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紧固件材料与热处理工艺精彩问答

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紧固件材料与热处理工艺精彩问答

发布日期:2018-05-10 作者:江苏固德建筑机械有限公司 点击:

一、网带炉怎样防止紧固件增或脱碳?

8.8级以上高强度紧固件多采用SWRCH35K、35CrMo、40Cr钢制造,采用冷镦成?#38382;保?#21407;材料的脱碳层不但仍然存在,而且被挤压到螺纹的顶部,造成螺纹强度大大降低,使用时发生脱扣现象,使螺栓失去紧固作用。因此,除在淬火加热时要保护螺纹牙尖不脱碳,还要对原材料已脱碳的螺栓进行适度的复碳。

把网带炉?#26800;?#20445;护气氛的碳势调到和被复碳的螺栓原始含碳量基本相等,使已脱碳的螺栓慢慢恢复到原来的含碳量,碳势设定在钢材含碳量的上限约0.35%~0.48%,复碳温度与淬火基本相同,不能在高温下进行,以免晶粒粗大,影响机械性能。

在使用网带炉进?#26800;?#36136;工艺时,虽然采用?#25628;?#25506;头进行碳势精准控制,并不是设定好了?#38382;?#25972;个过程都可以自动完成的,至于通入富化剂的流量、通入时间等都是自动调节的。富化剂又称渗碳介质(丙烷、天然气或甲苯)不采用任何限制装置,只要阀门打开,介质?#39318;?#22823;量输入炉内,这些错误的使用方法往往会短时间内造成炉内?#29616;?#31215;碳,从而影响氧探头的毫伏值正常输出,以至炉内碳势值?#23548;势?#24046;,造成螺栓表面增碳。

进料之前,必须先将工件表面层上的油脂清洗干净,工件有良好洁净的表面,必然对炉内的碳势气氛控制有非常重要的影响。氧探头上的碳黑污染和气氛的渗透都会给探头的毫伏指示造成误差,氧探头前缘延伸至端部设有一可感测炉内氧含量的测氧探头,其材质是敏感度极高的氧化锆所制成,在高温工作炉内,如覆盖有积碳时,使得侦测电极头(测氧探头)附近的氧含量减少,此时氧探头反应的是附近的气氛,碳控仪自动控制下的富化?#31890;?#19993;烷、天然气或甲苯)流量减少,以至炉内?#23548;?#30899;势下降?#29615;粗?#30899;控仪自动控制下的富化?#31890;?#19993;烷、天然气或甲苯)流量增加,以至炉内?#23548;?#30899;势上升。

用氧探头进行碳势控制,?#23548;?#19978;是对炉气?#26800;?#27687;含量作单因素控制,而在炉气中,还存在CO、CO2、CH4、H2等多种组份,如果希望能自动精确控制碳势,仅靠氧探头,从理论上讲,还是有一定的难度的。

网带炉炉口和炉膛落料口都设有用不锈钢箔或片制成的多层气?#20445;?#26159;为了提高炉内气压,且防止空气窜入炉内,以提高炉内气氛稳定性,这一点很重要。气帘因受高温气体?#36136;?#23481;易变脆而损坏,损坏部位应及时修补,否则将影响炉内气密性,则碳势也将受到波动;需增大富化?#31890;?#19993;烷、天然气或甲苯)流量才能保证碳势稳定。

因为氧探头工作环境十分恶劣,应特别注意保养。氧探头的氧化锆陶瓷脆性很大,且耐急热急冷性差,安装时切忌碰撞和快捷安装。新造的网带炉一定要经过烘炉和对炉膛预渗?#23478;?#21518;才可插入氧探头,探头最好在冷炉时装卸。如必须在工作温度下进行装卸,则应该缓慢插入或拔出。尤其是在高温工作状态下的安装,必须缓慢插入,一般应以10~20mm/min的速度缓慢插入,否则会因探头核心部位爆裂而导致损坏。

根据经验,氧探头故?#29616;?#35201;是探头内炭黑过多、探头失灵,不同生产厂家氧探头产品的质量不同,绝大部门探头因内外电极脱落、氧化,造成漏气而报废。

二、网带炉网带寿命低的原因是什么?

