緊固件熱處理與網帶爐操作
緊固件在機械構件中起到聯(lián)接、定位以及密封等作用，其中高強度螺栓用量大，材料的選用是保證質量的基礎。熱處理技術對高強度螺栓，尤其是它的內在質量至關重要。高強度螺栓共有四個性能等級，即8.8、9.8、10.9和12.9級，而日本汽車企業(yè)標準則有（7T、8T、9T、10T、11T）等級別，這些級別則要進行熱處理。熱處理是為了提高螺栓的綜合力學性能，以滿足產品規(guī)定的抗拉強度和屈強比。
1、高強度螺栓用鋼高強度螺栓用鋼材化學成分要求如下：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。錳能減少硫對鋼的有害性。作為鋼中常存元素，錳的提高可使鋼的抗拉強度和屈服強度提高，淬透性增加。合金鋼中CrMo和CrMoV兩類鋼更能滿足在復雜條件下使用的高強度緊固件。35CrMo、40Cr、42CrMo鋼是在良好碳素結構鋼中加入少量（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，合金元素的強化作用可增加鋼的淬透性，故這些鋼適用于≥10T、10.9、11T級高強度緊固件。
2、熱處理工藝制定原則高強度螺栓調質要獲得良好綜合機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要保證心部得到馬氏體組織。這與淬透性有著密切的關系。淬透性是指鋼經奧氏體化以后接受淬火的能力（或淬火時淬硬層深入鋼件內部的能力）。同一牌號不同煉鋼爐次的試樣，其化學成分是允許在一定范圍內波動的，尤其是SWRCH35K鋼會因為各鋼廠在冶煉技術，標準及效益有所區(qū)別而不同。因此，在熱處理時要有所區(qū)別。對于高強度螺栓整個截面均勻承受載荷，至少應要求心部有90%以上馬氏體，但對心部淬硬的螺栓來說，其尺寸落在“淬裂危險尺寸”范圍內時，由于組織應力和熱應力的綜合作用，而產生的拉應力將處于零件表面附近，從而容易引起淬裂，這個淬裂危險尺寸與所用淬火劑有關，水淬時是φ8—φ10mm左右，油淬時是φ20—φ39mm左右。淬火加熱溫度，主要根據鋼的化學成分，結合具體工藝因素進行確定的。鋼的化學成分是確定淬火溫度的主要因素，根據選擇淬火介質的不同，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℃。淬火是為關鍵的工序之一，習慣上將淬火+高溫回火稱為調質處理。為了把螺栓強度和保證應力控制在合格范圍，在提高硬度下限值基礎上，回火時更應關注以下五個方面。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，承載抗拉強度低，回火溫度偏差5—10℃）和介質的區(qū)別（水淬與油淬的區(qū)別）。
3、網帶爐操作要點高強度緊固件生產量大、價格低廉，螺紋部分又是比較細微相對精密，因此網帶爐尤其適用于中小規(guī)格緊固件的熱處理，自動化程度高，熱處理質量好。
3．1網帶爐的特點：a、智能化己實現(xiàn)整個系統(tǒng)實施多項目操作，控制網帶速度、溫度、碳勢、工藝數據可儲存10年；b、高質量加熱區(qū)爐溫波動幅度不大于±5℃，爐溫均勻性不大于10℃，爐內氣氛均勻性不大于±0.05%C，氧探頭、除碳空氣泵、碳勢控制儀、爐氣調節(jié)器可靠配合在網帶爐上，以適合甲醇、甲苯（丙烷）氣氛，爐內氣氛由高純度甲醇通入爐內裂解作為載氣，以高純度甲苯（丙烷）通入爐內裂解作當富化氣，碳勢設定為0.36%-0.45%。
3．2網帶爐操作要點：a、清洗很重要未清洗的工件所帶入的油氣在爐內氣氛影響明顯，CH4（甲烷）、CO2（二氧化碳）量偏高，CO（一氧化碳）偏低，易產生大量碳黑。b、加料厚薄加熱區(qū)爐溫波動幅度應不大于20—30℃，加料時請注意一區(qū)溫度下降不應大于設定溫度50—60℃，超過了就應減薄加料，原則上對M8、M10、M12不大于零件厚度，對量大的加熱厚度不大于40mm，應避免加熱不足；對量少時加熱則應注意堆積一塊，不要散開，否則易造成過熱、過燒。c、及時清除清洗箱內污物，調整網帶偏移要養(yǎng)成習慣。d、熱處理能耗占熱處理工序成本35%—45%，是熱處理工藝一項不得不投資的工作。一方面早作計劃安排，生產上盡量相同的品種一塊做；另一方面避免返工，提高產品一次合格率，自檢要及時、準確，減少差錯率。e、考慮到原材料可能存在脫碳層，碳勢設定0.36%—0.45%，脫碳時用上限，不脫碳用下限，減少消耗費用。
