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緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作

發(fā)布時(shí)間：2016-11-02 瀏覽：6259次

緊固件在機(jī)械構(gòu)件中起到聯(lián)接、定位以及密封等作用，其中高強(qiáng)度螺栓用量大，材料的選用是保證質(zhì)量的基礎(chǔ)。熱處理技術(shù)對(duì)高強(qiáng)度螺栓，尤其是它的內(nèi)在質(zhì)量至關(guān)重要。高強(qiáng)度螺栓共有四個(gè)性能等級(jí)，即8.8、9.8、10.9和12.9級(jí)，而日本汽車企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則有（7T、8T、9T、10T、11T）等級(jí)別，這些級(jí)別則要進(jìn)行熱處理。熱處理是為了提高螺栓的綜合力學(xué)性能，以滿足產(chǎn)品規(guī)定的抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。

1、高強(qiáng)度螺栓用鋼高強(qiáng)度螺栓用鋼材化學(xué)成分要求如下：碳是影響鋼材塑性變形的主要元素。含碳量越高，鋼的強(qiáng)度越高，塑性越低。含碳量越高，淬火加熱溫度越低，淬硬性提高，開裂和變形的傾向增大。錳能減少硫?qū)︿摰挠泻π浴Ｗ鳛殇撝谐４嬖兀i的提高可使鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高，淬透性增加。合金鋼中CrMo和CrMoV兩類鋼更能滿足在復(fù)雜條件下使用的高強(qiáng)度緊固件。35CrMo、40Cr、42CrMo鋼是在良好碳素結(jié)構(gòu)鋼中加入少量（不超過5%）合金元素而制成。鋼的淬火性能基本上是由含碳量決定的，合金元素的強(qiáng)化作用可增加鋼的淬透性，故這些鋼適用于≥10T、10.9、11T級(jí)高強(qiáng)度緊固件。

2、熱處理工藝制定原則高強(qiáng)度螺栓調(diào)質(zhì)要獲得良好綜合機(jī)械性能的回火索氏體、回火托氏體組織，其前提是整體淬火時(shí)要保證心部得到馬氏體組織。這與淬透性有著密切的關(guān)系。淬透性是指鋼經(jīng)奧氏體化以后接受淬火的能力（或淬火時(shí)淬硬層深入鋼件內(nèi)部的能力）。同一牌號(hào)不同煉鋼爐次的試樣，其化學(xué)成分是允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的，尤其是SWRCH35K鋼會(huì)因?yàn)楦麂搹S在冶煉技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)及效益有所區(qū)別而不同。因此，在熱處理時(shí)要有所區(qū)別。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓整個(gè)截面均勻承受載荷，至少應(yīng)要求心部有90%以上馬氏體，但對(duì)心部淬硬的螺栓來說，其尺寸落在“淬裂危險(xiǎn)尺寸”范圍內(nèi)時(shí)，由于組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用，而產(chǎn)生的拉應(yīng)力將處于零件表面附近，從而容易引起淬裂，這個(gè)淬裂危險(xiǎn)尺寸與所用淬火劑有關(guān)，水淬時(shí)是φ8—φ10mm左右，油淬時(shí)是φ20—φ39mm左右。淬火加熱溫度，主要根據(jù)鋼的化學(xué)成分，結(jié)合具體工藝因素進(jìn)行確定的。鋼的化學(xué)成分是確定淬火溫度的主要因素，根據(jù)選擇淬火介質(zhì)的不同，采用的淬火加熱溫度不同。亞共析鋼為Ac3+30—50℃，35鋼Ac3=803℃、ML35鋼Ac3=807℃、SWRCH35K鋼Ac3=805℃、35鋼Ac3=780℃。淬火是為關(guān)鍵的工序之一，習(xí)慣上將淬火+高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。為了把螺栓強(qiáng)度和保證應(yīng)力控制在合格范圍，在提高硬度下限值基礎(chǔ)上，回火時(shí)更應(yīng)關(guān)注以下五個(gè)方面。材料的區(qū)別、爐型的區(qū)別、鐓制的區(qū)別（紅沖與冷鐓成型區(qū)別）、螺紋的區(qū)別（全牙與半牙的區(qū)別，全牙總有效截面積小，承載抗拉強(qiáng)度低，回火溫度偏差5—10℃）和介質(zhì)的區(qū)別（水淬與油淬的區(qū)別）。