一般的企业都是使用连续式网带炉,主要用于低、中碳结构钢和低合金结构钢调质,SWRCH35K、SWRCH25K、40Cr、10B21、10B33、SCM435等钢材的产品,碳势控制在0.25%~0.35%左右,可是淬火炉的网带最长?#26800;?#20351;用不到6个月,有时只能用1个月就发生脆断。网带材质为SUS310S不锈耐热钢丝,一直以来认为是网带材质有问题,后来?#33519;?#20351;用日本进口材质,使用寿命仍没有提高。

将脆断的网带丝进行金相检验,网丝的最外表层有硫化物层,生成了脆性的FeS2,次表层是增碳层,使网带变脆,?#23548;?#19978;表面相当于渗碳和渗硫,表层极易脱落;网丝的心部组织中有碳化铬析出,产生了敏化现象,出现了脆性。

使用后的网带脆性大,轻轻一掰就断裂,无法进行修补。将脆断的网丝经900℃×4h空气炉中保温后空冷至室温,同样用手掰,没有断裂,且有一定韧性。金相检验显微组织网丝表面的硫化物大部分消失了,渗碳层有所减少,其主要发生了以下化学反应:

4FeS2+11O2→2Fe2O3+8SO2,Fe3C+3O2→Fe3O4+CO2;同时经过900℃保温后,网丝中心的碳化铬大部分溶解。这?#24471;?#33030;性网丝,经高温正火后,表面的脆性FeS2和中心敏化现象(碳化铬)明?#32422;?#23569;,恢复了部分韧性。

影响网带寿命有3个因素。①增碳;②渗硫;③网带产生敏化。增碳?#19988;?#20026;由生产紧固件产品必须的保护碳势引起的,这个无法避免;网带长期处于高温加热状态,所以敏化也不可能避免;但这两个因素可以通过定期停炉烧碳进行部分消除。针对渗硫,可从源头上加以控制,硫的来源主要在于炉内的保护气氛,当采用液化气和甲醇作保护气氛时,液化气?#26800;?#30827;含量较高是造成渗硫的主因。从液化气和甲苯标准中硫含量最大?#24403;?#23545;看,液化气是343mg/m3,换算成169.8mg/kg,而甲苯是2.0mg/kg,把液化气换成甲苯,这样从源头上避免了渗硫。加上定期停炉烧碳网带炉设备维护制度的落实,网带的寿命可以延长至18个月以上。

三、哪些是影响紧固件?#20998;?#30340;原材料关键缺陷?

当钢中有害元素P、S增加时,如S含量为0.04%时淬火后易产生裂纹。高强度螺栓应选择高级优质钢材,P、S含量在标准中限制量为≤0.025%。针对化学成分特殊要求应对P、S两项相加不大于0.025%为优。

有些元素虽然是微量元素,但使钢的热处理规范大不相同,如炼钢时脱氧剂用Al则其微粒溶点高,在钢中起细化晶粒的作用,降低了过热敏?#34892;裕?#20351;钢成为细晶粒钢,提高热处理工艺性能。?#31895;?#29992;Si之类脱氧剂则会使钢的成为粗晶粒钢,使淬火过热敏?#34892;?#22686;大。炼钢时每炉所含微量元素不同,其热处理工艺性能也不同,如含B很微量≤0.0005%时,淬透性?#19981;?#22686;加。

非金属?#24615;?#29289;的存在隔断了金属的连续性,剥落后就成凹坑或裂纹,在冷镦成?#38382;?#26497;易形成裂纹源,在热处理时造成应力集中,产生淬火裂缝。因此,高强度螺栓对?#24615;?#29289;须?#32454;?#25511;制,一般钢材标准中对?#24615;?#29289;未做明确要求。C类(硅酸盐类)和D类(球状氧化物类)对热处理的影响最大,硅酸盐?#24615;?#29289;应不大于1.5级,球状氧化物?#24615;?#24212;不大于2级为佳?#27426;訟类硫化物和B类氧化?#33391;性?#29289;之和不大于3级。

