汽車緊固件熱處理工藝技術及其發(fā)展

1、本文由坐北面南貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 第 36 卷 V o l 36 第 2期 No 2 金 屬 制 品 M eta l P roduc ts 2010 年 4 月 A pr il 2010 do:i 10 3969/ .j issn. 1003- 4226. 2010. 02. 002 . 汽車緊固件熱處理工藝技術及其發(fā)展 張先鳴 (上海申光高強度螺栓有限 公司, 摘 要 上海 201309 介紹汽車緊固 件熱處理裝備的發(fā)展過程及常用 裝備的優(yōu) 缺點, 針對 高強度緊 固件的 要求, 指出熱 處理裝 備存在的問題是不能測定淬

2、火介 質(zhì)冷卻性能, 碳勢控 制不穩(wěn) 定, 爐溫校 驗周期過 長等。說 明汽車緊 固件熱 處理工 藝的制定原則, 指出熱處理裝備水平、 原材 料、 爐溫、 爐內(nèi) 氣氛、 火介質(zhì) 是制 定汽車 緊固 件熱 處理工 藝的 關鍵因 淬 素; 原材料的化學成分是確定淬火溫度的主要因素。隨著強度的提高, 在熱處理過程 中要進行驅(qū) 氫處理, 并對高強 度緊固件的心部鐵素體 含量進行測定; 汽車緊固件生產(chǎn) 企業(yè)要 注重熱 處理裝 備的更新、 退火冷鐓 鋼和非 調(diào)質(zhì)鋼 免 的使用及熱處理工藝制 度的完善。 關鍵詞 汽車緊固件; 高強度緊固件; 熱處理; 調(diào)質(zhì)處理; 驅(qū)氫; 冷鐓 TG 162 7 . 中圖分類號

3、 H eat treat ent technology of car fastener and its developm en t m ZHANG X i n m ing a ( Shanghai Shenguang H igh S trength Bolts Co. , L td. , Shanghai 201309, China Abstrac t T o introduce the deve lopm ent course of car fastener hea t treat ent apparatus and the advantages and d isadvanta m ges

4、of co mmon apparatus, a i ing at the de ands o f high streng th fastener m m , it is po inted out that the prob lems ex isting in heat treat ent apparatus are no t ab le to de ter ine coo ling property of quench m edium, unstable ca rbon potentia l control and m m over long furnace temperature check

5、 ing per iod The Fo r la ting princ ip les o f ca r fastener heat trea t ent process are ex . mu m p la ined. It is pointed out that the key factors to fo r late car fastener heat treatm ent process are heat treatm ent appara tus mu leve, ra m a terials furnace te l w , mperature atmo sphere in furn

6、ace and quench m edium. T he che ical compositions o f raw , m m ater ia ls are m a in factors fo r ensuring quench te pe rature E li ina ting hydrogen trea t ent needs to be done in hea t treat m . m m m ent w ith streng th increas ing and the ferr ite conten ts in core of h igh streng th fastener

7、needs to be de ter ined. T he car fas , m tener production enterpr ises should pay attention to rene ing o f heat treatm ent apparatus, the use of w ithout anneal cold w head ing steel and ho t ro lled h igh strength stee, perfection o f heat treatment pro cess l . K eywords ing car fastener h igh s

8、treng th fastene r heat treatment harden ing and tempering e li ina te hydrogen; cold head ; ; ; ; m 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展, 對汽車緊固件的要求也 越來越高。我國汽車高強度緊固件的主要品種是螺 栓, 有 8. 8 9 8 10 9和 12 9級 4 個強度等級, 這些 , . , . . 強度級別的緊固件都要進行熱處理, 才能提高產(chǎn)品 的綜合力學性能, 達到規(guī)定的抗拉強度和屈強比, 熱 處理工藝技術是生產(chǎn)汽車緊固件的關鍵。 1 影響汽車緊固件熱處理的因素 汽車緊固件熱處理一般稱為調(diào)質(zhì) ( 淬火后再

