汽車緊固件熱處理工藝技術(shù)及其發(fā)展

1、本文由坐北面南貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 第 36 卷 V o l 36 第 2期 No 2 金 屬 制 品 M eta l P roduc ts 2010 年 4 月 A pr il 2010 do:i 10 3969/ .j issn. 1003- 4226. 2010. 02. 002 . 汽車緊固件熱處理工藝技術(shù)及其發(fā)展 張先鳴 (上海申光高強(qiáng)度螺栓有限 公司, 摘 要 上海 201309 介紹汽車緊固 件熱處理裝備的發(fā)展過程及常用 裝備的優(yōu) 缺點(diǎn), 針對(duì) 高強(qiáng)度緊 固件的 要求, 指出熱 處理裝 備存在的問題是不能測(cè)定淬

2、火介 質(zhì)冷卻性能, 碳勢(shì)控 制不穩(wěn) 定, 爐溫校 驗(yàn)周期過 長(zhǎng)等。說 明汽車緊 固件熱 處理工 藝的制定原則, 指出熱處理裝備水平、 原材 料、 爐溫、 爐內(nèi) 氣氛、 火介質(zhì) 是制 定汽車 緊固 件熱 處理工 藝的 關(guān)鍵因 淬 素; 原材料的化學(xué)成分是確定淬火溫度的主要因素。隨著強(qiáng)度的提高, 在熱處理過程 中要進(jìn)行驅(qū) 氫處理, 并對(duì)高強(qiáng) 度緊固件的心部鐵素體 含量進(jìn)行測(cè)定; 汽車緊固件生產(chǎn) 企業(yè)要 注重?zé)?處理裝 備的更新、 退火冷鐓 鋼和非 調(diào)質(zhì)鋼 免 的使用及熱處理工藝制 度的完善。 關(guān)鍵詞 汽車緊固件; 高強(qiáng)度緊固件; 熱處理; 調(diào)質(zhì)處理; 驅(qū)氫; 冷鐓 TG 162 7 . 中圖分類號(hào)

3、 H eat treat ent technology of car fastener and its developm en t m ZHANG X i n m ing a ( Shanghai Shenguang H igh S trength Bolts Co. , L td. , Shanghai 201309, China Abstrac t T o introduce the deve lopm ent course of car fastener hea t treat ent apparatus and the advantages and d isadvanta m ges

4、of co mmon apparatus, a i ing at the de ands o f high streng th fastener m m , it is po inted out that the prob lems ex isting in heat treat ent apparatus are no t ab le to de ter ine coo ling property of quench m edium, unstable ca rbon potentia l control and m m over long furnace temperature check

5、 ing per iod The Fo r la ting princ ip les o f ca r fastener heat trea t ent process are ex . mu m p la ined. It is pointed out that the key factors to fo r late car fastener heat treatm ent process are heat treatm ent appara tus mu leve, ra m a terials furnace te l w , mperature atmo sphere in furn

6、ace and quench m edium. T he che ical compositions o f raw , m m ater ia ls are m a in factors fo r ensuring quench te pe rature E li ina ting hydrogen trea t ent needs to be done in hea t treat m . m m m ent w ith streng th increas ing and the ferr ite conten ts in core of h igh streng th fastener

7、needs to be de ter ined. T he car fas , m tener production enterpr ises should pay attention to rene ing o f heat treatm ent apparatus, the use of w ithout anneal cold w head ing steel and ho t ro lled h igh strength stee, perfection o f heat treatment pro cess l . K eywords ing car fastener h igh s

