螺栓熱處理技術(shù)要求和常見缺陷及影響因素

螺栓是一種重要的緊固件。廣泛用于機(jī)床、通用機(jī)械、汽車、工程機(jī)械、電力工程、石油化工、橋梁、軌道車輛礦山機(jī)械、建筑等領(lǐng)域。在我們的日常生活中也經(jīng)常見到,其產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性對(duì)主機(jī)工作性能和結(jié)構(gòu)安全性起著重要作用。

根據(jù)螺栓的機(jī)械性能分為高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓,高強(qiáng)度螺栓主要是指機(jī)械性能等級(jí) ≥8.8的螺栓。這些產(chǎn)品主要采用低、中碳合金 (如含硼或錳或鉻 )鋼或中碳鋼優(yōu)質(zhì)材料制造,除個(gè)別品種規(guī)格外,都要進(jìn)行經(jīng)淬火并回火處理,具有較高的力學(xué)性能和使用性能,常用于要求較高的場(chǎng)合。

1、螺栓熱處理技術(shù)要求

熱處理是高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)的關(guān)鍵工序,決定了螺栓的最終使用性能,可以使高強(qiáng)度緊固件獲得設(shè)計(jì)所要求的。具有一定強(qiáng)度、良好的塑性、韌性和低的缺口敏感性以及較高的抗彎強(qiáng)度。避免產(chǎn)生松馳現(xiàn)象等綜合力學(xué)性能及使用性能。從而保證緊固件產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性,提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2、螺栓熱處理常見缺陷及影響因素

螺栓熱處理缺陷有很多種,如表面硬度不足、軟點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度不足、變形較大、淬火開裂、表面氧化等。其中淬火開裂是一種最為危險(xiǎn)的熱處理缺陷。直接造成了產(chǎn)品的報(bào)廢。影響熱處理缺陷的因素有很多。如鋼的淬透性、奧氏體的化學(xué)成分、淬火加熱溫度、介質(zhì)冷卻速度、原始組織、工件形狀、殘余應(yīng)力及其分布、加暖設(shè)備及氣氛等

2.1、鋼的化學(xué)成分、淬透性

鋼的含碳量決定了其淬硬性。奧氏體中的含碳量越低,熱應(yīng)力相對(duì)于組織應(yīng)力就越大;反之,碳含量越高,組織應(yīng)力的作用就越大。合金元素能顯著改善鋼的淬透性。若鋼的淬透性較好,工件易淬透,其組織應(yīng)力和比容差效應(yīng)的作用相對(duì)較大,介質(zhì)冷速過快時(shí)容易出現(xiàn)淬火開裂現(xiàn)象;若鋼的淬透性較差,工件不易淬硬,介質(zhì)冷速過慢時(shí),很容易出現(xiàn)軟點(diǎn)或硬度不足的現(xiàn)象。

2.2、淬火溫度

提高碳鋼和低合金鋼的淬火溫度。 不僅會(huì)使熱應(yīng)力增加,而且由于淬透性增加, 也會(huì)使組織應(yīng)力增加,最終增大變形開裂的傾向。過高的淬火溫度容易引起翹曲,對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的螺栓,在保證性能指標(biāo)的前提下,盡量采用較低的淬火溫度。

2.3、原始組織及殘余應(yīng)力

淬火前的原始組織也會(huì)對(duì)熱處理性能造成很大的影響,原始組織包括夾雜物等級(jí)、帶狀組織、原始晶粒度、成分偏析程度、游離碳化物質(zhì)點(diǎn)分布方向以及不同預(yù)備熱處理所得到的不同組織等等。

淬火前的殘余應(yīng)力大小及分布也會(huì)影響淬火后產(chǎn)品的性能,例如機(jī)加工、鍛造、焊接、校正等均能產(chǎn)生殘余應(yīng)力。如果淬火前不進(jìn)行退火來消除,則變形開裂的傾向就會(huì)增大。螺栓在打頭、切變和搓絲過程中容易造成大的機(jī)加應(yīng)力,對(duì)于低合金螺栓(如 40Cr、40CrMo 等)一般采用熱打的方式,大規(guī)格的碳鋼螺栓(如35k、ML35 、35)則要求材料要有較好的加工性能。如進(jìn)行退火處理。避免形成大的殘余應(yīng)力,最終導(dǎo)致變形開裂。

