螺栓热处理技术要求和常见缺陷及影响因素

螺栓是一种重要的紧固件。广泛用于机床、通用机械、汽车、工程机械、电力工程、石油化工、桥梁、轨道车辆矿山机械、建筑等领域。在我们的日常生活中也经常见到,其产品质量和可靠性对主机工作性能和结构安全性起着重要作用。

根据螺栓的机械性能分为高强度螺栓和普通螺栓,高强度螺栓主要是指机械性能等级 ≥8.8的螺栓。这些产品主要采用低、中碳合金 (如含硼或锰或铬 )钢或中碳钢优质材料制造,除个别品种规格外,都要进行经淬火并回火处理,具有较高的力学性能和使用性能,常用于要求较高的场合。

1、螺栓热处理技术要求

热处理是高强度螺栓生产的关键工序,决定了螺栓的最终使用性能,可以使高强度紧固件获得设计所要求的。具有一定强度、良好的塑性、韧性和低的缺口敏感性以及较高的抗弯强度。避免产生松驰现象等综合力学性能及使用性能。从而保证紧固件产品的质量和可靠性,提高产品的市场竞争力。

2、螺栓热处理常见缺陷及影响因素

螺栓热处理缺陷有很多种,如表面硬度不足、软点、抗拉强度不足、变形较大、淬火开裂、表面氧化等。其中淬火开裂是一种最为危险的热处理缺陷。直接造成了产品的报废。影响热处理缺陷的因素有很多。如钢的淬透性、奥氏体的化学成分、淬火加热温度、介质冷却速度、原始组织、工件形状、残余应力及其分布、加暖设备及气氛等

2.1、钢的化学成分、淬透性

钢的含碳量决定了其淬硬性。奥氏体中的含碳量越低,热应力相对于组织应力就越大;反之,碳含量越高,组织应力的作用就越大。合金元素能显著改善钢的淬透性。若钢的淬透性较好,工件易淬透,其组织应力和比容差效应的作用相对较大,介质冷速过快时容易出现淬火开裂现象;若钢的淬透性较差,工件不易淬硬,介质冷速过慢时,很容易出现软点或硬度不足的现象。

2.2、淬火温度

提高碳钢和低合金钢的淬火温度。 不仅会使热应力增加,而且由于淬透性增加, 也会使组织应力增加,最终增大变形开裂的倾向。过高的淬火温度容易引起翘曲,对于细长的螺栓,在保证性能指标的前提下,尽量采用较低的淬火温度。

2.3、原始组织及残余应力

淬火前的原始组织也会对热处理性能造成很大的影响,原始组织包括夹杂物等级、带状组织、原始晶粒度、成分偏析程度、游离碳化物质点分布方向以及不同预备热处理所得到的不同组织等等。

淬火前的残余应力大小及分布也会影响淬火后产品的性能,例如机加工、锻造、焊接、校正等均能产生残余应力。如果淬火前不进行退火来消除,则变形开裂的倾向就会增大。螺栓在打头、切变和搓丝过程中容易造成大的机加应力,对于低合金螺栓(如 40Cr、40CrMo 等)一般采用热打的方式,大规格的碳钢螺栓(如35k、ML35 、35)则要求材料要有较好的加工性能。如进行退火处理。避免形成大的残余应力,最终导致变形开裂。

2.4、介质冷却速度

冷却速度越快,淬火内应力就越大,变形开裂的倾向也越大,其中热应力主要决定于 Ms 以上的冷却速度,而组织应力主要取决于 Ms 点以下的心灰意冷却速度。介质的冷却能力主要取决于其物理特性。如粘度、热容、润湿性等,但是温度、搅拌和浓度(水基)等工艺参数对冷却能力影响也很大,选择不当,必然会造成热处理缺陷。针对碳钢紧固件,大多数采用水基的淬火介质。但是其比淬火油工艺参数多。对于工艺和操作人员的要求较高,使用过程中需做好维护和检测。水基产品常见的问题 [3]:

2.4.1、介质浓度太低

浓度过低很容易造成变形开裂的缺陷,需要加强浓度检测,并及时进行调整。目前。生产现场的浓度检测主要采用折光仪,由于污染和介质老化等原因,折光系数会降低,如果采用新液的折光系数浓度就会被高估。例如。折光仪读数为 6,新液的折光系数为 2.5,认为浓度是6x2.5=15%,而若实际浓度只有6x1.5=9% ,浓度被高估了 6%。这是很危险的。