8、treng th fastene r heat treatment harden ing and tempering e li ina te hydrogen; cold head ; ; ; ; m 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展, 對(duì)汽車緊固件的要求也 越來越高。我國(guó)汽車高強(qiáng)度緊固件的主要品種是螺 栓, 有 8. 8 9 8 10 9和 12 9級(jí) 4 個(gè)強(qiáng)度等級(jí), 這些 , . , . . 強(qiáng)度級(jí)別的緊固件都要進(jìn)行熱處理, 才能提高產(chǎn)品 的綜合力學(xué)性能, 達(dá)到規(guī)定的抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比, 熱 處理工藝技術(shù)是生產(chǎn)汽車緊固件的關(guān)鍵。 1 影響汽車緊固件熱處理的因素 汽車緊固件熱處理一般稱為調(diào)質(zhì) ( 淬火后再

9、經(jīng) 高溫回火 處理, 調(diào)質(zhì)對(duì)原材料、 爐溫、 爐內(nèi)氣氛、 淬 火介質(zhì)、 熱處理質(zhì)量檢測(cè)等都有嚴(yán)格要求, 只有滿足 了基本要求, 才能減少由材料引起的偏析、 退火無保 護(hù)氣氛引起的脫碳、 冷鐓過程產(chǎn)生的裂紋、 淬火介質(zhì) 引起的淬火開裂和畸變 1 1 熱處理裝備 . 20世紀(jì) 80年代末, 我國(guó)汽車緊固件的高強(qiáng)度 螺栓熱處理大部分采用鹽浴爐淬火, 鹽浴爐內(nèi)膽有 限, 每次只能裝 30 50 kg 。由于鹽浴爐熱處理工作 環(huán)境差, 淬回火工序距離近, 易造成混裝現(xiàn)象, 客戶 在使用時(shí)發(fā)生脆斷或者根本無法使用。由于熱處理 裝備太落后, 一些汽車緊固件企業(yè)只能配套生產(chǎn) 8 8 . 級(jí)及以下強(qiáng)度等級(jí)的螺栓

10、。 1 。 第 2期 張先鳴: 汽車緊固 件熱處理工藝技術(shù)及其發(fā)展 7? 進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代, 由于汽車工業(yè)的快速發(fā) 展, 汽車高強(qiáng)度緊固件急需國(guó)產(chǎn)化。熱處理裝備已 由鹽浴爐、 滴注式滾筒電阻爐、 放熱式震底爐發(fā)展為 吸熱式或 N2 CH 3 OH 裂解氣氛的鑄鏈爐。由于網(wǎng)帶 壽命的大幅度提高, 輻射管加熱的連續(xù)式網(wǎng)帶爐用 量最大, 同時(shí), 網(wǎng)帶爐具有爐內(nèi)布料、 加熱均勻, 零件 質(zhì)量穩(wěn)定、 工作環(huán)境好、 可減少零件磕碰、 用氣量較 少、 能耗小等優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)工藝的要求, 有些企業(yè)在連續(xù)式網(wǎng)帶爐生 產(chǎn)線的前清洗設(shè)備上增加去磷功能, 在加熱前除去 緊固件表面的磷化層; 對(duì)于大規(guī)格高強(qiáng)度螺栓

11、, 為防 止淬火時(shí)的磕碰和淬火畸 變, 選用 Un icase系列箱 形多用爐處理; 為降低成本, 有的企業(yè)連續(xù)式網(wǎng)帶爐 加熱區(qū)采用燃?xì)饧訜? 保溫區(qū)采用電加熱, 發(fā)揮燃?xì)?加熱和電加熱的優(yōu)勢(shì), 且因地制宜選擇爐用載氣和 滲碳劑種類, 達(dá)到節(jié)能減排的目的。 連續(xù)式網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線的熱處理工藝: 上料 洗 加熱 淬火 清洗 回火 著色 清 下線, 可實(shí) 不論是碳素鋼還是合金鋼, 在完全淬透的情況 下, 緊固件經(jīng)高溫回火得到相同硬度的成品時(shí), 它們 的力學(xué)性能如強(qiáng)度、 塑性和韌性等都差不多。也就 是說, 45鋼和 40Cr鋼都完全淬透并回火至同一硬 度時(shí), 它們的強(qiáng)度、 塑性和韌性等大致相同, 但是如

