螺栓的熱處理設計論文

1、螺栓的熱處理工藝設計（哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）摘要：本文簡要介紹了螺栓的定義、分類、服役條件、失效形式以及常用材料，針對一種用于汽車上的高強度螺栓，通過對其性能要求的分析，選擇SCM435鋼制造該螺栓。查閱熱處理手冊等設計出SCM435鋼螺栓的熱處理工藝，包括球化退火、淬火、高溫回火。重點分析了螺栓的磷脆與氫脆現(xiàn)象，并給出了相應的檢測手段與處理方法。簡要介紹了螺栓的質(zhì)量檢測方法。關(guān)鍵詞：螺栓；熱處理；SCM435鋼；除磷；氫脆一、概述1.1.定義螺栓，是由頭部和螺桿（帶有外螺紋的圓柱體）兩部分組成的一類緊固件，需與螺母配合，用于緊固連接兩個帶有通孔的零

2、件。這種連接形式稱螺栓連接。如把螺母從螺栓上旋下，又可以使這兩個零件分開，故螺栓連接是屬于可拆卸連接。螺栓的原理是利用物體的斜面圓形旋轉(zhuǎn)和摩擦力的物理學和數(shù)學原理，循序漸進地緊固器物機件的工具。螺栓在日常生活當中和工業(yè)生產(chǎn)制造當中，是少不了的，螺栓也被稱為“工業(yè)之米”?？梢娐菟ǖ倪\用之廣泛。螺栓的運用范圍有：電子產(chǎn)品、機械產(chǎn)品、數(shù)碼產(chǎn)品、電力設備、機電機械產(chǎn)品、船舶、車輛、水利工程、化學實驗等。1.2.螺栓的分類 1.2.1六角螺栓  六角螺栓是應用最廣的一類螺栓。其A級和B級螺栓用于重要的、裝配精度要求高，以及承受較大沖擊、振動或交變載荷的場合。其C級螺栓用于表面比較粗糙、裝配精度

3、要求不高的場合。螺栓上的螺紋，一般均為普通螺紋。普通螺紋螺栓自鎖性較好，主要用于薄壁零件上或承受沖擊、振動或交變載荷的場合。一般螺栓上都是制成部分螺紋，全螺紋螺栓主要用于公稱長度較短的螺栓以及要求較長螺紋的場合。    1.2.2六角法蘭螺栓  六角法蘭面螺栓的頭部由六角頭和法蘭面兩部分組成，其“支撐面積與應力面積字比值”要大于普通六角頭螺栓，故這種螺栓能承受更高的預緊力，防松性能也較好，因而被廣泛用于汽車發(fā)動機、重型機械等產(chǎn)品上。     1.2.3六角頭頭部帶孔、帶槽螺栓   &#

4、160;使用時，可通過機械方法將螺栓鎖合，防松可靠。    1.2.4六角頭螺桿帶孔螺栓   螺桿上制出開口銷孔過金屬絲孔，采用機械放松，防松可靠。  1.2.5六角頭鉸制孔螺栓    帶鉸制孔螺栓能精確的固定被鏈接零件的相互位置，并能承受有橫向里產(chǎn)生的剪切和擠壓。     1.2.6十字槽凹突六角頭螺栓    安裝擰緊方便，主要用于受載較小的輕工、儀器儀表。    

5、 1.2.7方頭螺栓    方頭尺寸較大，受力表面也較大，便于扳手卡住其頭部，或依靠其他零件起止轉(zhuǎn)作用。也可用于帶T型槽的零件中，以便調(diào)整螺栓位置。C級方頭螺栓常用于比較粗糙的結(jié)構(gòu)上。     1.2.8沉頭螺栓    方頸或榫有止轉(zhuǎn)作用，多用于被連接零件表面要求平坦或光滑的場合。     1.2.9 T型槽螺栓  T型槽螺栓適用于螺栓只能從被聯(lián)接零件一邊進行聯(lián)接的場合。將螺栓從T型槽中插入后再轉(zhuǎn)動90度，即可使螺栓不能脫出，

