螺栓熱處理技術要求和常見缺陷及影響因素

螺栓是一種重要的緊固件。廣泛用于機床、通用機械、汽車、工程機械、電力工程、石油化工、橋梁、軌道車輛礦山機械、建筑等領域。在我們的日常生活中也經常見到,其產品質量和可靠性對主機工作性能和結構安全性起著重要作用。

根據螺栓的機械性能分為高強度螺栓和普通螺栓,高強度螺栓主要是指機械性能等級 ≥8.8的螺栓。這些產品主要采用低、中碳合金 (如含硼或錳或鉻 )鋼或中碳鋼優質材料制造,除個別品種規格外,都要進行經淬火并回火處理,具有較高的力學性能和使用性能,常用于要求較高的場合。

1、螺栓熱處理技術要求

熱處理是高強度螺栓生產的關鍵工序,決定了螺栓的最終使用性能,可以使高強度緊固件獲得設計所要求的。具有一定強度、良好的塑性、韌性和低的缺口敏感性以及較高的抗彎強度。避免產生松馳現象等綜合力學性能及使用性能。從而保證緊固件產品的質量和可靠性,提高產品的市場競爭力。

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、抗拉強度不足、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的熱處理缺陷。直接造成了產品的報廢。影響熱處理缺陷的因素有很多。如鋼的淬透性、奧氏體的化學成分、淬火加熱溫度、介質冷卻速度、原始組織、工件形狀、殘余應力及其分布、加暖設備及氣氛等

2.1、鋼的化學成分、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,熱應力相對于組織應力就越大;反之,碳含量越高,組織應力的作用就越大。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,其組織應力和比容差效應的作用相對較大,介質冷速過快時容易出現淬火開裂現象;若鋼的淬透性較差,工件不易淬硬,介質冷速過慢時,很容易出現軟點或硬度不足的現象。

2.2、淬火溫度

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

2.3、原始組織及殘余應力

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

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

2.4、介質冷卻速度

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

2.4.1、介質濃度太低

濃度過低很容易造成變形開裂的缺陷,需要加強濃度檢測,并及時進行調整。目前。生產現場的濃度檢測主要采用折光儀,由于污染和介質老化等原因,折光系數會降低,如果采用新液的折光系數濃度就會被高估。例如。折光儀讀數為 6,新液的折光系數為 2.5,認為濃度是6x2.5=15%,而若實際濃度只有6x1.5=9% ,濃度被高估了 6%。這是很危險的。

2.4.2、介質的溫度太低或太高水溶性淬火介質的液溫對心灰意冷卻特性影響較大,使用時應該配備好循環意氣消沉卻系統,以便在使用中調節槽液溫度。溫度太高或太低都可能造成工件變形和開裂。聚二醇( PAG)類水溶性淬火介質具有獨特的逆溶性,即在水中的溶解度隨溫度升高而降低。介質溫度升高后,蒸發增多,蒸汽膜階段大幅延長,最大心灰意冷速下降,一般使用溫度都必須小于 60℃,當溫度過高時會出現 PAG 與水分離現象,冷卻特性的會發生極大變化,最終導致熱處理缺陷。

2.4.3、介質老化

淬火冷卻過程是相當惡劣的使用環境,氧化降解、熱降解、機械降解等會促使 PAG 分子鏈斷裂變短。分子鏈變短意味著粘度變小,而對流意氣消沉階段卻(低溫冷卻)與介質的流動性(粘度)密切相關。粘度變小,對流冷卻速度加快。

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

2.4.4、介質污染

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

第一,長期補充自來水過程中水中的溶解物質逐漸集聚在淬火介質中。 導致折光儀測量的濃度值偏高。

第二。來自內部和外部變質產物中能使淬火意氣消沉卻的蒸汽膜階段延長的污染物。

第三。淬火時工件對加入的淬火劑(溶質)的不平衡帶出。

2.4.5、攪拌不當

介質的攪拌應能使介質均勻流暢地流動,消除停滯不流區。

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,容易出現硬度不足、軟點等缺陷;攪拌速度過大容易混入空氣而造成意氣消沉卻不均勻,也容易引發變形、硬度不均勻等缺陷。網帶爐生產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生;而且加速了介質的老化和污染,縮短了其使用壽命。

3、螺栓常見缺陷的應對措施

3.1、表面硬度不足、軟點、抗拉強度不足

(1)對于水基淬火介質。

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)降低淬火介質的溫度;

(3)加大循環和攪拌,以提高淬火烈度;

(4)提高淬火溫度,延長保溫時間。 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。也會造成表面硬度不足。

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

3.2、變形較大、淬火開裂等

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

(2)提高淬火液溫度;

(3)減小循環量和攪拌烈度;

(4)降低淬火溫度或預冷淬火;

(5)選擇更低淬透性的鋼種對于細長螺栓。

工件浸入淬火介質的方式和運動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、爆角等淬裂現象。可能是由于組織缺陷或機加殘余應力過大造成。特別是對于 8.8 級 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,減少機加應力,并延長拉絲模具的壽命。

3.3、淬火后輕微氧化,表面發黑,但是無氧化皮

采用網帶爐大批量生產緊固件時,特別是水基介質,經常會出現頭部或整體發藍發黑的氧化現象。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,盡量避免水蒸汽進入爐體;

(2)清洗過濾網;

(3)降低槽液的液位;

(4)加強攪拌。提高冷速。

(5)甲醇含水超標,更換合格產品

3.4、淬火后氧化嚴重。有氧化皮脫落

工件淬火后氧化嚴重,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,造成爐內無氣氛保護;

(2)爐體漏氣,迅速檢查氣密性;

(3)甲醇含水嚴重超標,更換合格產品。