紧固件热处理与网带炉操作

紧固件在机械构件中起到联接、定位以及密封等作用，其中高强度螺栓用量最大，材料的选用是保证质量的基础。热处理技术对高强度螺栓，尤其是它的内在质量至关重要。高强度螺栓共有四个性能等级，即8.8、9.8、10.9和12.9级，而日本汽车企业标准则有（7T、8T、9T、10T、11T）等级别，这些级别则要进行热处理。热处理是为了提高螺栓的综合力学性能，以满足产品规定的抗拉强度和屈强比。

1、高强度螺栓用钢高强度螺栓用钢材化学成分要求如下：碳是影响钢材塑性变形的最主要元素。含碳量越高，钢的强度越高，塑性越低。含碳量越高，淬火加热温度越低，淬硬性提高，开裂和变形的倾向增大。锰能减少硫对钢的有害性。作为钢中常存元素，锰的提高可使钢的抗拉强度和屈服强度提高，淬透性增加。合金钢中CrMo和CrMoV两类钢更能满足在复杂条件下使用的高强度紧固件。35CrMo、40Cr、42CrMo钢是在优质碳素结构钢中加入少量（不超过5%）合金元素而制成。钢的淬火性能基本上是由含碳量决定的，合金元素的强化作用可增加钢的淬透性，故这些钢适用于≥10T、10.9、11T级高强度紧固件。

2、热处理工艺制定原则高强度螺栓调质要获得良好综合机械性能的回火索氏体、回火托氏体组织，其前提是整体淬火时要保证心部得到马氏体组织。这与淬透性有着密切的关系。淬透性是指钢经奥氏体化以后接受淬火的能力（或淬火时淬硬层深入钢件内部的能力）。同一牌号不同炼钢炉次的试样，其化学成分是允许在一定范围内波动的，尤其是SWRCH35K钢会因为各钢厂在冶炼技术，标准及效益有所区别而不同。因此，在热处理时要有所区别。对于高强度螺栓整个截面均匀承受载荷，至少应要求心部有90%以上马氏体，但对心部淬硬的螺栓来说，其尺寸落在“淬裂危险尺寸”范围内时，由于组织应力和热应力的综合作用，而产生的最大拉应力将处于零件表面附近，从而容易引起淬裂，这个淬裂危险尺寸与所用淬火剂有关，水淬时是φ8—φ10mm左右，油淬时是φ20—φ39mm左右。淬火加热温度，主要根据钢的化学成分，结合具体工艺因素进行确定的。钢的化学成分是确定淬火温度的主要因素，根据选择淬火介质的不同，采用的淬火加热温度不同。亚共析钢为Ac3+30—50℃，35钢Ac3=803℃、ML35钢Ac3=807℃、SWRCH35K钢Ac3=805℃、35钢Ac3=780℃。淬火是最为关键的工序之一，习惯上将淬火+高温回火称为调质处理。为了把螺栓强度和保证应力控制在合格范围，在提高硬度下限值基础上，回火时更应关注以下五个方面。材料的区别、炉型的区别、镦制的区别（红冲与冷镦成型区别）、螺纹的区别（全牙与半牙的区别，全牙总有效截面积小，承载抗拉强度低，回火温度偏差5—10℃）和介质的区别（水淬与油淬的区别）。

3、网带炉操作要点高强度紧固件生产量大、价格低廉，螺纹部分又是比较细微相对精密，因此网带炉尤其适用于中小规格紧固件的热处理，自动化程度高，热处理质量好。

3．1网带炉的特点：a、智能化己实现整个系统实施多项目操作，控制网带速度、温度、碳势、工艺数据可储存10年；b、高质量加热区炉温波动幅度不大于±5℃，炉温均匀性不大于10℃，炉内气氛均匀性不大于±0.05%C，氧探头、除碳空气泵、碳势控制仪、炉气调节器可靠配合在网带炉上，以适合甲醇、甲苯（丙烷）气氛，炉内气氛由高纯度甲醇通入炉内裂解作为载气，以高纯度甲苯（丙烷）通入炉内裂解作当富化气，碳势设定为0.36%-0.45%。