6、也可用于結(jié)構(gòu)要求緊湊的場合。     1.2.10地腳螺栓    專供預埋混泥土基礎中，供固定機器、設備的底座用。     1.2.11活節(jié)螺栓    多用于需經(jīng)常拆開聯(lián)接的地方和工裝上剛網(wǎng)架螺栓球節(jié)點用高強度螺栓，強度高，主要用于公路與鐵路橋梁、工業(yè)與民用建筑、塔架、起重機。1.3.螺栓性能等級 鋼結(jié)構(gòu)連接用螺栓性能等級分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余個等級，其中8.8級及

7、以上螺栓材質(zhì)為低碳合金鋼或中碳鋼并經(jīng)熱處理（淬火、回火），通稱為高強度螺栓，其余通稱為普通螺栓。 螺栓性能等級的含義是國際通用的標準，相同性能等級的螺栓，不管其材料和產(chǎn)地的區(qū)別，其性能是相同的，設計上只選用性能等級即可。 一般的螺栓是用"X.Y"表示強度的，X*100 = 此螺栓的抗拉強度，X*100*（Y/10）= 此螺栓的屈服強度（因為按標識規(guī)定：屈服強度/抗拉強度=Y/10），如4.8級，則此螺栓的抗拉強度為：400MPa，屈服強度為：400*8/10=320MPa。二、服役條件與失效形式2.1螺栓使用中的服役條件2.1.1環(huán)境螺栓一般在大氣下使用，對在潮濕大氣或腐蝕

8、氣氛或嚴寒地區(qū)的環(huán)境下工作的螺栓，還要求螺栓材料具有低的延遲斷裂，敏感性和低的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。 2.1.2受力條件 螺紋上的載荷分布：螺栓聯(lián)接是利用螺紋之間的摩擦力而構(gòu)成的一種可拆聯(lián)接，由于其結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠，因而在工程中廣泛應用。其缺點是螺紋零件有應力集中，在交變載荷的作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋。由統(tǒng)計資料可知，其損壞部位為從螺母支撐面算起第一和第二圈螺紋處約占65%，光桿與螺紋部分交接處約占20%，螺栓頭與桿接交處約占15%。上述部位均為截面劇烈變化、有應力集中之處，見圖2.1。圖2.1 交變載荷受拉螺栓損壞之處 普通螺母柔性差，與螺栓聯(lián)接處各圈螺紋上的載荷分布很不均勻，應力集中嚴重，見圖2.

9、2，由于圖2.2（a）所示的受壓螺母，載荷按雙曲余弦的規(guī)律分布，容易導致最后幾圈螺紋失效。圖2.2螺紋上的載荷分布2.2螺栓的主要失效方式 高強度螺栓廣泛的應用在各種重要設備的緊固連接中，所以常常影響到工程構(gòu)件的安全性和可靠性。飛行器、橋梁和許多重要機械中，高強度螺栓的失效將會造成重大的經(jīng)濟損失甚至人身傷亡事故，例如：核反應堆中連接件的破壞危害是巨大的；螺紋連接緊固件是發(fā)動機重要的破壞源，也是限制發(fā)動機功率與安全的關(guān)鍵之一。2.2.1 疲勞失效 疲勞失效是高強度螺栓的主要失效形式之一。雖然高強度螺栓具有耐疲勞的特點，但這是相對普通螺栓和鉚釘連接而言的。在實際工程中，高強度螺栓在很高的預緊力的基

10、礎上，還要承受外界各種反復的作用，如拉壓應力、彎曲應力、剪切應力、沖擊載荷、或者同時承受上述幾種反復載荷。在復雜交變載荷的作用下，疲勞失效依然是高強度螺栓的主要失效形式。重要螺栓預警連接結(jié)構(gòu)中，螺栓除收到軸向預警拉伸載荷的作用外，通常還會在工作過程中受到附加的軸向拉伸（交變）載荷、橫向剪切（交變）載荷或由此復合而成的彎曲載荷的作用。通常情況下，附加的橫向應變載荷會引起螺栓的松動，軸向交變載荷會引起螺栓的疲勞斷裂。螺栓屬于嚴重應力集中的多缺口零件，其疲勞性能將明顯地受到螺栓的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料化學成分、熱處理及制造工藝等多鐘因素影響。螺栓的螺紋溝實際上是一個個小的尖銳缺口，例如對于常見的重要汽車螺