2.4.2、介质的温度太低或太高水溶性淬火介质的液温对心灰意冷却特性影响较大,使用时应该配备好循环意气消沉却系统,以便在使用中调节槽液温度。温度太高或太低都可能造成工件变形和开裂。聚二醇( PAG)类水溶性淬火介质具有独特的逆溶性,即在水中的溶解度随温度升高而降低。介质温度升高后,蒸发增多,蒸汽膜阶段大幅延长,最大心灰意冷速下降,一般使用温度都必须小于 60℃,当温度过高时会出现 PAG 与水分离现象,冷却特性的会发生极大变化,最终导致热处理缺陷。

2.4.3、介质老化

淬火冷却过程是相当恶劣的使用环境,氧化降解、热降解、机械降解等会促使 PAG 分子链断裂变短。分子链变短意味着粘度变小,而对流意气消沉阶段却(低温冷却)与介质的流动性(粘度)密切相关。粘度变小,对流冷却速度加快。

所以虽然在保证相同浓度的情况下,随着时间的延长粘度不断变小,导致低温冷速不断变快,将增加变形开裂的倾向。

2.4.4、介质污染

对于水溶性淬火介质,必须严格避免外来污染,特别是易乳化的油品混入槽液中会使水剂乳化,使其意气消沉却特性发生很大的变化。但是其自身的污染也要引起足够的重视,

第一,长期补充自来水过程中水中的溶解物质逐渐集聚在淬火介质中。 导致折光仪测量的浓度值偏高。

第二。来自内部和外部变质产物中能使淬火意气消沉却的蒸汽膜阶段延长的污染物。

第三。淬火时工件对加入的淬火剂(溶质)的不平衡带出。

2.4.5、搅拌不当

介质的搅拌应能使介质均匀流畅地流动,消除停滞不流区。

加大搅拌能够更快的破坏蒸汽膜阶段,使冷却均匀。搅拌不足,容易出现硬度不足、软点等缺陷;搅拌速度过大容易混入空气而造成意气消沉却不均匀,也容易引发变形、硬度不均匀等缺陷。网带炉生产线大都采用螺旋桨搅拌, 必须插入到液面下一定深度, 不得小于 300mm,另外。严禁采用压缩空气入行搅拌,它不仅促使气体参与热交换,致使意气消沉却不均匀从而变形加剧以至淬火开裂产生;而且加速了介质的老化和污染,缩短了其使用寿命。

3、螺栓常见缺陷的应对措施

3.1、表面硬度不足、软点、抗拉强度不足

(1)对于水基淬火介质。

可以降低 PAG 淬火液浓度或提高盐类淬火液的浓度,以加快冷却速度;

(2)降低淬火介质的温度;

(3)加大循环和搅拌,以提高淬火烈度;

(4)提高淬火温度,延长保温时间。 使组织充分奥氏体体化;

(5)选用含碳量更高的钢种或淬透性更好的钢种。

如果表面脱碳。也会造成表面硬度不足。

可以通过增加表面的磨削量,并对比前后硬度变化来验证。若表面脱碳,需提高加热炉碳势。

3.2、变形较大、淬火开裂等

(1)对于水基淬火介质,可以提高 PAG 淬火液浓度或降低盐类淬火液的浓度,以减小应力;

(2)提高淬火液温度;

(3)减小循环量和搅拌烈度;

(4)降低淬火温度或预冷淬火;

(5)选择更低淬透性的钢种对于细长螺栓。

工件浸入淬火介质的方式和运动方向等必须给予足够的重视,以保证工件获得尽可能均匀的加热和冷却。并避免在加热时因自重而引起的变形。淬火后的螺栓如果有爆牙、爆角等淬裂现象。可能是由于组织缺陷或机加残余应力过大造成。特别是对于 8.8 级 35 钢系列。一般 Ф20 以下线材不用退火, Ф20以上则需采取退火工艺 (表面硬度 20HRC 以下),以降低线材硬度,减少机加应力,并延长拉丝模具的寿命。

3.3、淬火后轻微氧化,表面发黑,但是无氧化皮

采用网带炉大批量生产紧固件时,特别是水基介质,经常会出现头部或整体发蓝发黑的氧化现象。这是由于工件在落料渗入渗出水过程中生成大量的水蒸汽, 工件在高温高湿的氧化气氛下加剧了表面的氧化。

(1)增加水封的水压,尽量避免水蒸汽进入炉体;

(2)清洗过滤网;

(3)降低槽液的液位;

(4)加强搅拌。提高冷速。

(5)甲醇含水超标,更换合格产品

3.4、淬火后氧化严重。有氧化皮脱落

工件淬火后氧化严重,甚至有氧化皮脱落,可以基本判定是由于加热气氛引起的。

(1)载气(甲醇)用完,造成炉内无气氛保护;

(2)炉体漏气,迅速检查气密性;

(3)甲醇含水严重超标,更换合格产品。