2.4、介質(zhì)冷卻速度

冷卻速度越快,淬火內(nèi)應(yīng)力就越大,變形開裂的傾向也越大,其中熱應(yīng)力主要決定于 Ms 以上的冷卻速度,而組織應(yīng)力主要取決于 Ms 點(diǎn)以下的心灰意冷卻速度。介質(zhì)的冷卻能力主要取決于其物理特性。如粘度、熱容、潤(rùn)濕性等,但是溫度、攪拌和濃度(水基)等工藝參數(shù)對(duì)冷卻能力影響也很大,選擇不當(dāng),必然會(huì)造成熱處理缺陷。針對(duì)碳鋼緊固件,大多數(shù)采用水基的淬火介質(zhì)。但是其比淬火油工藝參數(shù)多。對(duì)于工藝和操作人員的要求較高,使用過程中需做好維護(hù)和檢測(cè)。水基產(chǎn)品常見的問題 [3]:

2.4.1、介質(zhì)濃度太低

濃度過低很容易造成變形開裂的缺陷,需要加強(qiáng)濃度檢測(cè),并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。目前。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的濃度檢測(cè)主要采用折光儀,由于污染和介質(zhì)老化等原因,折光系數(shù)會(huì)降低,如果采用新液的折光系數(shù)濃度就會(huì)被高估。例如。折光儀讀數(shù)為 6,新液的折光系數(shù)為 2.5,認(rèn)為濃度是6x2.5=15%,而若實(shí)際濃度只有6x1.5=9% ,濃度被高估了 6%。這是很危險(xiǎn)的。

2.4.2、介質(zhì)的溫度太低或太高水溶性淬火介質(zhì)的液溫對(duì)心灰意冷卻特性影響較大,使用時(shí)應(yīng)該配備好循環(huán)意氣消沉卻系統(tǒng),以便在使用中調(diào)節(jié)槽液溫度。溫度太高或太低都可能造成工件變形和開裂。聚二醇( PAG)類水溶性淬火介質(zhì)具有獨(dú)特的逆溶性,即在水中的溶解度隨溫度升高而降低。介質(zhì)溫度升高后,蒸發(fā)增多,蒸汽膜階段大幅延長(zhǎng),最大心灰意冷速下降,一般使用溫度都必須小于 60℃,當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)出現(xiàn) PAG 與水分離現(xiàn)象,冷卻特性的會(huì)發(fā)生極大變化,最終導(dǎo)致熱處理缺陷。

2.4.3、介質(zhì)老化

淬火冷卻過程是相當(dāng)惡劣的使用環(huán)境,氧化降解、熱降解、機(jī)械降解等會(huì)促使 PAG 分子鏈斷裂變短。分子鏈變短意味著粘度變小,而對(duì)流意氣消沉階段卻(低溫冷卻)與介質(zhì)的流動(dòng)性(粘度)密切相關(guān)。粘度變小,對(duì)流冷卻速度加快。

所以雖然在保證相同濃度的情況下,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)粘度不斷變小,導(dǎo)致低溫冷速不斷變快,將增加變形開裂的傾向。

2.4.4、介質(zhì)污染

對(duì)于水溶性淬火介質(zhì),必須嚴(yán)格避免外來污染,特別是易乳化的油品混入槽液中會(huì)使水劑乳化,使其意氣消沉卻特性發(fā)生很大的變化。但是其自身的污染也要引起足夠的重視,

第一,長(zhǎng)期補(bǔ)充自來水過程中水中的溶解物質(zhì)逐漸集聚在淬火介質(zhì)中。 導(dǎo)致折光儀測(cè)量的濃度值偏高。

第二。來自內(nèi)部和外部變質(zhì)產(chǎn)物中能使淬火意氣消沉卻的蒸汽膜階段延長(zhǎng)的污染物。

第三。淬火時(shí)工件對(duì)加入的淬火劑(溶質(zhì))的不平衡帶出。

2.4.5、攪拌不當(dāng)