11、栓，其螺紋溝疲勞缺口系數(shù)kf大多在49的范圍內(nèi)，除螺紋外，螺栓疲勞斷裂的另一薄弱部位是螺栓頭部與桿部的過渡圓角處，由于截面的突變，在該處也存在服役條件下（軸向螺栓載荷），其危險截面位于螺栓首部13牙處，這是因為在這個部位的螺栓受力最大，螺紋溝應力集中嚴重，所以螺栓的疲勞性能是一個關(guān)鍵考核指標。 2.2.2延遲斷裂 由于高強度螺栓屬于應力集中嚴重的多缺口零件，承受軸向預警拉伸應力和工作應力，此應力與螺栓中的氫（材料本身含有的氫、酸洗、電鍍等螺栓制造過程中侵入鋼中的氫（內(nèi)氫）或長期暴露過程中發(fā)生腐蝕反應侵入鋼中的氫（外氫）發(fā)生相互作用往往會引起延遲斷裂。因此，高強度螺栓（特別是當螺栓的強度水平超過

12、1200MPa時）除表面處理后必須進行去氫處理外，由于外氫的影響亦有可能發(fā)生延遲斷裂。 2.2.3偏斜拉伸在裝配使用過程中，螺栓軸線與被連接的機件表面不垂直，或承受偏心載荷，此時在應力集中的螺紋部位造成了更硬的應力狀態(tài)，即除了存在拉應力外，還有附加彎矩作用。3、 螺栓的材料目前市場上的螺栓標準件材料主要有碳鋼螺栓、不銹鋼螺栓、銅螺栓三種材料。3.1碳鋼我們以碳鋼料中碳的含量區(qū)分低碳鋼，中碳鋼和高碳鋼以及合金鋼。3.1低碳鋼（C%0.25%）國內(nèi)通常稱為A3鋼。國外基本稱為1008，1015，1018，1022等。主要用于4.8級螺栓及4級螺母、小螺絲等無硬度要求的產(chǎn)品。（注：鉆尾釘主要用102

13、2材料。）3.2中碳鋼（0.25%C%0.45%）國內(nèi)通常稱為35號鋼、45號鋼，國外基本稱為1035，CH38F，1039,40ACR等。主要用于8級螺母、8.8級螺栓及8.8級內(nèi)六角產(chǎn)品。3.3高碳鋼（C%0.45%）目前市場上基本沒使用。4. 合金鋼 在普碳鋼中加入合金元素，增加鋼材的一些特殊性能：如35、40鉻鉬、SCM435，10B38。芳生螺絲主要使用SCM435鉻鉬合金鋼，主要成分有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo。3.2不銹鋼性能等級：45，50，60，70，80。主要分奧氏體（18%Cr、8%Ni）不銹鋼、馬氏體（13%Cr）不銹鋼和鐵素體（18%Cr）不銹鋼。奧氏體不銹鋼

14、耐熱性好，耐腐蝕性好，可焊性好。馬氏體不銹鋼耐腐蝕性較差，強度高，耐磨性好。鐵素體不銹鋼鐓鍛性較好，耐腐蝕性強于馬氏體。目前市場上進口材料主要是日本產(chǎn)品，按級別主要分SUS302、SUS304、SUS316。3.3銅 常用材料為黃銅、鋅銅合金。市場上主要用H62、H65、H68銅做標準件。 圖3.1為常用螺栓的材料。圖3.1 常用螺栓材料四.、產(chǎn)品和材料的選擇 因高強度汽車緊固件的種類繁多，產(chǎn)品等級也不同，平均一輛轎車的緊固件約2000個，對全部緊固件進行分析研究是不現(xiàn)實也不科學的。為實現(xiàn)對高強度汽車緊固件的熱處理技術(shù)研究，本文選一典型高強度汽車安全緊固件作為研究對象。4.1產(chǎn)品的選擇選取汽車