3．2网带炉操作要点：a、清洗很重要未清洗的工件所带入的油气在炉内气氛影响明显，CH4（甲烷）、CO2（二氧化碳）量偏高，CO（一氧化碳）偏低，易产生大量碳黑。b、加料厚薄加热区炉温波动幅度应不大于20—30℃，加料时请注意一区温度下降不应大于设定温度50—60℃，超过了就应减薄加料，原则上对M8、M10、M12不大于零件厚度，对量大的加热厚度不大于40mm，应避免加热不足；对量少时加热则应注意堆积一块，不要散开，否则易造成过热、过烧。c、及时清除清洗箱内污物，调整网带偏移要养成习惯。d、热处理能耗占热处理工序成本35%—45%，节能是热处理工艺一项不得不投资的工作。一方面早作计划安排，生产上尽量相同的品种一块做；另一方面避免返工，提高产品一次合格率，自检要及时、准确，减少差错率。e、考虑到原材料可能存在脱碳层，碳势设定0.36%—0.45%，脱碳时用上限，不脱碳用下限，减少消耗费用。

4、复碳工艺8.8级以上高强度紧固件多采用SWRCH35K、35CrMo、40Cr钢制造，采用冷镦成形时，原材料的脱碳层不但存在，而且被挤压到螺纹的顶部，造成螺纹强度的大大降低，使用时易发生脱扣现象，使螺栓失去紧固作用。因此，除在淬火加热时要保护螺纹顶部不脱碳，还要对原材料己脱碳的螺栓进行适度的复碳。把网带炉中的保护气氛的碳势调到和被复碳的螺栓原始含碳量基本相等，使己脱碳的螺栓慢慢恢复到原来的含碳量，碳势设定在0.42%—0.45%，复碳温度与淬火相同，70—80min可复碳0.10—0.15mm，不能在高温下进行，以免晶粒粗大，影响机械性能。

5、渗碳

5．1渗碳概述渗碳是为提高工件表层的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺。渗碳的主要目的是提高零件表面的含碳量，从而使零件经热处理后，在韧性、具有断裂抗力的心部外面形成一层硬的、耐磨的渗碳层。随着表面碳含量增加，螺钉的抗弯强度及冲击韧度降低，而抗扭强度及疲劳强度提高，至碳的质量分数为0.90%—1.00%时达最大值。当碳的质量分数低于0.70%时，耐磨性和强度不足，当高于1.00%时，则因淬火后表面碳化物及残余奥氏体量增加而损害钢的性能。

5．2影响气体渗碳工艺的主要因素a、温度和时间碳渗入钢中的最大速度受碳在奥氏体中扩散速度的限制，这种扩散速度随温度的提高而大大提高，碳在920℃渗入的速度约比870℃快40%。当工件的材质、渗碳温度和碳势确定后，渗碳时间将根据渗碳层深度确定，一般浅层渗碳约2—3h。b、渗碳气氛各种渗碳剂或渗碳气体在高温下产生的活性碳原子是不一样的。为了评价气氛的渗碳能力，把在设定温度下，钢件表面碳含量（奥氏体状态）与炉中气氛达到动平衡时，钢件表面的实际碳含量称为碳势。并过控制碳势来控制气氛的渗碳能力。c、钢的化学成分钢中的合金元素对钢吸收碳的能力和碳向内部扩散都有很大影响。Mn、B、Ti碳化物形成元素能提高渗层表面的碳含量，并具有较高韧性，适当提高淬透性。