3、網(wǎng)帶爐操作要點(diǎn)高強(qiáng)度緊固件生產(chǎn)量大、價(jià)格低廉，螺紋部分又是比較細(xì)微相對(duì)精密，因此網(wǎng)帶爐尤其適用于中小規(guī)格緊固件的熱處理，自動(dòng)化程度高，熱處理質(zhì)量好。

3．1網(wǎng)帶爐的特點(diǎn)：a、智能化己實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施多項(xiàng)目操作，控制網(wǎng)帶速度、溫度、碳勢(shì)、工藝數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存10年；b、高質(zhì)量加熱區(qū)爐溫波動(dòng)幅度不大于±5℃，爐溫均勻性不大于10℃，爐內(nèi)氣氛均勻性不大于±0.05%C，氧探頭、除碳空氣泵、碳勢(shì)控制儀、爐氣調(diào)節(jié)器可靠配合在網(wǎng)帶爐上，以適合甲醇、甲苯（丙烷）氣氛，爐內(nèi)氣氛由高純度甲醇通入爐內(nèi)裂解作為載氣，以高純度甲苯（丙烷）通入爐內(nèi)裂解作當(dāng)富化氣，碳勢(shì)設(shè)定為0.36%-0.45%。

3．2網(wǎng)帶爐操作要點(diǎn)：a、清洗很重要未清洗的工件所帶入的油氣在爐內(nèi)氣氛影響明顯，CH4（甲烷）、CO2（二氧化碳）量偏高，CO（一氧化碳）偏低，易產(chǎn)生大量碳黑。b、加料厚薄加熱區(qū)爐溫波動(dòng)幅度應(yīng)不大于20—30℃，加料時(shí)請(qǐng)注意一區(qū)溫度下降不應(yīng)大于設(shè)定溫度50—60℃，超過了就應(yīng)減薄加料，原則上對(duì)M8、M10、M12不大于零件厚度，對(duì)量大的加熱厚度不大于40mm，應(yīng)避免加熱不足；對(duì)量少時(shí)加熱則應(yīng)注意堆積一塊，不要散開，否則易造成過熱、過燒。c、及時(shí)清除清洗箱內(nèi)污物，調(diào)整網(wǎng)帶偏移要養(yǎng)成習(xí)慣。d、熱處理能耗占熱處理工序成本35%—45%，是熱處理工藝一項(xiàng)不得不投資的工作。一方面早作計(jì)劃安排，生產(chǎn)上盡量相同的品種一塊做；另一方面避免返工，提高產(chǎn)品一次合格率，自檢要及時(shí)、準(zhǔn)確，減少差錯(cuò)率。e、考慮到原材料可能存在脫碳層，碳勢(shì)設(shè)定0.36%—0.45%，脫碳時(shí)用上限，不脫碳用下限，減少消耗費(fèi)用。

4、復(fù)碳工藝8.8級(jí)以上高強(qiáng)度緊固件多采用SWRCH35K、35CrMo、40Cr鋼制造，采用冷鐓成形時(shí)，原材料的脫碳層不但存在，而且被擠壓到螺紋的頂部，造成螺紋強(qiáng)度的大大降低，使用時(shí)易發(fā)生脫扣現(xiàn)象，使螺栓失去緊固作用。因此，除在淬火加熱時(shí)要保護(hù)螺紋頂部不脫碳，還要對(duì)原材料己脫碳的螺栓進(jìn)行適度的復(fù)碳。把網(wǎng)帶爐中的保護(hù)氣氛的碳勢(shì)調(diào)到和被復(fù)碳的螺栓原始含碳量基本相等，使己脫碳的螺栓慢慢恢復(fù)到原來的含碳量，碳勢(shì)設(shè)定在0.42%—0.45%，復(fù)碳溫度與淬火相同，70—80min可復(fù)碳0.10—0.15mm，不能在高溫下進(jìn)行，以免晶粒粗大，影響機(jī)械性能。