15、剎車系統(tǒng)上的卡鉗上高強度緊固件。具體使用部位如圖4.1所示，螺栓大致尺寸如圖4.2所示。 制動鉗體總成，是由一個具有活塞的鉗體、密封防塵、機加工的支架、帶有摩擦材料的剎車片和一個滑動懸掛系統(tǒng)。這系統(tǒng)使鉗體在制動過程中浮動并根據(jù)磨損狀況自我調(diào)整。在盤式制動器系統(tǒng)中，制動鉗總成是用來為制動盤提供制動力的。在總泵被增壓的制動液驅(qū)動鉗體的活塞。這個活塞推動帶有摩擦材料的剎車片，與緊固于車輪的制動盤接觸。這樣制動盤在摩擦力的作用下，逐漸減速，同時車速也減緩。制動力矩通過剎車片、制動鉗支架以及轉(zhuǎn)向節(jié)傳送到懸掛系統(tǒng)。 圖4.1 緊固件的使用部位 圖4.2 螺栓尺寸4.2.材料的選擇 4.2.1技術(shù)參數(shù)如下：

16、 性能等級：10.9 抗拉強度：>1000Mpa 屈 強 比：0.9硬 度 ：HRC3239表面處理：無鉻鋅鋁涂覆層鹽霧試驗時間：最小480h出現(xiàn)紅銹；顏色：銀色；不含鉻。 產(chǎn)品表面無白色的磷化集聚物。 淬火過程金相組織達到90%馬氏體組織轉(zhuǎn)變。 4.2.2備選材料： 備選材料力學性能：鋼號抗拉強度Mpa屈服強度Mpa退火硬度HB沖擊韌性J/cm2ML20MnTiB112893218769ML35CrMo98183422978ML40Cr98198120759SCM43598583522978SCM440108093021778 通過上述分析和對比，考慮到性能等級要求和安全件的特殊要求并

17、結(jié)合市場上釆購的資源，選擇SCM435鋼作為螺栓材料。五、制造工藝流程螺栓的制造工藝流程如下：熱軋盤條冷拔球化退火（預備熱處理）機械除磷酸洗冷拔冷鍛成型螺紋加工 上料除磷淬火淬火冷卻清洗高溫回火水冷烘干一噴油表面處理質(zhì)量檢查5.1預備熱處理 球化工藝：加熱到760保溫1.5h并隨爐冷卻到720保溫5h并隨爐冷卻到550以下出爐空冷，如圖5.1所示。圖5.1 球化退火工藝示意圖 球狀珠光體比片狀珠光體的強度、硬度低，塑性好。亞共析鋼為了改善冷鐓及冷擠壓性能往往采用球化退火處理使組織中珠光體球化。等溫球化退火工藝原理是將片層狀珠光體迅速加熱到鐵素體+奧氏體雙相區(qū)，使片狀滲碳體快速熔斷，然后快速冷卻

18、到 A1點以下保溫，使熔斷的滲碳體聚集呈球狀。為了在奧氏體中保持一定程度的不均勻性， 關(guān)鍵在于控制雙相區(qū)球化退火溫度及保溫時間，這是因為未溶解的碳化物顆粒能夠促進奧氏體向球化顯微組織的轉(zhuǎn)變。如果雙相區(qū)退火溫度過高或保溫時間過長，形成的碳化物就全部溶解于奧氏體，從而利于形成珠光體組織，而不是球化組織。相反，如果加熱溫度太低，則滲碳體溶解慢，甚至可能使珠光體中的部分片狀滲碳體被保留下來，使線材退火后硬度偏高。另外，等溫溫度及等溫時間也是影響球化效果的重要因素，等溫溫度偏高或等溫時間偏長，滲碳體顆粒會長大，過度長大或過小的滲碳體顆粒均不利于冷鐓變形。根據(jù)文獻2中的研究選擇如圖5.1所示的球化退火工藝