12、 果不完全淬透, 即使回火后的硬度與淬透后回火的 相同, 其屈服強(qiáng)度、 斷后伸長(zhǎng)率、 斷面收縮率和沖擊 強(qiáng)度等都要低些, 其 降低程度隨淬透程度的減少而 3 增大 。 同一材質(zhì)的產(chǎn)品, 當(dāng)截面大小不同時(shí), 淬透性也 不同, 雖然采用同一調(diào)質(zhì)工藝, 其力學(xué)性能卻不盡相 同。截面越大, 淬透性也越差, 力學(xué)性能也越差。同 時(shí), 同樣材質(zhì)的原料, 其化學(xué)成分允許在一定范圍內(nèi) 波動(dòng), 尤其是碳素鋼會(huì)因?yàn)楦麂搹S在冶煉技術(shù)、 標(biāo)準(zhǔn) 上有所區(qū)別而不同, 采用相同工藝生產(chǎn)的成品必然 存在性能差異。 淬火加熱溫度主要根據(jù)鋼的化學(xué)成分, 結(jié)合具 體工藝確定。鋼的化學(xué)成分是確定淬火溫度的主要 因素, 根據(jù)淬火介質(zhì)的

13、不同, 采用的淬火加熱溫度也 不同。亞共析鋼淬火溫度選擇在 A c3以上; 碳素鋼在 A c3以上 30 50 ! ; 合金鋼在 A c3以上 50 80 ! 。對(duì) 心部淬硬的緊固件來說, 由于組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的 綜合作用, 產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力將處于零件表面附近, 可能引起淬裂, 這個(gè)淬裂危險(xiǎn)尺寸與所用淬火介質(zhì) 有關(guān), 對(duì)于螺栓, 水淬時(shí)的直徑為 8 10 mm, 油淬時(shí) 的直徑為 20 39 mm 。處于危險(xiǎn)尺寸的螺栓淬火 時(shí), 必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐勾懔选?淬火時(shí)加熱溫度、 加熱時(shí)間必須適當(dāng), 要保證淬 火后體積分?jǐn)?shù)至少 90 的組織為馬氏體, 要有預(yù)熱 % 措施, 可采取 A c3以下 1

14、00 ! 的溫度預(yù)熱, 使淬火后 組織均勻, 馬氏體轉(zhuǎn)變充分, 心部較少游離鐵素體或 粒狀碳化物。 為了把緊固件強(qiáng)度和保證載 荷控制在合格范 圍, 回火時(shí)應(yīng)注意原料材質(zhì)、 爐型、 鐓制工藝 ( 冷鐓 與溫鍛 、 螺紋長(zhǎng)度 (全牙與半牙 、 介質(zhì) ( 水淬與油 淬 的區(qū)別。硬度和強(qiáng)度要求一般可在高溫區(qū)間通 過回火溫度來調(diào)整。在提高硬度下限值基礎(chǔ)上, 回 火溫度應(yīng)選用較高值, 從而徹底消除應(yīng)力。有些合 金材料含第 2類回火脆性敏感的元素較多, 回火后 必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s方法, 避免在高溫區(qū)域停留較 長(zhǎng)時(shí)間, 產(chǎn)生第 2類回火脆性。 2 2 增加驅(qū)氫處理 . 汽車的節(jié)能化、 輕量化發(fā)展, 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和

15、動(dòng)力系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求, 它不單單是所用的緊 3 現(xiàn)碳勢(shì)控制, 自動(dòng)運(yùn)行。在滲碳工藝中, 可采用氧探 頭分區(qū)碳勢(shì)控制技術(shù), 對(duì)淺滲層質(zhì)量進(jìn)一步優(yōu)化, 使 產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍 2 。 熱處理裝備存在的問題是淬火介質(zhì)缺乏冷卻性 能測(cè)定、 碳勢(shì)控制不穩(wěn)定、 爐溫校驗(yàn)周期過長(zhǎng)等。 1 2 原材料 . 汽車高強(qiáng)度緊固件用冷鐓鋼線材品種有碳素鋼 和合金鋼。除了高強(qiáng) 度大六角頭螺 栓, 根據(jù) GB /T 1231要求, 對(duì) M 30以下規(guī)格所用材料作了規(guī)定外, 其他螺栓無論是國(guó)標(biāo)還是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)均沒有明確規(guī)定 應(yīng)采用的材質(zhì), 只是指導(dǎo)性地指出需要添加的合金 元素。 事實(shí)上, 原 材料選用是很 重要