非金属?#24615;?#29289;在钢中主要以氧化物和硫化物的?#38382;?#23384;在。

根据GB/T10561-2005《钢中非金属?#24615;?#29289;含量的测定标准评级图显微检验法》标准,建议用最恶?#37038;?#22330;评定。氧化物类?#24615;?#29289;压力加工后,它们往往沿钢材延伸方向呈不规则的点状或细小碎块状聚集成带状分布,导致应力集中,引起疲劳断裂。硫化物的危害其一就是降低钢的塑性、韧性和抗疲劳性能,硫和硫化物数量或长度的增加会明显降低钢的韧性指标;其二是降低钢的耐蚀性,特别是降低点蚀腐蚀性能。一旦受到拉应力或切应力的作用,就会沿?#24615;?#29289;方向产生破裂?#27426;?#38754;收缩率随?#24615;?#29289;总量和带状?#24615;?#29289;数量的增加而显著降低。

四、水溶性淬火冷却介质不同温度的冷却特性对紧固件淬火有影响吗?

水溶性淬火冷却介质属于聚氧化烷撑的PAG型介质,在使用时根据需要加水稀释成不同浓度的溶液,配成适量的防腐和防锈?#31890;?#21487;以获得水--油之间或比油更慢的冷却能力。

众所周知,浓度.温度和搅拌对水溶性淬火冷却介质PAG淬火剂的冷却能力影响很大。对紧固件产品浓度控制范围2.5%~5%,液温对冷却特性很敏感,温度越高在300℃左右的冷?#27492;?#24230;不会降低,反而提高,这是造成淬火开裂的原因之一,控制在30~40℃,搅拌和流动,既能提高冷?#27492;?#24230;,又能均匀液温。

钢?#24433;率?#20307;状态冷至Ms点以下所用的冷却介质叫做淬火冷却介质。淬火冷却介质冷却能力越大,钢的冷?#27492;?#24230;越快,越容易超过钢的临界冷?#27492;?#24230;,则紧固件越容易淬透,这是螺栓、螺?#24863;?#35201;的特性,淬透层的深度越深,越能达到约90%马氏体组织。但是,冷?#27492;?#24230;过大将产生巨大的淬火应力,易使螺栓、螺母产生变形或开裂。因此,理想的淬火冷却介质的冷却能力应在650℃以上缓慢冷却,以尽量降低淬火热应力。650~400℃之间应当快速冷却,以通过过冷?#29575;?#20307;最不稳定的区域,避免发生珠光体型或?#35789;?#20307;型组织转变。在350℃以下Ms点附近的温度区域,应?#34987;?#24930;冷却以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。

水的冷却能力很大,但冷却特性不好;油的冷却特性较好,但冷却能力又不够。目前,常用水或水溶液作为淬火冷却介质,冷却特性稳定、价格适中。

试验结果表明,水温越高,其特性温度?#38477;停?#26368;大冷?#27492;?#24230;越小,冷却时间越长。因为,螺栓、螺母表面和淬火介质的温度差越大,表面换热系数越大,冷?#27492;?#24230;越快。而对于水,当其温度较高时,螺栓、螺母表面较快生成蒸气膜层,?#33402;?#27668;膜的厚度增大,使螺栓、螺母向淬火液的传热速率降低,从而延长?#33487;?#27668;膜阶?#21361;?#38477;低了淬火液的冷?#27492;?#24230;。