19、。5.2除磷工藝 目的：表面磷化膜對緊固件的熱處理是一大危害。如熱處理前不將磷化膜去除，熱處理時表層的磷化膜會燒結(jié)在表面，給后期表面處理帶來困難，甚至磷會滲入鋼表層組織中形成磷化聚集層。因白色磷化聚集層硬度極高，極容易產(chǎn)生微小的裂紋，簡稱“磷脆”。磷脆會嚴重影響到緊固件產(chǎn)品的疲勞壽命，故經(jīng)磷化的鋼材制的高強度緊固件在淬火前需除磷處理。 國家標準中規(guī)定：對12.9級螺栓表面不允許有金相能檢測出的磷化物聚集層，去除磷化物聚集層應在熱處理前進行。通用汽車標準規(guī)定：汽車髙強度螺栓表面不能有金相能檢測出的磷化物聚集層。所以熱處理前磷化層必須清除干凈。 網(wǎng)帶爐堿性除磷法方案： 該方案使用在熱處理連續(xù)式網(wǎng)帶

20、上，可以達到較好的清除效果，該方法的主要成份為片堿和脫脂劑，利用片堿可以與磷化物反應的特點來達到除磷的效果。利用鍍鋅中的堿性清洗法并防止有片堿進入到淬火爐影響網(wǎng)帶爐網(wǎng)帶的使用壽命。 設計工藝如下：除油清洗一清洗防銹劑 除油：主要目的為清除緊固件表面的油脂物質(zhì)。 清洗：片堿與緊固件表面的磷化膜反應來去除磷化膜。 清洗防銹劑：清洗緊固件表面的堿并加水性防銹劑，防止緊固件在進入淬火爐之前生銹。 各工序要求如圖5.2：圖5.2 各工序要求5.3淬火 5.3.1淬火加熱 保護氣氛的選擇和控制及碳勢的控制：連續(xù)式網(wǎng)帶爐在淬火過程中，其進料口為敞開式連續(xù)進料。所以在連續(xù)式網(wǎng)帶爐的淬火過程中必須有適當?shù)臍夥毡?/p>

21、護并保持爐內(nèi)為正壓狀態(tài)，以保證在淬火過程中因為氣氛的影響而產(chǎn)生滲碳和脫碳。采用吸熱式保護氣氛：1.甲苯+甲醇裂解氣+空氣的保護氣氛 2.氮氣（99.5%）+甲醇+丙烷（富化氣）裂解+空氣的保護氣氛（俗稱 氮-甲醇保護氣氛） 前者：甲苯和甲醇用量較大，成本高，有毒，故此處選用后者。 氮-甲醇氣氛是將氮氣和甲醇按一定比例（40%氮氣+60%甲醇）并與氮氣充分混合，最終分解后爐氣的基本組分為40%/40%/20%(N2/H2/CO)，以達到爐內(nèi)保護氣氛的目的。通入保護氣氛的目的主要是保持淬火爐內(nèi)的氣氛與緊固件的材料中的碳含量保持平衡狀態(tài)，氣氛過低會造成材料中的碳原子與氧氣反應而產(chǎn)生脫碳，氣氛過高會造

22、成原子進入材料中產(chǎn)生滲碳。所以保護氣氛的碳式主要是根據(jù)原材料中的含碳量來控制。SCM435材料的含碳量為0.330.38。根據(jù)上述標準要求其碳勢控制在0.350.40。 5.3.2淬火介質(zhì)的選擇 熱處理過程中常用的淬火介質(zhì)有淬火油和水基淬火介質(zhì)。淬火油主要分三大類：普通淬火油、快速淬火油、超速淬火油。水基淬火介質(zhì)主要分四大類：水、無機物的水溶液（無機淬火劑）、有機聚合物淬火劑（有機淬火劑）、無機物加有機聚合物的水溶液。而在緊固件行業(yè)中常用的淬火介質(zhì)有水、有機聚合物淬火劑、快速淬火油三種，這三種的冷卻速度依次降低，有機聚合物淬火劑淬火性能處于水與快速淬火油之間。有機聚合物淬火劑主要是通過與水配比

23、后的濃度來控制淬火性能，使用過程中成本較低但濃度的控制有較高的難度；快速淬火油直接使用不需配比操作簡單、控制容易，所以選擇快速淬火油。 5.3.3淬火溫度和時間的選擇 在淬火后回火前獲得的馬氏體組織不低于90%，根據(jù)上述標準中規(guī)定的含碳量與馬氏體最低淬火硬度的對照如圖5.3：圖5.3 不同C含量淬火后的硬度 SCM435材質(zhì)的含碳量在0.330.38因而我們在淬火后的芯部硬度應該在HRC47及以上。板條型馬氏體組織是奧氏體化組織迅速冷卻得到，所以在淬火加熱過程中需得到完全奧氏體化組織，為得到理想的奧氏體組織需設定合理的淬火溫度和淬火時間，溫度過低和時間過短都會造成奧氏體組織轉(zhuǎn)變不充分，溫度過高