介質(zhì)的攪拌應(yīng)能使介質(zhì)均勻流暢地流動(dòng),消除停滯不流區(qū)。

加大攪拌能夠更快的破壞蒸汽膜階段,使冷卻均勻。攪拌不足,容易出現(xiàn)硬度不足、軟點(diǎn)等缺陷;攪拌速度過大容易混入空氣而造成意氣消沉卻不均勻,也容易引發(fā)變形、硬度不均勻等缺陷。網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線大都采用螺旋槳攪拌, 必須插入到液面下一定深度, 不得小于 300mm,另外。嚴(yán)禁采用壓縮空氣入行攪拌,它不僅促使氣體參與熱交換,致使意氣消沉卻不均勻從而變形加劇以至淬火開裂產(chǎn)生;而且加速了介質(zhì)的老化和污染,縮短了其使用壽命。

3、螺栓常見缺陷的應(yīng)對(duì)措施

3.1、表面硬度不足、軟點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度不足

(1)對(duì)于水基淬火介質(zhì)。

可以降低 PAG 淬火液濃度或提高鹽類淬火液的濃度,以加快冷卻速度;

(2)降低淬火介質(zhì)的溫度;

(3)加大循環(huán)和攪拌,以提高淬火烈度;

(4)提高淬火溫度,延長(zhǎng)保溫時(shí)間。 使組織充分奧氏體體化;

(5)選用含碳量更高的鋼種或淬透性更好的鋼種。

如果表面脫碳。也會(huì)造成表面硬度不足。

可以通過增加表面的磨削量,并對(duì)比前后硬度變化來驗(yàn)證。若表面脫碳,需提高加熱爐碳勢(shì)。

3.2、變形較大、淬火開裂等

(1)對(duì)于水基淬火介質(zhì),可以提高 PAG 淬火液濃度或降低鹽類淬火液的濃度,以減小應(yīng)力;

(2)提高淬火液溫度;

(3)減小循環(huán)量和攪拌烈度;

(4)降低淬火溫度或預(yù)冷淬火;

(5)選擇更低淬透性的鋼種對(duì)于細(xì)長(zhǎng)螺栓。

工件浸入淬火介質(zhì)的方式和運(yùn)動(dòng)方向等必須給予足夠的重視,以保證工件獲得盡可能均勻的加熱和冷卻。并避免在加熱時(shí)因自重而引起的變形。淬火后的螺栓如果有爆牙、爆角等淬裂現(xiàn)象。可能是由于組織缺陷或機(jī)加殘余應(yīng)力過大造成。特別是對(duì)于 8.8 級(jí) 35 鋼系列。一般 Ф20 以下線材不用退火, Ф20以上則需采取退火工藝 (表面硬度 20HRC 以下),以降低線材硬度,減少機(jī)加應(yīng)力,并延長(zhǎng)拉絲模具的壽命。

3.3、淬火后輕微氧化,表面發(fā)黑,但是無氧化皮

采用網(wǎng)帶爐大批量生產(chǎn)緊固件時(shí),特別是水基介質(zhì),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頭部或整體發(fā)藍(lán)發(fā)黑的氧化現(xiàn)象。這是由于工件在落料滲入滲出水過程中生成大量的水蒸汽, 工件在高溫高濕的氧化氣氛下加劇了表面的氧化。

(1)增加水封的水壓,盡量避免水蒸汽進(jìn)入爐體;

(2)清洗過濾網(wǎng);

(3)降低槽液的液位;

(4)加強(qiáng)攪拌。提高冷速。

(5)甲醇含水超標(biāo),更換合格產(chǎn)品

3.4、淬火后氧化嚴(yán)重。有氧化皮脫落

工件淬火后氧化嚴(yán)重,甚至有氧化皮脫落,可以基本判定是由于加熱氣氛引起的。

(1)載氣(甲醇)用完,造成爐內(nèi)無氣氛保護(hù);

(2)爐體漏氣,迅速檢查氣密性;

(3)甲醇含水嚴(yán)重超標(biāo),更換合格產(chǎn)品。