5．3气体渗碳工艺的注意事项在使用网带炉进行渗碳工艺时，虽然采用了氧探头进行碳势控制，但并不是设定好了参数，整个过程都是自动的，至于通入富化剂的数量、通入时间等都是自动调节的。渗碳介质（甲苯、丙烷、石油液化气）不采用任何限制装置，只要阀门打开，介质呈最大量输入炉内，这些错误的使用方法往往会短时间内造成炉内严重积碳，从而影响氧探头的毫伏值正常输出。进料之前，必须先将工件表面层上的油脂清洗干净，工件有良好洁净的表面，必然对炉内的碳势气氛控制有非常要的影响。氧探头的碳黑污染和气氛的渗透都会给探头的毫伏指示造成误差，氧探头前缘延伸至端部设有一可感测炉内氧含量的测氧探头，其材质是敏感度极高的氧化锆所制成，在高温工作炉内，如覆盖有积碳时，使得侦测电极头（测氧探头）附近的氧含量减少，此时氧探头反应的是附近的气氛，碳控仪自动控制下的甲苯（丙烷、石油液化气）流量减少，以至炉内实际碳势下降，工件渗碳不足。氧探头本体上都设有消除积碳输入口，并经管本身定时释放出的氧气，将测氧探头前缘之气氛流量口所覆盖的积碳燃掉。众所周知，用氧探头进行碳势控制，实际上是对炉气中的氧含量作单因素控制，而在炉气中，还存在CO、CO2、CH4、H2等多种成份，如果希望能自动精确控制碳势，仅靠氧探头，从理论上讲，还是有一定的难度的。用氧探头进行碳势控制是将其它组份看成是常数的基础上进行测量计算，因此如果其它组份有变化，则碳势也将受到波动。

6、紧固件在热处理中产生缺陷的预防紧固件在淬火冷却过程可能出现的热处理质量问题主要有：（1）淬火硬度不足；（2）淬火硬度不均；（3）淬火变形超差；（4）淬火开裂现场出现的这类问题往往与原材料质量、淬火加热和淬火冷却有关。

6．1淬火开裂紧固件在淬火时产生裂纹是最常见的一种缺陷。造成开裂的原因是各种各样的，主要有以下几个方面：a、材料的冶金缺陷，如钢材本身存在缩孔残余以及大量的非金属夹杂物，在淬火时都可以成为应力集中区域引起开裂；b、零件热处理前的加工缺陷，如镦锻裂纹、折迭，在淬火时可进一步扩大为淬火裂纹；c、钢材化学成分的变化，提高了钢材的淬火性能，热处理时造成应力状态的改变，引起淬火裂纹；d、淬火温度偏高，冷却速度过快，引起淬火开裂；e、零件形状复杂，沟槽等凹凸处造成应力集中，引起淬火开裂。

6．2淬火变形紧固件如螺栓的变形主要指几何形状变化，杆部弯曲或歪扭，这是由于淬火内应力所造成的。淬火内应力，主要指热应力和组织应力。中碳钢螺栓一般表现为以组织应力为主的变形特征。提高淬火加热温度，使热应力和组织应力都相应增加，一般均增大变形量。