9、經(jīng) 高溫回火 處理, 調(diào)質(zhì)對原材料、 爐溫、 爐內(nèi)氣氛、 淬 火介質(zhì)、 熱處理質(zhì)量檢測等都有嚴格要求, 只有滿足 了基本要求, 才能減少由材料引起的偏析、 退火無保 護氣氛引起的脫碳、 冷鐓過程產(chǎn)生的裂紋、 淬火介質(zhì) 引起的淬火開裂和畸變 1 1 熱處理裝備 . 20世紀 80年代末, 我國汽車緊固件的高強度 螺栓熱處理大部分采用鹽浴爐淬火, 鹽浴爐內(nèi)膽有 限, 每次只能裝 30 50 kg 。由于鹽浴爐熱處理工作 環(huán)境差, 淬回火工序距離近, 易造成混裝現(xiàn)象, 客戶 在使用時發(fā)生脆斷或者根本無法使用。由于熱處理 裝備太落后, 一些汽車緊固件企業(yè)只能配套生產(chǎn) 8 8 . 級及以下強度等級的螺栓

10、。 1 。 第 2期 張先鳴: 汽車緊固 件熱處理工藝技術及其發(fā)展 7? 進入 20世紀 90年代, 由于汽車工業(yè)的快速發(fā) 展, 汽車高強度緊固件急需國產(chǎn)化。熱處理裝備已 由鹽浴爐、 滴注式滾筒電阻爐、 放熱式震底爐發(fā)展為 吸熱式或 N2 CH 3 OH 裂解氣氛的鑄鏈爐。由于網(wǎng)帶 壽命的大幅度提高, 輻射管加熱的連續(xù)式網(wǎng)帶爐用 量最大, 同時, 網(wǎng)帶爐具有爐內(nèi)布料、 加熱均勻, 零件 質(zhì)量穩(wěn)定、 工作環(huán)境好、 可減少零件磕碰、 用氣量較 少、 能耗小等優(yōu)點。 根據(jù)工藝的要求, 有些企業(yè)在連續(xù)式網(wǎng)帶爐生 產(chǎn)線的前清洗設備上增加去磷功能, 在加熱前除去 緊固件表面的磷化層; 對于大規(guī)格高強度螺栓

11、, 為防 止淬火時的磕碰和淬火畸 變, 選用 Un icase系列箱 形多用爐處理; 為降低成本, 有的企業(yè)連續(xù)式網(wǎng)帶爐 加熱區(qū)采用燃氣加熱, 保溫區(qū)采用電加熱, 發(fā)揮燃氣 加熱和電加熱的優(yōu)勢, 且因地制宜選擇爐用載氣和 滲碳劑種類, 達到節(jié)能減排的目的。 連續(xù)式網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線的熱處理工藝: 上料 洗 加熱 淬火 清洗 回火 著色 清 下線, 可實 不論是碳素鋼還是合金鋼, 在完全淬透的情況 下, 緊固件經(jīng)高溫回火得到相同硬度的成品時, 它們 的力學性能如強度、 塑性和韌性等都差不多。也就 是說, 45鋼和 40Cr鋼都完全淬透并回火至同一硬 度時, 它們的強度、 塑性和韌性等大致相同, 但是如

12、 果不完全淬透, 即使回火后的硬度與淬透后回火的 相同, 其屈服強度、 斷后伸長率、 斷面收縮率和沖擊 強度等都要低些, 其 降低程度隨淬透程度的減少而 3 增大 。 同一材質(zhì)的產(chǎn)品, 當截面大小不同時, 淬透性也 不同, 雖然采用同一調(diào)質(zhì)工藝, 其力學性能卻不盡相 同。截面越大, 淬透性也越差, 力學性能也越差。同 時, 同樣材質(zhì)的原料, 其化學成分允許在一定范圍內(nèi) 波動, 尤其是碳素鋼會因為各鋼廠在冶煉技術、 標準 上有所區(qū)別而不同, 采用相同工藝生產(chǎn)的成品必然 存在性能差異。 淬火加熱溫度主要根據(jù)鋼的化學成分, 結合具 體工藝確定。鋼的化學成分是確定淬火溫度的主要 因素, 根據(jù)淬火介質(zhì)的