24、和時間過長會造成奧氏體組織晶粒粗大化和零件的變形。所以需確定合理的淬火溫度和時間。SCM435材料為亞共析鋼，材料AC3值約800而理論奧氏體化溫度為AC3+(3050)。所以SCM435材料的奧氏體化溫度最低溫度為830。根據(jù)淬火保溫時間的經(jīng)驗公式：= a*K*D式中：為加熱時間，min； A為加熱系數(shù)，min/mm； K為裝爐量修正系數(shù) ； D為工件有效厚度，mm。 查表得a=1.21.5，K由裝爐量確定取3。D應該取工件在網(wǎng)帶上的厚度而非單個工件的直徑，該厚度在20mm，因而最小保溫時間min為：min=（1.21.5）×3*D=(1.21.5)×3×20=

25、7290 min。 根據(jù)要求和上述公式，淬火工藝設計如下： 淬火溫度：830850 淬火時間：7090min淬火硬度：HRC47淬火工藝示意圖見圖5.4： 圖5.4 淬火工藝示意圖 5.4清洗：用油淬火的零件在進入回火爐前必須清洗，除去表面油污。淬火油通常被認為是緩和污物，可使用中性清洗劑來祛除（一種ph7左右的的水多元醇基混合物）。 5.5回火溫度和時間的確定 回火溫度的確定：依據(jù)文獻選擇高溫回火溫度500540。 回火時間的確定： 回火過程為材料馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織的過程，是決定著產(chǎn)品的最終機械性能的過程。根據(jù)經(jīng)驗公式：h=(1.21.5)*min(min取30分鐘)h=（1.21.

26、5）*30=3645分鐘 根據(jù)網(wǎng)帶爐的保溫時間Th與淬火加熱均溫時間T3的經(jīng)驗公式：h=1/23 根據(jù)上述公式計算：3=2h=7290min 回火總時間：c=2+min=10813min 回火工藝設計如下： 回火溫度：500540oC 回火時間：110140 min冷卻方式：水冷回火工藝示意圖見圖5.5圖5.5 回火工藝示意圖 5.6表面處理：無鉻鋅鋁涂覆層：把鐵工件浸入熔融的鋅液，并在界面上形成鋅與鐵（體心）固溶體，然后鋅鐵原子相互擴散形成核心，起到防銹目的。 5.7防氫脆處理:氫脆：氫脆是溶于鋼中的氫聚合為氫分子，造成應力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋，又稱白點。處理措施方

27、法：表面處理后兩個小時內(nèi)必須經(jīng)過4小時的204.5±13.5的烘烤，防止氫脆。原理：氫脆是由于在金屬凝固的過程中，溶入其中的氫沒能及時釋放出來，向金屬中缺陷附近擴散，到室溫時原子氫在缺陷處結(jié)合成分子氫并不斷聚集，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，使金屬發(fā)生裂紋。將工件加熱至某一溫度，保溫一段時間，緩冷，使氫隨溶解度逐漸變小，逐漸析出。綜上所述，總結(jié)整個制造工藝見圖5.6。圖5.6 總體制造工藝示意圖6、 檢測6.1磷含量檢測依照探礦中查看礦石中是否含磷的檢測方法原理，釆用配制的鉬酸銨+硝酸溶液來檢測螺栓表面有沒有磷，以確定除磷效果，如產(chǎn)品表面還有殘留的磷和磷化物，通過滴定產(chǎn)品表面溶液會呈現(xiàn)出藍色，產(chǎn)品表面無殘留的磷和磷化物，通過滴定產(chǎn)品表面溶液會呈現(xiàn)出原液的顏色。檢測方法如下： 配制適當比例的銷酸銨確酸溶液做為滴定溶液（微黃色） 取待檢測樣品（從網(wǎng)帶爐淬火進口出直接取樣）