水温低于40℃时,对冷却曲线的影响不十分明显;当水温达到50℃时,冷却性能明显下降。这是由于当水温高时,淬火介质与试样表面存在温度差减小,水吸收的热量减少,试样冷?#27492;?#24230;下降。同时,水温较高时,螺栓、螺母表面较快?#26174;?#24418;成隔热的蒸气膜,使蒸气膜阶段延长,冷却特性温度下降。当蒸气膜终于破裂而进入沸腾阶?#38382;保?#28201;度高的淬火介质与试样的温度差相对较小,冷?#27492;?#24230;变慢。

生产过程中,我们经常可以看到,45#钢8.8级M20~M27螺栓淬火的心部硬度为30~35HRC,而表面约为50~57HRC;表明螺栓水淬后的心部组织依然是铁素体+珠光体,而表面则有大量针状马氏体+先共析铁素体,所以45#钢在水中淬火后表面硬度远高于心部。

?#23548;?#29983;产中,对于SWRCH35K、45#钢8.8级M10~M24的螺栓,有时会采取提高水温来防止其淬火开裂或减小变形。对于此类情况,应考虑到水温?#20113;?#20919;却特性和螺栓、螺?#22797;?#28779;效果的影响。建议采用2.5%~4.5%PAG水溶液是最理想的淬火冷却介质,?#32422;?#27604;较高。

五、铝合金2A11、2A12螺栓热处理工艺对性能有影响?

汽车的轻量化?#23548;示?#26159;在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整体质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低?#29260;?#27745;染。铝合金具有强度高、抗腐蚀性好等优点。铝合金的比重是0.5,采用铝合金紧固件与优质碳素结构钢相比明显的减轻了汽车或机器的自重,可为轻量化的最优设计。铝合金在螺栓冲镦成型过程,易产生裂纹?#28909;?#38519;。根据铝合金2A11、2A12冲镦成型特性的要求,在退火炉内进行325~340℃完全退火,保温时间为2小时左右,然后随炉冷却,室温出炉即可。

工艺要点:①加热速度。加热速度与再结晶后的晶粒度成反比,故应选择井式加热炉来保证加热速度。②加热温度、保温时间。高温短时加热可获得细小的晶粒,?#31895;?#20445;温时间过长,由于晶粒的相互吞并而长大,形成聚合再结晶,会得到粗大的晶粒而影响性能。③冲镦成型力变形?#30465;?%~25%的变形率为临界变形,因此,在退火前不做任何加工,否则,退火后会得到粗大晶粒。④原材料化学成分。铝合金的化学成分不均匀、偏析等都可能导致晶粒长大。因此,要?#32454;?#26816;验原材料化学成分的符合性。⑤炉温均匀性。由于铝合金导热性良好、熔点低,保证工件在炉内温度的一致性和准确性,以获得均匀的晶粒度。⑥操作规程。由于铝合金热处理范围很窄,对加热温度、时间、出炉转移时间及水温等均?#32454;?#25511;制,并做好原始记?#23478;?#20379;分析。

螺栓成型后,热处理工艺还必须通过“固溶处理+时效强化?#20445;?#36827;一步提高其强度。当铝合金加热到?#26009;?#21306;,可在485~490℃保温后水冷淬火,注意过烧温度为505℃,可在室温得到过饱和的α固溶体,其强度、硬度并不能立即升高,而塑性却显著改?#30130;?#31216;为固溶处理。再在185~195℃进行人工时效处理,固溶处理后在时效处理初始阶段2小时,强度、硬度变化不大,这?#38382;?#38388;成为孕育期,在此孕育期内铝合金塑性较好,当在10~16小时后强度增加很快,基本可达到450~530MPa。

六、摩?#26009;?#25968;对螺栓装配和使用的影响是什么?