13、不同, 采用的淬火加熱溫度也 不同。亞共析鋼淬火溫度選擇在 A c3以上; 碳素鋼在 A c3以上 30 50 ! ; 合金鋼在 A c3以上 50 80 ! 。對 心部淬硬的緊固件來說, 由于組織應力和熱應力的 綜合作用, 產(chǎn)生的最大拉應力將處于零件表面附近, 可能引起淬裂, 這個淬裂危險尺寸與所用淬火介質(zhì) 有關, 對于螺栓, 水淬時的直徑為 8 10 mm, 油淬時 的直徑為 20 39 mm 。處于危險尺寸的螺栓淬火 時, 必須采取適當?shù)拇胧┓乐勾懔选?淬火時加熱溫度、 加熱時間必須適當, 要保證淬 火后體積分數(shù)至少 90 的組織為馬氏體, 要有預熱 % 措施, 可采取 A c3以下 1

14、00 ! 的溫度預熱, 使淬火后 組織均勻, 馬氏體轉變充分, 心部較少游離鐵素體或 粒狀碳化物。 為了把緊固件強度和保證載 荷控制在合格范 圍, 回火時應注意原料材質(zhì)、 爐型、 鐓制工藝 ( 冷鐓 與溫鍛 、 螺紋長度 (全牙與半牙 、 介質(zhì) ( 水淬與油 淬 的區(qū)別。硬度和強度要求一般可在高溫區(qū)間通 過回火溫度來調(diào)整。在提高硬度下限值基礎上, 回 火溫度應選用較高值, 從而徹底消除應力。有些合 金材料含第 2類回火脆性敏感的元素較多, 回火后 必須采取適當?shù)睦鋮s方法, 避免在高溫區(qū)域停留較 長時間, 產(chǎn)生第 2類回火脆性。 2 2 增加驅(qū)氫處理 . 汽車的節(jié)能化、 輕量化發(fā)展, 對發(fā)動機和

15、動力系 統(tǒng)的設計提出了更高的要求, 它不單單是所用的緊 3 現(xiàn)碳勢控制, 自動運行。在滲碳工藝中, 可采用氧探 頭分區(qū)碳勢控制技術, 對淺滲層質(zhì)量進一步優(yōu)化, 使 產(chǎn)品質(zhì)量實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍 2 。 熱處理裝備存在的問題是淬火介質(zhì)缺乏冷卻性 能測定、 碳勢控制不穩(wěn)定、 爐溫校驗周期過長等。 1 2 原材料 . 汽車高強度緊固件用冷鐓鋼線材品種有碳素鋼 和合金鋼。除了高強 度大六角頭螺 栓, 根據(jù) GB /T 1231要求, 對 M 30以下規(guī)格所用材料作了規(guī)定外, 其他螺栓無論是國標還是國際標準均沒有明確規(guī)定 應采用的材質(zhì), 只是指導性地指出需要添加的合金 元素。 事實上, 原 材料選用是很 重要

16、的一個 環(huán)節(jié) 2 。 例如某螺栓廠在承接美國 PAC Car的項 目生產(chǎn)美標 1 - 14的 8級 ( 相當于國標 10. 9 級 螺栓時, 采用 40C r鋼作原料, 該產(chǎn)品用于載 重卡車制動器, 對連 接件的要求很高。第 1次送檢時成品保載試驗不合 格, 第 2次送檢時楔負載試驗不合格。分析材料性 能后, 很難達到各項指標要求, 改用 42C r oA 鋼生 M 產(chǎn)后, 加強工藝控制, 生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。 2 熱處理工藝的控制 2 1 熱處理工藝制定原則 . 汽車高強度緊固件要獲得具有良好力學性能的 回火索氏體、 回火托氏體組織, 前提是淬火時要保證 心部得到馬氏體組織, 這與鋼的淬透性有密

