差别。图a和图c中已有常见的无碳贝氏体组织，但更多是针片状，且分布不均匀，存在偏析现象。而图b中，在碳势（0.40）、水溶性淬火剂浓度（6%～12%）和回火温度530℃热处理工艺参数下，42CrMo钢的贝氏体组织多为粒状且有相邻贝氏体组织相互衔接现象，这表明无碳贝氏体形成的早期不是通常所见的粒状，而是多为针状，且分布均匀，这是因为在晶界处存在较高的能量和成分起伏，有利于贝氏体铁素体形核。图a和图c中无碳贝氏体生长不充分，形成了明显的由晶界处向晶内平行生长的束状的贝氏体铁素体。
无碳贝氏体的形成，主要是由于42CrMo钢在适当浓度的水溶性淬火剂中淬火冷却时，碳在铁素体和奥氏体中的扩散能力都较强，当贝氏体铁素体形核后，其过饱和碳能够快速地扩散出去，而且能够长距离扩散到奥氏体中，这样就保证了在贝氏体铁素体生长时和长成后,其内没有碳化物析出。同时也表明了贝氏体铁素体周围奥氏体的碳含量不过高，否则就会有碳化物析出，使其长生受阻。所以在适当的碳势、水溶性淬火剂浓度和回火温度等热处理工艺参数下，42CrMo钢的组织更加细化、均匀化，综合性能也更优。
（2）水溶性淬火剂对42CrMo钢力学性能的影响
淬火冷却速度是由水溶性淬火剂的浓度决定的，浓度越低，淬火冷却速度就越快，当水溶性淬火剂的浓度为1%～6%时，淬火冷却速度过快，马氏体组织转变不够充分，42CrMo钢组织中容易产生偏析，畸变等缺陷；而浓度为6%～12%时，淬火冷却速度适中，这就给马氏体转变提供了足够的时间，因此也有效减少了工件淬火时产生畸变、开裂等缺陷的机会，组织更均匀化，综合性能也更好；当水溶性淬火剂的浓度继续升高时，淬火冷却速度过慢，造成马氏体变得粗大，使其力学性能降低。
（3）回火温度对42CrMo钢力学性能的影响
由图1和表2可看出，在不同热处理工艺参数下，42CrMo钢高强螺栓淬火后的力学性能随回火温度的变化规律具有一致性。其强度、硬度、塑性和韧性取决于组成相的性质和含量， 即取决于马氏体和铁素体的强度、硬度、塑性、韧性及其所占体积百分比。在不同温度回火后，其性能仍取决于马氏体回火组织和铁素体的性能。故42CrMo钢组织在同一临界区温度加热淬火后力学性能随回火温度的变化规律一致。
硬度是表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力，它是金属材料的重要性能指标之一。硬度试验是力学性能试验中最简单易行的一种试验方法。实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，硬度值越高，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，但是，当硬度达到一定值时，42CrMo钢的脆性增加，其断面收缩率Ψ、冲击功AKU和伸长率δ5开始下降，就达不到使用要求。
由表2可知，随着热处理参数水溶性淬火剂浓度和回火温度的升高，呈先上升后下降的趋势，当回火温度为530℃时，其组织和性能最好，这是因为低温回火时，马氏体、铁素体二相强度差别大，易引起应力集中和偏析现象，致使组织不能均匀化，性能也达不到要求。而42CrMo钢高强螺栓在530℃回火时，二相强度差别减小，有利于改善应力分布和组织的均匀化。当回火温度过高时，42CrMo钢高强螺栓的组织的脆性过高，导致部分力学性能达不到要求，所以回火温度为530℃时，其综合力学性能最好。
（4）回火温度对42CrMo钢显微组织的影响
42CrMo钢高强螺栓经淬火后回火，回火温度对它们的显微组织的影响规律是一致的，组织都经历了从粗大到细小的变化过程。淬火后不同回火过程主要是淬火组织应力的消除、组织的稳定化和基体组织碳化物析出过程。520℃回火时，组织为回火马氏体、未溶铁素体以及少量的残留奥氏体，低温回火时析出的碳化物较细小。随回火温度的升高，碳原子不断析出，形成碳化物，先析出的碳化物不断长大，形成回火屈氏体，到530℃时，碳化物继续长大并且粒状化，马氏体转变为铁素体组织，形成回火索氏体和未溶铁素体，此时钢的强度、硬度下降，塑性以及冲击韧度有较大幅度提高。
结语
（1）适当的水溶性淬火剂浓度和回火温度等热处理参数使42CrMo钢高强螺栓的组织得到了细化、均匀化，其综合性能也得到了很大的提高。
（2）42CrMo钢高强螺栓经第五组热处理（加热860℃保温1.5h（碳势0.40）+水溶性淬火剂（6%～12%）冷却+530℃回火保温2h+水冷）后的组织均匀化、细化，综合性能也最好。