16、的一個(gè) 環(huán)節(jié) 2 。 例如某螺栓廠在承接美國(guó) PAC Car的項(xiàng) 目生產(chǎn)美標(biāo) 1 - 14的 8級(jí) ( 相當(dāng)于國(guó)標(biāo) 10. 9 級(jí) 螺栓時(shí), 采用 40C r鋼作原料, 該產(chǎn)品用于載 重卡車制動(dòng)器, 對(duì)連 接件的要求很高。第 1次送檢時(shí)成品保載試驗(yàn)不合 格, 第 2次送檢時(shí)楔負(fù)載試驗(yàn)不合格。分析材料性 能后, 很難達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)要求, 改用 42C r oA 鋼生 M 產(chǎn)后, 加強(qiáng)工藝控制, 生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。 2 熱處理工藝的控制 2 1 熱處理工藝制定原則 . 汽車高強(qiáng)度緊固件要獲得具有良好力學(xué)性能的 回火索氏體、 回火托氏體組織, 前提是淬火時(shí)要保證 心部得到馬氏體組織, 這與鋼的淬透性有密

17、切關(guān)系。 8? 金 屬 制 品 第 36卷 固件螺栓、螺母本身的減重, 8 8級(jí)及以上緊固件 . 高強(qiáng)化也起著十分重要的作用, 但是隨著強(qiáng)度的提 高, 由氫脆引發(fā)的斷裂就成為一個(gè)十分突出的問題, 在熱處理過程中要進(jìn)行驅(qū)氫處理。 研究表明, 實(shí)際使用的緊固件在自然環(huán)境下發(fā) 生氫脆斷裂主要是淬火回火的馬氏體鋼, 發(fā)生在屈 服強(qiáng)度 620M P a, 硬度 HRC值 31的高強(qiáng)度材料 中?？?拉強(qiáng)度越高, 對(duì)氫脆越 敏感, 材料越容易吸 4 氫, 而驅(qū)氫越不容易 。 一般認(rèn)為, 當(dāng)強(qiáng)度 達(dá)到 1 050 MP a 以上才會(huì)發(fā) 生氫脆斷裂。 GB /T 5267 1 規(guī)定, 當(dāng)心部或表面硬 . 度的

18、HV 值 320時(shí), 應(yīng)通過試驗(yàn)對(duì)氫脆進(jìn)行檢驗(yàn), 并進(jìn)行驅(qū)氫處理, 就是說, 性能等級(jí) 10 9級(jí)及以上 . 的電鍍螺栓, 都應(yīng)該采用低氫工藝并進(jìn)行驅(qū)氫。從 國(guó)外資料看, 汽車緊固件發(fā)生氫脆斷裂的強(qiáng)度閾值 可能會(huì)下降到 1 000MP a 。 金相組織對(duì)碳素鋼、 合金鋼的氫敏感性影響很 明顯?；鼗瘃R氏體、 上貝氏體 ( 粗 , 下貝氏體 ( 細(xì) 、 索氏體、 珠光體、 奧氏體對(duì)氫的敏感性依次降低?；?火馬氏體對(duì)氫脆的敏感性最強(qiáng), 因此在熱處理時(shí)可 通過調(diào)整熱處理工藝, 減少回火馬氏體組織的生成。 比如采用等溫淬火就會(huì)使發(fā)生氫脆斷裂的閾值提高 100MP a 左右, 這是因?yàn)榈葴卮慊鹕傻南仑愂?/p>