5、滲碳

5．1滲碳概述滲碳是為提高工件表層的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度，將工件在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使碳原子滲入的化學(xué)熱處理工藝。滲碳的主要目的是提高零件表面的含碳量，從而使零件經(jīng)熱處理后，在韌性、具有斷裂抗力的心部外面形成一層硬的、耐磨的滲碳層。隨著表面碳含量增加，螺釘?shù)目箯潖?qiáng)度及沖擊韌度降低，而抗扭強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度提高，至碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.90%—1.00%時(shí)達(dá)值。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.70%時(shí)，耐磨性和強(qiáng)度不足，當(dāng)高于1.00%時(shí)，則因淬火后表面碳化物及殘余奧氏體量增加而損害鋼的性能。

5．2影響氣體滲碳工藝的主要因素a、溫度和時(shí)間碳滲入鋼中的速度受碳在奧氏體中擴(kuò)散速度的***，這種擴(kuò)散速度隨溫度的提高而大大提高，碳在920℃滲入的速度約比870℃快40%。當(dāng)工件的材質(zhì)、滲碳溫度和碳勢(shì)確定后，滲碳時(shí)間將根據(jù)滲碳層深度確定，一般淺層滲碳約2—3h。b、滲碳?xì)夥崭鞣N滲碳劑或滲碳?xì)怏w在高溫下產(chǎn)生的活性碳原子是不一樣的。為了評(píng)價(jià)氣氛的滲碳能力，把在設(shè)定溫度下，鋼件表面碳含量（奧氏體狀態(tài)）與爐中氣氛達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，鋼件表面的實(shí)際碳含量稱為碳勢(shì)。并過控制碳勢(shì)來控制氣氛的滲碳能力。c、鋼的化學(xué)成分鋼中的合金元素對(duì)鋼吸收碳的能力和碳向內(nèi)部擴(kuò)散都有很大影響。Mn、B、Ti碳化物形成元素能提高滲層表面的碳含量，并具有較高韌性，適當(dāng)提高淬透性。

5．3氣體滲碳工藝的注意事項(xiàng)在使用網(wǎng)帶爐進(jìn)行滲碳工藝時(shí)，雖然采用了氧探頭進(jìn)行碳勢(shì)控制，但并不是設(shè)定好了參數(shù)，整個(gè)過程都是自動(dòng)的，至于通入富化劑的數(shù)量、通入時(shí)間等都是自動(dòng)調(diào)節(jié)的。滲碳介質(zhì)（甲苯、丙烷、石油液化氣）不采用任何***裝置，只要閥門打開，介質(zhì)呈量輸入爐內(nèi)，這些錯(cuò)誤的使用方法往往會(huì)短時(shí)間內(nèi)造成爐內(nèi)嚴(yán)重積碳，從而影響氧探頭的毫伏值正常輸出。進(jìn)料之前，必須先將工件表面層上的油脂清洗干凈，工件有良好潔凈的表面，必然對(duì)爐內(nèi)的碳勢(shì)氣氛控制有非常要的影響。氧探頭的碳黑污染和氣氛的滲透都會(huì)給探頭的毫伏指示造成誤差，氧探頭前緣延伸至端部設(shè)有一可感測(cè)爐內(nèi)氧含量的測(cè)氧探頭，其材質(zhì)是敏感度**的氧化鋯所制成，在高溫工作爐內(nèi)，如覆蓋有積碳時(shí)，使得偵測(cè)電極頭（測(cè)氧探頭）附近的氧含量減少，此時(shí)氧探頭反應(yīng)的是附近的氣氛，碳控儀自動(dòng)控制下的甲苯（丙烷、石油液化氣）流量減少，以至爐內(nèi)實(shí)際碳勢(shì)下降，工件滲碳不足。氧探頭本體上都設(shè)有消除積碳輸入口，并經(jīng)管本身定時(shí)釋放出的氧氣，將測(cè)氧探頭前緣之氣氛流量口所覆蓋的積碳燃掉。眾所周知，用氧探頭進(jìn)行碳勢(shì)控制，實(shí)際上是對(duì)爐氣中的氧含量作單因素控制，而在爐氣中，還存在CO、CO2、CH4、H2等多種成份，如果希望能自動(dòng)精確控制碳勢(shì)，僅靠氧探頭，從理論上講，還是有一定的難度的。用氧探頭進(jìn)行碳勢(shì)控制是將其它組份看成是常數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，因此如果其它組份有變化，則碳勢(shì)也將受到波動(dòng)。

