高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作課件

冷鐓材料與熱處理方法

6.高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作緊固件在機(jī)械構(gòu)件中起到聯(lián)接、定位以及密封等作用，其中螺栓用量最大，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最主要元素,含碳量越高,鋼的強(qiáng)度越高，而塑性越低;含碳量越高，淬火加熱溫度越低，淬硬性提高,開(kāi)裂和變形的傾向增大。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作錳能減少硫?qū)︿摰挠泻π裕鳛殇撝谐４嬖?，錳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鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中加入少量（不超過(guò)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)化作用可增加淬透性，故用于≥10T、10.9、11T級(jí)高強(qiáng)度緊固件。表1高強(qiáng)度緊固件常用材料規(guī)范等級(jí)含C量

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)

%）鋼材最低回火溫度minmax6.87T—0.55

8.88T0.150.250.400.55低合金鋼

中碳鋼425℃

9.80.150.250.350.55低合金鋼

中碳鋼340℃

10T、10.911T0.200.250.550.55低中碳合金鋼

合金鋼425℃

高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作

表

2常用緊固件材料化學(xué)成分要求

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)W%）牌號(hào)CSiMnPSCrMoSWRCH35K0．32-0．380．10-0．350.60-0.90≤0.030≤0.035

350．32-0．390．17-0．370.50-0.80≤0.035≤0.035

ML350．32-0．40≤0.200.30-0.60≤0.035≤0.035

40Cr0．37-0．440．17-0．370.50-0.80≤0.035≤0.0350．80-1．10

35CrMo0．32-0．400．17-0．370.40-0.70≤0.035≤0.0350．80-1．100．15-0．2542CrMo0．38-0．450．17-0．370.40-0.70≤0.035≤0.0350．90-1．200．15-0．25高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作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)心部要保證得到馬氏體組織，它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鋼各鋼廠在冶煉技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)及效益有所區(qū)別。因此，在熱處理時(shí)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(lái)說(shuō)，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)生的最大拉應(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)，水淬是φ8--φ10mm左右，油淬時(shí)是φ20--φ39mm左右。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作淬火加熱溫度，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℃、45鋼Ac3=780℃。淬火是最為關(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℃），介質(zhì)的區(qū)別（水淬與油淬的區(qū)別）。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作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%。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作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(guò)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(kāi)，否則易造成過(guò)熱、過(guò)燒。

c、及時(shí)清除前清洗箱內(nèi)污物，調(diào)整網(wǎng)帶偏移要養(yǎng)成習(xí)慣。

d、熱處理能耗費(fèi)占熱處理工序成本35%--45%，能源節(jié)約、節(jié)能是熱處理工藝一項(xiàng)不投資或少投資的工作。一方面計(jì)劃早作安排，生產(chǎn)上盡量相同的品種一塊做，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。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作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仍然存在，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)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(lái)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高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作定的碳含量梯度，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)最大值。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)間碳可能滲入鋼中的最大速度受碳在奧氏體中擴(kuò)散速度的限制，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。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作

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)。并通過(guò)控制碳勢(shì)來(lái)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。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作表3常用滲碳用鋼材化學(xué)成分要求

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)W%）牌號(hào)CSiMnPSSt13≤0.08≤0.20≤0.45≤0.03≤0.03200.17-0.230.17-0.370.35-0.65≤0.035≤0.035SWRCH22A0.18-0.23≤0.100.7-1.00≤0.03≤0.03520Mn0.17-0.230.17-0.370.7-1.00≤0.035≤0.035高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作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，并不是設(shè)定好了參數(shù)，整個(gè)過(guò)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、煤氣）不采用任何限制裝置，只要閥門(mén)打開(kāi)，介質(zhì)呈最大量輸入爐內(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)氣氛控制有非常重要的影響。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)是敏感度極高的氧化鋯所制成，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）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。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作眾所周知，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，所以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(guò)程可能出現(xiàn)的熱處理質(zhì)量問(wèn)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(kāi)裂。現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的這類問(wèn)題往往與原材料質(zhì)量、淬火加熱和淬火冷卻有關(guān)。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作6．1淬火開(kāi)裂緊固件在淬火時(shí)產(chǎn)生裂紋是最常見(jiàn)的一種缺陷。造成開(kāi)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(kāi)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(guò)快，引起淬火開(kāi)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(kāi)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，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。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作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(lái)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)械油的最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，快速淬火油的最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?？焖俅慊鹩椭饕糜诤辖鸾Y(jié)構(gòu)鋼以及較小規(guī)格緊固件和淬透性稍低的鋼種。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作企業(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(wèn)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。高強(qiáng)度緊固件熱處理與網(wǎng)帶爐操作7．2水溶性淬火介質(zhì)引起淬火開(kāi)裂的主要原因是在鋼開(kāi)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(guò)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(lái)表示該淬火液的冷卻特征?？紤]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等PAG類淬火液（以下簡(jiǎn)稱PAG淬火液）。簡(jiǎn)單說(shuō)，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