19、體 組織對(duì)氫脆的敏感性比回火馬氏體低。 汽車緊固 件調(diào) 質(zhì)熱 處理是 在高 溫下 進(jìn)行 的, 為了減少熱處理 過程 中材料 表面的 氧化, 常 常在 加熱爐中加入保護(hù)氣氛。如果保護(hù) 氣氛中含有氫 化物, 就有可能在熱處 理過程中吸氫, 增加緊固件 氫脆風(fēng)險(xiǎn)。 另外, 熱處理工藝與電鍍后的驅(qū)氫效果密切相 關(guān), 淬火 形成的 殘余 應(yīng)力 對(duì)氫 脆影響 明顯。殘余 ( 拉 應(yīng) 力消除得 越充分, 電鍍后 驅(qū)氫的效 果就越 好, 氫脆斷裂的閾值也就越高, 這種情況在高強(qiáng)度螺 栓的生產(chǎn)中表現(xiàn)的最明顯。 IS0 9581把消除殘余應(yīng) 力作為減小氫脆風(fēng)險(xiǎn)的重要措施之一。 為防止產(chǎn)生氫脆, 1 000 1 3

20、00 MP a高強(qiáng)度緊 固件必須在電鍍后驅(qū)氫。驅(qū)氫時(shí)將電鍍后的緊固件 加熱到一定溫度并保持 一段時(shí)間, 使材料中的氫聚 集形成氫分子而逸出。驅(qū) 氫不徹底主要 有 2個(gè)原 因, 一是沒有及時(shí)驅(qū)氫, 二是驅(qū)氫時(shí)間過短。 2 3 加強(qiáng)緊固件心部組織的測(cè)定 . 汽車緊固件在進(jìn)行熱處理的過程中, 由于淬火 加熱溫度、 材料的淬透性、 淬火冷卻速度等因素的影 響, 會(huì)在緊固件中心部位產(chǎn)生鐵素體組織。過多的 鐵素體組織會(huì)降低螺栓的硬度和強(qiáng)度, 影響緊固件 的使用。 8 8級(jí)高強(qiáng)度螺栓一般采用 S . WRCH 35K, ML 35 35 鋼制造, 螺栓在調(diào)質(zhì)后, 心部的 顯微組織 , 中或多或少有一些鐵素體

21、。在實(shí)際生產(chǎn)中, 對(duì)于心 部有大量鐵素體的螺栓, 當(dāng)心部硬度低于產(chǎn)品要求 時(shí), 往往采用提高抗拉強(qiáng)度來控制產(chǎn)品質(zhì)量。螺栓 在淬火不足時(shí), 有的企業(yè)通過降低回火溫度來保證 抗拉強(qiáng)度, 給螺栓的質(zhì)量留下了隱患。 為了控制汽車螺栓的熱處理質(zhì)量, 對(duì)螺栓的心 部鐵素體含量進(jìn)行測(cè)定是十分必要的。汽車緊固件 如 8 8級(jí)螺栓, 分別檢查在淬火后和回火后的頭部 . 或尾部的硬度, 對(duì)螺栓的心部鐵素體一直未作要求, 致使螺栓在裝配時(shí)被拉長(zhǎng)或拉斷。某發(fā)動(dòng)機(jī)漲緊輪 的緊固螺栓, 材料為 ML35 強(qiáng)度等級(jí) 8 8 在裝配時(shí) , . , 常常被拉長(zhǎng), 對(duì)失效的螺栓分析發(fā)現(xiàn), 螺栓心部含有 大量的鐵素體。對(duì)此類有較