6、緊固件在熱處理中產(chǎn)生缺陷的預(yù)防緊固件在淬火冷卻過程可能出現(xiàn)的熱處理質(zhì)量問題主要有：（1）淬火硬度不足；（2）淬火硬度不均；（3）淬火變形超差；（4）淬火開裂現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的這類問題往往與原材料質(zhì)量、淬火加熱和淬火冷卻有關(guān)。

6．1淬火開裂緊固件在淬火時(shí)產(chǎn)生裂紋是常見的一種缺陷。造成開裂的原因是各種各樣的，主要有以下幾個(gè)方面：a、材料的冶金缺陷，如鋼材本身存在縮孔殘余以及大量的非金屬夾雜物，在淬火時(shí)都可以成為應(yīng)力集中區(qū)域引起開裂；b、零件熱處理前的加工缺陷，如鐓鍛裂紋、折迭，在淬火時(shí)可進(jìn)一步擴(kuò)大為淬火裂紋；c、鋼材化學(xué)成分的變化，提高了鋼材的淬火性能，熱處理時(shí)造成應(yīng)力狀態(tài)的改變，引起淬火裂紋；d、淬火溫度偏高，冷卻速度過快，引起淬火開裂；e、零件形狀復(fù)雜，溝槽等凹凸處造成應(yīng)力集中，引起淬火開裂。

6．2淬火變形緊固件如螺栓的變形主要指幾何形狀變化，桿部彎曲或歪扭，這是由于淬火內(nèi)應(yīng)力所造成的。淬火內(nèi)應(yīng)力，主要指熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。中碳鋼螺栓一般表現(xiàn)為以組織應(yīng)力為主的變形特征。提高淬火加熱溫度，使熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都相應(yīng)增加，一般均增大變形量。

7、緊固件用淬火介質(zhì)的選擇。當(dāng)前用于緊固件淬火的介質(zhì)主要是各種淬火油，水溶性淬火介質(zhì)和普通自來水。下面分述這些介質(zhì)在緊固件淬火中的選用方法和注意事項(xiàng)：

7．1專用淬火油專用淬火油一般分為普通淬火油、快速淬火油、等溫淬火油以及光亮淬火油等。緊固件企業(yè)大多采用普通淬火油、快速淬火油。它的熱穩(wěn)定性都較好，能更好地保證零件的淬火質(zhì)量。當(dāng)然，快速淬火油優(yōu)于普通機(jī)械油的重要方面還是它們的冷卻特性，在冷卻速度分布上都有蒸汽膜階段短的特點(diǎn)。因而，使工件在高溫階段能冷卻得更快。其中，快速淬火油的高冷卻速度都比較高，中、低溫階段的冷卻速度快慢則因淬火油的品牌不同而有較大差別。快速淬火油主要用于合金結(jié)構(gòu)鋼以及較小規(guī)格緊固件和淬透性稍高的鋼種。企業(yè)大多都希望一臺(tái)網(wǎng)帶爐可以處理比較多的鋼種和比較多規(guī)格的螺栓，因此，多傾向于選用適應(yīng)范圍更廣的淬火油。一般淬火油的蒸汽膜階段高溫、中溫階段冷卻得快，低溫冷卻速度大，這種油的冷卻能力就很強(qiáng)，它的適用范圍就很廣。快速淬火油的蒸汽膜階段短，也就是油的高溫階段冷卻得快，這一特點(diǎn)有利于35、SWRCH35K鋼≤M12螺栓獲得較深的淬硬層，從冷卻速度分布上分析，除中、高溫階段要求冷卻得快以外，油的低溫冷卻速度高低對(duì)獲得的淬硬層深淺作用更大。低溫冷卻速度越高，淬硬層往往越深。這對(duì)于高強(qiáng)度螺栓整個(gè)截面均勻承受載荷，至少要求心部有90%以上馬氏體時(shí)十分有利。而選用快速淬火油，往往能同時(shí)解決零件的變形、硬度不足和硬度不均等問題。生產(chǎn)實(shí)踐表明，攪拌淬火油可以提高油的冷卻速度，冷卻速度比較低的油，攪拌提高其冷卻能力的作用較大，而對(duì)于冷卻速度高的專用淬火油，攪拌的作用則相對(duì)較小。