7、紧固件用淬火介质的选择。当前用于紧固件淬火的介质主要是各种淬火油，水溶性淬火介质和普通自来水。下面分述这些介质在紧固件淬火中的选用方法和注意事项：

7．1专用淬火油专用淬火油一般分为普通淬火油、快速淬火油、等温淬火油以及光亮淬火油等。紧固件企业大多采用普通淬火油、快速淬火油。它的热稳定性都较好，能更好地保证零件的淬火质量。当然，快速淬火油优于普通机械油的最重要方面还是它们的冷却特性，在冷却速度分布上都有蒸汽膜阶段短的特点。因而，使工件在高温阶段能冷却得更快。其中，快速淬火油的最高冷却速度都比较高，中、低温阶段的冷却速度快慢则因淬火油的品牌不同而有较大差别。快速淬火油主要用于合金结构钢以及较小规格紧固件和淬透性稍高的钢种。企业大多都希望一台网带炉可以处理比较多的钢种和比较多规格的螺栓，因此，多倾向于选用适应范围更广的淬火油。一般淬火油的蒸汽膜阶段高温、中温阶段冷却得快，低温冷却速度大，这种油的冷却能力就很强，它的适用范围就很广。快速淬火油的蒸汽膜阶段短，也就是油的高温阶段冷却得快，这一特点有利于35、SWRCH35K钢≤M12螺栓获得较深的淬硬层，从冷却速度分布上分析，除中、高温阶段要求冷却得快以外，油的低温冷却速度高低对获得的淬硬层深浅作用更大。低温冷却速度越高，淬硬层往往越深。这对于高强度螺栓整个截面均匀承受载荷，至少要求心部有90%以上马氏体时十分有利。而选用快速淬火油，往往能同时解决零件的变形、硬度不足和硬度不均等问题。生产实践表明，搅拌淬火油可以提高油的冷却速度，冷却速度比较低的油，搅拌提高其冷却能力的作用较大，而对于冷却速度高的专用淬火油，搅拌的作用则相对较小。

7．2水溶性淬火介质引起淬火开裂的主要原因是在钢开始发生马氏体转变（MS）点及在此以下的温度范围冷却过快。由于这样的原因，水溶性淬火介质通常就以零件冷却到300℃时的冷却速度来表示该淬火液的冷却特征。考虑到高强度紧固件多数选用中碳结构钢的MS点在300℃附近，故选用好富顿AQ251、UCONE等PAG类淬火液（以下简称PAG淬火液）。简单说，它在300℃冷却速度低，其防止螺栓淬裂的能力就强，而在300℃冷却速度高，其淬硬能力也高，当然螺栓淬裂倾向大。PAG淬火液的使用特点是冷却特性可调，浓度测控容易。由于液温对冷却特性影响较大，使用PAG淬火液时，应当配备完整的循环冷却系统，以便在使用中调节液温50℃以下正常使用。浓度一定时，液温升高冷却速度会降低。为了获得尽可能前后一致的淬火冷却效果，应当将淬火介质的温度控制在更窄的范围25℃—35℃，如果由于天气原因，严格控制液温有困难，也可以通过改变浓度来调节淬火冷却速度。比如，夏天气温高，冷却系统一时不能将淬火液温度降到规定范围，可以向其中多加些自来水，以便提高淬火冷却速度；冬天液温过低，可以靠通入高温水蒸汽加热淬火液或通过提高浓度来降低淬火冷却速度。

7．3自来水一些含碳量低≤0.20%—0.35%的碳素结构钢，淬透性差且形状简单的螺栓、螺母的调质淬火，往往可以用自来水，可以节省生产成本。作为淬火介质，自来水的冷却特性是：工件处于高温阶段时冷却得很快，而到了工件处于低温阶段时冷却得也很快，冷却速度快可以使淬透性差和大规格的紧固件淬硬，并获得较深的淬硬层，这是自来水的优点。但是，用自来水淬火有三大缺点：第一是低温冷却太快，使多数钢种和螺栓容易发生淬裂；第二是螺栓低温阶段冷却太快，细长的规格和较薄的部位容易因为入水方式不当而发生淬火变形。第三也是不少人容易忽视的缺点，随着水温升高，淬火冷却的蒸汽膜阶段会逐渐增长，且工件处于低温阶段时的冷却速度也逐渐降低，由于这种原因，小规格螺栓、螺母较密集的堆放方式入水淬火时，堆放在外面的螺栓接触的水温低，而堆放在内部的螺栓接触的水温高，从而外部的螺栓经受的冷却快，淬火后硬度高，并容易淬裂，堆放在内部的螺栓经受的冷却慢，淬火后硬度低，螺栓堆放得越密集，淬火时水的流动越不通畅，这种差别就越大。选用自来水作为淬火介质时，应当扬长避短，设法控制好水温，一般在15℃—30℃，可通过强力搅拌促使淬火介质通畅地从螺栓之间流过，以减小内外部水的温差。