17、切關系。 8? 金 屬 制 品 第 36卷 固件螺栓、螺母本身的減重, 8 8級及以上緊固件 . 高強化也起著十分重要的作用, 但是隨著強度的提 高, 由氫脆引發(fā)的斷裂就成為一個十分突出的問題, 在熱處理過程中要進行驅(qū)氫處理。 研究表明, 實際使用的緊固件在自然環(huán)境下發(fā) 生氫脆斷裂主要是淬火回火的馬氏體鋼, 發(fā)生在屈 服強度 620M P a, 硬度 HRC值 31的高強度材料 中。抗 拉強度越高, 對氫脆越 敏感, 材料越容易吸 4 氫, 而驅(qū)氫越不容易 。 一般認為, 當強度 達到 1 050 MP a 以上才會發(fā) 生氫脆斷裂。 GB /T 5267 1 規(guī)定, 當心部或表面硬 . 度的

18、HV 值 320時, 應通過試驗對氫脆進行檢驗, 并進行驅(qū)氫處理, 就是說, 性能等級 10 9級及以上 . 的電鍍螺栓, 都應該采用低氫工藝并進行驅(qū)氫。從 國外資料看, 汽車緊固件發(fā)生氫脆斷裂的強度閾值 可能會下降到 1 000MP a 。 金相組織對碳素鋼、 合金鋼的氫敏感性影響很 明顯?；鼗瘃R氏體、 上貝氏體 ( 粗 , 下貝氏體 ( 細 、 索氏體、 珠光體、 奧氏體對氫的敏感性依次降低?；?火馬氏體對氫脆的敏感性最強, 因此在熱處理時可 通過調(diào)整熱處理工藝, 減少回火馬氏體組織的生成。 比如采用等溫淬火就會使發(fā)生氫脆斷裂的閾值提高 100MP a 左右, 這是因為等溫淬火生成的下貝氏

19、體 組織對氫脆的敏感性比回火馬氏體低。 汽車緊固 件調(diào) 質(zhì)熱 處理是 在高 溫下 進行 的, 為了減少熱處理 過程 中材料 表面的 氧化, 常 常在 加熱爐中加入保護氣氛。如果保護 氣氛中含有氫 化物, 就有可能在熱處 理過程中吸氫, 增加緊固件 氫脆風險。 另外, 熱處理工藝與電鍍后的驅(qū)氫效果密切相 關, 淬火 形成的 殘余 應力 對氫 脆影響 明顯。殘余 ( 拉 應 力消除得 越充分, 電鍍后 驅(qū)氫的效 果就越 好, 氫脆斷裂的閾值也就越高, 這種情況在高強度螺 栓的生產(chǎn)中表現(xiàn)的最明顯。 IS0 9581把消除殘余應 力作為減小氫脆風險的重要措施之一。 為防止產(chǎn)生氫脆, 1 000 1 3

20、00 MP a高強度緊 固件必須在電鍍后驅(qū)氫。驅(qū)氫時將電鍍后的緊固件 加熱到一定溫度并保持 一段時間, 使材料中的氫聚 集形成氫分子而逸出。驅(qū) 氫不徹底主要 有 2個原 因, 一是沒有及時驅(qū)氫, 二是驅(qū)氫時間過短。 2 3 加強緊固件心部組織的測定 . 汽車緊固件在進行熱處理的過程中, 由于淬火 加熱溫度、 材料的淬透性、 淬火冷卻速度等因素的影 響, 會在緊固件中心部位產(chǎn)生鐵素體組織。過多的 鐵素體組織會降低螺栓的硬度和強度, 影響緊固件 的使用。 8 8級高強度螺栓一般采用 S . WRCH 35K, ML 35 35 鋼制造, 螺栓在調(diào)質(zhì)后, 心部的 顯微組織 , 中或多或少有一些鐵素體

