2015机械系螺栓零件热处理分析

螺栓的热处理分析专业：机械设计与制造班级：姓名：学号：成绩：-1-前言热处理是机械零件制造过程中的重要工序之一。它不但可以保证和提高工件的综合机械性能，如耐磨、耐腐蚀等，还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。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。当然，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、工件形状等。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。-2-1.钢化学成分分析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.温度分析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。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。3.热处理过程退火：金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有：再结晶退火、去应力退火、球化退火、完全退火等。退火的目的：主要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。正火：将钢材或钢件加热到钢的上临界点温度以上，30～50℃保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的：主要是提高低碳钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备等。淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1（钢的下临界点温度）以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有单介质淬火、-3-双介质淬火、马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等。淬火的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。回火：钢件经淬硬后，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。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。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。5.淬火介质问题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。介质的搅拌应能使介质均匀流畅-4-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。6.常见缺陷的应对措施（1）表面硬度不足、软点、抗拉强度不足对于水基淬火介质，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，降低淬火介质的温度，加大循环和搅拌，以提高淬火烈度，提高淬火温度，延长保温时间。使组织充分奥氏体体化，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。（2）变形开裂对于水基淬火介质，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，提高淬火液温度，减小循环量和搅拌烈度，降低淬火温度或预冷淬火，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）淬火后轻微氧化，表面发黑，但是无氧化皮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。增加水封的水压，尽量避免水蒸汽进入炉体，清洗过滤网，降低槽液的液位，加强搅拌。提高冷速，甲醇含水超标，更换合格产品，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，检查气密性。-5-总结热处理高强度螺栓的内在质量有着至关重要的影响。因此，要想生产出优质的高强度螺栓，就必须有恰当的选材、先入的热处理设备、热处理工艺材料和对热处理工艺过程的控制，任何一个环节不完善都可能导致热处理缺陷。螺栓热处理过程中的缺陷有很多，如表面硬度不足、软点、抗拉强度不足、变形较大、淬火开裂、表面氧化等等。首先分析了引起这些缺陷的内在和外在的原因，特别针对水溶性淬火介质，列举了其可能引起热处理缺陷的原因。因此，建议在使用过程中需做好检测和维护。最后，根据不同的暖处理缺陷。提出了相应的解决措施。但是，通常热处理缺陷是多种工艺因素共同作用的结果，在实际生产中要进行综合考虑并相互协调。