7．2水溶性淬火介質(zhì)引起淬火開裂的主要原因是在鋼開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（MS）點(diǎn)及在此以下的溫度范圍冷卻過快。由于這樣的原因，水溶性淬火介質(zhì)通常就以零件冷卻到300℃時(shí)的冷卻速度來表示該淬火液的冷卻特征。考慮到高強(qiáng)度緊固件多數(shù)選用中碳結(jié)構(gòu)鋼的MS點(diǎn)在300℃附近，故選用好富頓AQ251、UCONE等PAG類淬火液（以下簡(jiǎn)稱PAG淬火液）。簡(jiǎn)單說，它在300℃冷卻速度低，其防止螺栓淬裂的能力就強(qiáng)，而在300℃冷卻速度高，其淬硬能力也高，當(dāng)然螺栓淬裂傾向大。PAG淬火液的使用特點(diǎn)是冷卻特性可調(diào)，濃度測(cè)控容易。由于液溫對(duì)冷卻特性影響較大，使用PAG淬火液時(shí)，應(yīng)當(dāng)配備完整的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，以便在使用中調(diào)節(jié)液溫50℃以下正常使用。濃度一定時(shí)，液溫升高冷卻速度會(huì)降低。為了獲得盡可能前后一致的淬火冷卻效果，應(yīng)當(dāng)將淬火介質(zhì)的溫度控制在更窄的范圍25℃—35℃，如果由于天氣原因，嚴(yán)格控制液溫有困難，也可以通過改變濃度來調(diào)節(jié)淬火冷卻速度。比如，夏天氣溫高，冷卻系統(tǒng)一時(shí)不能將淬火液溫度降到規(guī)定范圍，可以向其中多加些自來水，以便提高淬火冷卻速度；冬天液溫過低，可以靠通入高溫水蒸汽加熱淬火液或通過提高濃度來降低淬火冷卻速度。

7．3自來水一些含碳量低≤0.20%—0.35%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，淬透性差且形狀簡(jiǎn)單的螺栓、螺母的調(diào)質(zhì)淬火，往往可以用自來水，可以節(jié)省生產(chǎn)成本。作為淬火介質(zhì)，自來水的冷卻特性是：工件處于高溫階段時(shí)冷卻得很快，而到了工件處于低溫階段時(shí)冷卻得也很快，冷卻速度快可以使淬透性差和大規(guī)格的緊固件淬硬，并獲得較深的淬硬層，這是自來水的優(yōu)點(diǎn)。但是，用自來水淬火有三大缺點(diǎn)：是低溫冷卻太快，使多數(shù)鋼種和螺栓容易發(fā)生淬裂；第二是螺栓低溫階段冷卻太快，細(xì)長(zhǎng)的規(guī)格和較薄的部位容易因?yàn)槿胨绞讲划?dāng)而發(fā)生淬火變形。第三也是不少人容易忽視的缺點(diǎn)，隨著水溫升高，淬火冷卻的蒸汽膜階段會(huì)逐漸增長(zhǎng)，且工件處于低溫階段時(shí)的冷卻速度也逐漸降低，由于這種原因，小規(guī)格螺栓、螺母較密集的堆放方式入水淬火時(shí)，堆放在外面的螺栓接觸的水溫低，而堆放在內(nèi)部的螺栓接觸的水溫高，從而外部的螺栓經(jīng)受的冷卻快，淬火后硬度高，并容易淬裂，堆放在內(nèi)部的螺栓經(jīng)受的冷卻慢，淬火后硬度低，螺栓堆放得越密集，淬火時(shí)水的流動(dòng)越不通暢，這種差別就越大。選用自來水作為淬火介質(zhì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，設(shè)法控制好水溫，一般在15℃—30℃，可通過強(qiáng)力攪拌促使淬火介質(zhì)通暢地從螺栓之間流過，以減小內(nèi)外部水的溫差。

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