4、復碳工藝8.8級以上高強度緊固件多采用SWRCH35K、35CrMo、40Cr鋼制造，采用冷鐓成形時，原材料的脫碳層不但存在，而且被擠壓到螺紋的頂部，造成螺紋強度的大大降低，使用時易發(fā)生脫扣現(xiàn)象，使螺栓失去緊固作用。因此，除在淬火加熱時要保護螺紋頂部不脫碳，還要對原材料己脫碳的螺栓進行適度的復碳。把網帶爐中的保護氣氛的碳勢調到和被復碳的螺栓原始含碳量基本相等，使己脫碳的螺栓慢慢恢復到原來的含碳量，碳勢設定在0.42%—0.45%，復碳溫度與淬火相同，70—80min可復碳0.10—0.15mm，不能在高溫下進行，以免晶粒粗大，影響機械性能。
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，將工件在滲碳介質中加熱、保溫，使碳原子滲入的化學熱處理工藝。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，螺釘的抗彎強度及沖擊韌度降低，而抗扭強度及疲勞強度提高，至碳的質量分數為0.90%—1.00%時達值。當碳的質量分數低于0.70%時，耐磨性和強度不足，當高于1.00%時，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、溫度和時間碳滲入鋼中的速度受碳在奧氏體中擴散速度的***，這種擴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%。當工件的材質、滲碳溫度和碳勢確定后，滲碳時間將根據滲碳層深度確定，一般淺層滲碳約2—3h。b、滲碳氣氛各種滲碳劑或滲碳氣體在高溫下產生的活性碳原子是不一樣的。為了評價氣氛的滲碳能力，把在設定溫度下，鋼件表面碳含量（奧氏體狀態(tài)）與爐中氣氛達到動平衡時，鋼件表面的實際碳含量稱為碳勢。并過控制碳勢來控制氣氛的滲碳能力。c、鋼的化學成分鋼中的合金元素對鋼吸收碳的能力和碳向內部擴散都有很大影響。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，適當提高淬透性。
5．3氣體滲碳工藝的注意事項在使用網帶爐進行滲碳工藝時，雖然采用了氧探頭進行碳勢控制，但并不是設定好了參數，整個過程都是自動的，至于通入富化劑的數量、通入時間等都是自動調節(jié)的。滲碳介質（甲苯、丙烷、石油液化氣）不采用任何***裝置，只要閥門打開，介質呈量輸入爐內，這些錯誤的使用方法往往會短時間內造成爐內嚴重積碳，從而影響氧探頭的毫伏值正常輸出。進料之前，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，必然對爐內的碳勢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給探頭的毫伏指示造成誤差，氧探頭前緣延伸至端部設有一可感測爐內氧含量的測氧探頭，其材質是敏感度**的氧化鋯所制成，在高溫工作爐內，如覆蓋有積碳時，使得偵測電極頭（測氧探頭）附近的氧含量減少，此時氧探頭反應的是附近的氣氛，碳控儀自動控制下的甲苯（丙烷、石油液化氣）流量減少，以至爐內實際碳勢下降，工件滲碳不足。氧探頭本體上都設有消除積碳輸入口，并經管本身定時釋放出的氧氣，將測氧探頭前緣之氣氛流量口所覆蓋的積碳燃掉。眾所周知，用氧探頭進行碳勢控制，實際上是對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，如果希望能自動精確控制碳勢，僅靠氧探頭，從理論上講，還是有一定的難度的。用氧探頭進行碳勢控制是將其它組份看成是常數的基礎上進行測量計算，因此如果其它組份有變化，則碳勢也將受到波動。
6、緊固件在熱處理中產生缺陷的預防緊固件在淬火冷卻過程可能出現(xiàn)的熱處理質量問題主要有：（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)場出現(xiàn)的這類問題往往與原材料質量、淬火加熱和淬火冷卻有關。