22、高裝配扭矩要 求的螺 栓, 在熱處理過程中, 不僅控制淬火和回火的硬度, 同時(shí)將其心部鐵素體控制在 3級(jí)以內(nèi), 杜絕了在裝 配時(shí)被拉長(zhǎng)或拉斷。 保證載荷試驗(yàn)方法是將螺栓在萬能試驗(yàn)機(jī)上做 拉力試驗(yàn), 施加標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的保證載荷并持續(xù) 15 s , 測(cè)量螺栓施加保證載荷后引起的絕對(duì)伸長(zhǎng)量。在美 國(guó) SAE J 429中, 明確規(guī)定 8級(jí) ( 相當(dāng) 于國(guó)標(biāo) 10 9 . 級(jí) 以上, 在汽車行業(yè)使用的高強(qiáng) 度螺栓必須進(jìn)行 保載試驗(yàn), 絕對(duì)伸長(zhǎng)量控制在 12 7 m 以內(nèi)。由于 . 絕對(duì)伸長(zhǎng)量很細(xì)微, 表面細(xì)微的毛刺、 尖粒均會(huì)對(duì)測(cè) 量值有影響, 況且安裝夾具也會(huì)帶來一定的測(cè)量偏 差。 SAE J 429

23、明確規(guī)定, 第 1 次誤差超標(biāo), 還可以 進(jìn)行第 2次測(cè)試。如果第 2 次結(jié)果不合格, 可以判 斷螺栓不符合要求; 如果第 2次結(jié)果合格, 可以判斷 螺栓符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 調(diào)質(zhì)緊 固 件 心 部 組 織 的 測(cè)定, 可 參 考 GB /T 13320# 2007?鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方 法 %。檢驗(yàn) 結(jié) 果表 明, 對(duì) 于 S WRCH 35K 鋼 制造 的 8 8 . 級(jí)螺栓, 心部鐵素體組織的 體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在 12 % 以內(nèi), 硬度 HRC 值最低為 27 對(duì)于 SCM 435鋼制造 ; 的 10 9級(jí)螺栓, 心部鐵素體組織的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制 . 在 5 以內(nèi), 硬度 HRC 值最低為

24、 34. 5 % 。中碳合金鋼 主要用來制造 9. 8 10 9 12 9級(jí)高強(qiáng)度螺栓, 對(duì)于 , . , . 螺栓淬火后心部鐵素體的測(cè)定: 對(duì)無疲勞壽命要求 的 9 8 10 9級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)支架緊固螺栓, 心部鐵素體 . , . 1 3級(jí)合格; 對(duì)有摩擦因數(shù)要求的 9 8 10. 9級(jí)發(fā) . , 動(dòng)機(jī)連桿螺栓, 心部鐵素體 1 2級(jí)合格, 對(duì)于 12 9 . 級(jí)螺栓, 心部鐵素體 1級(jí)合格。 第 2期 張先鳴: 汽車緊固 件熱處理工藝技術(shù)及其發(fā)展 9? 3 熱處理工藝技術(shù)的關(guān)注點(diǎn) 汽車緊固件的快速發(fā)展, 給生產(chǎn)企業(yè)帶來了挑 戰(zhàn)和機(jī)遇。與世界先進(jìn)水平相比, 我國(guó)緊固件的熱 處理工藝技術(shù)總體水平仍然落后, 差距在加大, 尤其 在環(huán)保、 能耗、 品質(zhì)等諸多方面形勢(shì)嚴(yán)峻, 因此, 提高 汽車緊固件工藝技術(shù)水平十分必要, 筆者認(rèn)為應(yīng)在 以下幾個(gè)方面多加關(guān)注。 3 1 使用免退火冷鐓鋼和非調(diào)質(zhì)鋼 . 采用免退火冷鐓鋼和非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車緊固件 是近幾年研究的新課題。 汽車緊固件為了保證冷成型性能, 冷鐓鋼需要 預(yù)先進(jìn)行球化退火。免退火冷鐓鋼通過對(duì)鋼的化學(xué) 成分進(jìn)行調(diào)整, 軋制過程中控制軋制和冷卻, 使珠光 體部分球化, 減小冷成型過程中的變形抗力, 可以直 接用于冷