21、。在實際生產(chǎn)中, 對于心 部有大量鐵素體的螺栓, 當心部硬度低于產(chǎn)品要求 時, 往往采用提高抗拉強度來控制產(chǎn)品質(zhì)量。螺栓 在淬火不足時, 有的企業(yè)通過降低回火溫度來保證 抗拉強度, 給螺栓的質(zhì)量留下了隱患。 為了控制汽車螺栓的熱處理質(zhì)量, 對螺栓的心 部鐵素體含量進行測定是十分必要的。汽車緊固件 如 8 8級螺栓, 分別檢查在淬火后和回火后的頭部 . 或尾部的硬度, 對螺栓的心部鐵素體一直未作要求, 致使螺栓在裝配時被拉長或拉斷。某發(fā)動機漲緊輪 的緊固螺栓, 材料為 ML35 強度等級 8 8 在裝配時 , . , 常常被拉長, 對失效的螺栓分析發(fā)現(xiàn), 螺栓心部含有 大量的鐵素體。對此類有較

22、高裝配扭矩要 求的螺 栓, 在熱處理過程中, 不僅控制淬火和回火的硬度, 同時將其心部鐵素體控制在 3級以內(nèi), 杜絕了在裝 配時被拉長或拉斷。 保證載荷試驗方法是將螺栓在萬能試驗機上做 拉力試驗, 施加標準中規(guī)定的保證載荷并持續(xù) 15 s , 測量螺栓施加保證載荷后引起的絕對伸長量。在美 國 SAE J 429中, 明確規(guī)定 8級 ( 相當 于國標 10 9 . 級 以上, 在汽車行業(yè)使用的高強 度螺栓必須進行 保載試驗, 絕對伸長量控制在 12 7 m 以內(nèi)。由于 . 絕對伸長量很細微, 表面細微的毛刺、 尖粒均會對測 量值有影響, 況且安裝夾具也會帶來一定的測量偏 差。 SAE J 429

23、明確規(guī)定, 第 1 次誤差超標, 還可以 進行第 2次測試。如果第 2 次結果不合格, 可以判 斷螺栓不符合要求; 如果第 2次結果合格, 可以判斷 螺栓符合標準要求。 調(diào)質(zhì)緊 固 件 心 部 組 織 的 測定, 可 參 考 GB /T 13320# 2007?鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方 法 %。檢驗 結 果表 明, 對 于 S WRCH 35K 鋼 制造 的 8 8 . 級螺栓, 心部鐵素體組織的 體積分數(shù)應在 12 % 以內(nèi), 硬度 HRC 值最低為 27 對于 SCM 435鋼制造 ; 的 10 9級螺栓, 心部鐵素體組織的體積分數(shù)應控制 . 在 5 以內(nèi), 硬度 HRC 值最低為

24、 34. 5 % 。中碳合金鋼 主要用來制造 9. 8 10 9 12 9級高強度螺栓, 對于 , . , . 螺栓淬火后心部鐵素體的測定: 對無疲勞壽命要求 的 9 8 10 9級的發(fā)動機支架緊固螺栓, 心部鐵素體 . , . 1 3級合格; 對有摩擦因數(shù)要求的 9 8 10. 9級發(fā) . , 動機連桿螺栓, 心部鐵素體 1 2級合格, 對于 12 9 . 級螺栓, 心部鐵素體 1級合格。 第 2期 張先鳴: 汽車緊固 件熱處理工藝技術及其發(fā)展 9? 3 熱處理工藝技術的關注點 汽車緊固件的快速發(fā)展, 給生產(chǎn)企業(yè)帶來了挑 戰(zhàn)和機遇。與世界先進水平相比, 我國緊固件的熱 處理工藝技術總體水平仍然落后, 差距在加大, 尤其 在環(huán)保、 能耗、 品質(zhì)等諸多方面形勢嚴峻, 因此, 提高 汽車緊固件工藝技術水平十分必要, 筆者認為應在 以下幾個方面多加關注。 3 1 使用免退火冷鐓鋼和非調(diào)質(zhì)鋼 . 采用免退火冷鐓鋼和非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車緊固件 是近幾年研究的新課題。 汽車緊固件為了保證冷成型性能, 冷鐓鋼需要 預先進行球化退火。免退火冷鐓鋼通過對鋼的化學 成分進行調(diào)整, 軋制過程中控制軋制和冷卻, 使珠光 體部分球化, 減小冷成型過程中的變形抗力, 可以直 接用于冷