6．1淬火開裂緊固件在淬火時產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，在淬火時都可以成為應力集中區(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，在淬火時可進一步擴大為淬火裂紋；c、鋼材化學成分的變化，提高了鋼材的淬火性能，熱處理時造成應力狀態(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、零件形狀復雜，溝槽等凹凸處造成應力集中，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，這是由于淬火內應力所造成的。淬火內應力，主要指熱應力和組織應力。中碳鋼螺栓一般表現(xiàn)為以組織應力為主的變形特征。提高淬火加熱溫度，使熱應力和組織應力都相應增加，一般均增大變形量。
7、緊固件用淬火介質的選擇。當前用于緊固件淬火的介質主要是各種淬火油，水溶性淬火介質和普通自來水。下面分述這些介質在緊固件淬火中的選用方法和注意事項：
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量。當然，快速淬火油優(yōu)于普通機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。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構鋼以及較小規(guī)格緊固件和淬透性稍高的鋼種。企業(yè)大多都希望一臺網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，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。這對于高強度螺栓整個截面均勻承受載荷，至少要求心部有90%以上馬氏體時十分有利。而選用快速淬火油，往往能同時解決零件的變形、硬度不足和硬度不均等問題。生產實踐表明，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，而對于冷卻速度高的專用淬火油，攪拌的作用則相對較小。
7．2水溶性淬火介質引起淬火開裂的主要原因是在鋼開始發(fā)生馬氏體轉變（MS）點及在此以下的溫度范圍冷卻過快。由于這樣的原因，水溶性淬火介質通常就以零件冷卻到300℃時的冷卻速度來表示該淬火液的冷卻特征。考慮到高強度緊固件多數選用中碳結構鋼的MS點在300℃附近，故選用好富頓AQ251、UCONE等PAG類淬火液（以下簡稱PAG淬火液）。簡單說，它在300℃冷卻速度低，其防止螺栓淬裂的能力就強，而在300℃冷卻速度高，其淬硬能力也高，當然螺栓淬裂傾向大。PAG淬火液的使用特點是冷卻特性可調，濃度測控容易。由于液溫對冷卻特性影響較大，使用PAG淬火液時，應當配備完整的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，以便在使用中調節(jié)液溫50℃以下正常使用。濃度一定時，液溫升高冷卻速度會降低。為了獲得盡可能前后一致的淬火冷卻效果，應當將淬火介質的溫度控制在更窄的范圍25℃—35℃，如果由于天氣原因，嚴格控制液溫有困難，也可以通過改變濃度來調節(jié)淬火冷卻速度。比如，夏天氣溫高，冷卻系統(tǒng)一時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%的碳素結構鋼，淬透性差且形狀簡單的螺栓、螺母的調質淬火，往往可以用自來水，可以節(jié)省生產成本。作為淬火介質，自來水的冷卻特性是：工件處于高溫階段時冷卻得很快，而到了工件處于低溫階段時冷卻得也很快，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。但是，用自來水淬火有三大缺點：是低溫冷卻太快，使多數鋼種和螺栓容易發(fā)生淬裂；第二是螺栓低溫階段冷卻太快，細長的規(guī)格和較薄的部位容易因為入水方式不當而發(fā)生淬火變形。第三也是不少人容易忽視的缺點，隨著水溫升高，淬火冷卻的蒸汽膜階段會逐漸增長，且工件處于低溫階段時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，堆放在外面的螺栓接觸的水溫低，而堆放在內部的螺栓接觸的水溫高，從而外部的螺栓經受的冷卻快，淬火后硬度高，并容易淬裂，堆放在內部的螺栓經受的冷卻慢，淬火后硬度低，螺栓堆放得越密集，淬火時水的流動越不通暢，這種差別就越大。選用自來水作為淬火介質時，應當揚長避短，設法控制好水溫，一般在15℃—30℃，可通過強力攪拌促使淬火介質通暢地從螺栓之間流過，以減小內外部水的溫差。
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