螺纹连?#37038;?#26368;常用的连接方式,它的质量?#33519;?#24433;响到装配质量和安全可靠性,而螺纹连?#24433;?#20840;可靠性的主要因素有材料、摩?#26009;?#25968;、紧固件加工方法。

当材料确定后,分别对镀锌不上油、镀锌上油、磷化上油和发黑上油的螺栓在德国制造的TesT摩?#26009;?#25968;试验机上测试摩?#26009;?#25968;。试验表明:

①相同螺栓,不同表面处理,摩?#26009;?#25968;相近,扭矩相同的,轴向力也相近。如表面镀锌上油和磷化上油的摩?#26009;?#25968;相近,其轴向力也相近。

②相同螺栓,不同表面处理,扭矩相同,摩?#26009;?#25968;越小,轴向力越大,即拧紧力越大。如表面磷化的摩?#26009;?#25968;最小,而轴向力最大。因摩?#26009;?#25968;不同,造成轴向力也不同,即拧紧力不同。

③相同螺栓,不同表面处理,相同轴向力,摩?#26009;?#25968;越大,扭矩越大。如表面发黑摩?#26009;?#25968;最大,其扭矩也最大。

④相同螺栓,相同表面处理,涂油和不涂油状态,所产生的力(扭矩、轴向力)是不同的。如表面镀锌上油和不上油状态的扭矩和轴向力差异较大。

通过分析,结合常用表面处理(包括达克罗、三价铬电镀锌、锌镍电镀、锌铝涂层等)螺栓在装配、使用过程的情况,可以得到结论:螺栓不同的摩?#26009;?#25968;,扭矩相同,轴向力不同,即摩?#26009;?#25968;越大,轴向力越小?#29615;粗?#25705;?#26009;?#25968;越小,轴向力越大。也就是说,螺栓摩?#26009;?#25968;不同,相同的装配扭矩,会产生不同的轴向力(即螺栓拧紧力)。就是说为什么在装配、使用过程中,可能做得精致(摩?#26009;?#25968;小)的螺栓会断裂、失效;而做?#20040;?#31961;(摩?#26009;?#25968;大)的螺栓在交变载?#19978;?#20250;松动或松脱。装配过程中,如偶然因素,个别螺栓沾到少量油渍后装配,因摩?#26009;?#25968;变小,可能会出现在装配或使用时,螺栓断裂现象。螺栓摩?#26009;?#25968;会对装配性能产生很大的影响。

当前对螺纹连接设计时,因国标、行标均未对螺纹紧固件的摩擦性能做具体要求,通常采用的方法?#19988;?#25454;经验公式、经验数据计算扭紧力扭,当螺纹紧固件与被连接件的表面状态发生变化时,会引起轴向预紧力过大或过小,导致螺纹连接出现断裂、松动等质量问题。

螺纹紧固件摩?#26009;?#25968;分螺纹摩?#26009;?#25968;和支承面摩?#26009;?#25968;,主要取决于螺栓制造工艺和?#23548;?#24212;用时装配工艺。经长期工作?#23548;?0000次台架试验验证,确认摩?#26009;?#25968;与下列因素密切相关。

①、螺纹精度。由螺纹公差带和旋合长度组成,螺纹精度是螺纹加工质量的综合体现,同等条件下螺纹精度越高,摩?#26009;?#25968;越小。

②、紧固件表面粗糙度。包括螺纹表面粗糙度和支承面表面粗糙度,与紧固件生产?#26800;?#20919;镦作业工艺?#38382;?#34746;纹制造工艺有?#33519;?#20851;系。

③、紧固件表面处理工艺。包括磷化、达克罗、三价铬电镀锌、锌镍电镀、锌铝涂层等,受表面处理层材料类型、局部厚度、转化工艺等因素影响,不同表面处理工艺得到的紧固件摩?#26009;?#25968;相差较大。

为此,?#23548;?#29983;产装配中,应根据被连接结构需要,合理选择紧固件的工艺?#38382;?#30830;保将摩?#26009;?#25968;的散差控制在较小范围内。设计螺纹连接时,应首先依据?#23548;适?#39564;结果确定摩?#26009;?#25968;,然后利用此摩?#26009;?#25968;计算扭紧力矩,以保证轴向预紧力理论值与?#23548;手?#30340;一致性,提高螺纹连接的可靠性和设计准确性。


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