紧固件工艺研究

紧固件工艺研究

摘要：介绍汽车紧固件热处理装备的发展过程及常用装备的优缺点,针对高强度紧固件的要求,指出热处理装备存在的问题是不能测定淬火介质冷却性能,碳势控制不稳定,炉温校验周期过长等。说明汽车紧固件热处理工艺的制定原则,指出热处理装备水平、原材料、炉温、炉内气氛、淬火介质是制定汽车紧固件热处理工艺的关键因素;原材料的化学成分是确定淬火温度的主要因素。随着强度的提高,在热处理过程中要进行驱氢处理,并对高强度紧固件的心部铁素体含量进行测定;汽车紧固件生产企业要注重热处理装备的更新、免退火冷镦钢和非调质钢的使用及热处理工艺制度的完善。

关键词 汽车紧固件;高强度紧固件;热处理;调质处理;驱氢;冷镦

目录

1 影响汽车紧固件热处理的因素 ................................................................................................... 3

1. 1 热处理装备 ....................................................................................................................... 3 1. 2 原材料 ............................................................................................................................... 3 2 热处理工艺的控制 ....................................................................................................................... 3

2. 1 热处理工艺制定原则 ....................................................................................................... 3 2. 2 增加驱氢处理 ................................................................................................................... 3 2. 3 加强紧固件心部组织的测定 ........................................................................................... 3 3 热处理工艺技术的关注点 ........................................................................................................... 4

3. 1 使用免退火冷镦钢和非调质钢 ....................................................................................... 4 3. 2 完善热处理工艺技术文件 ............................................................................................... 4 3. 3 研制新的热处理装备 ....................................................................................................... 4 4 结语 .............................................................................................................................................. 4 参考文献........................................................................................................................................... 4

随着汽车工业的发展,对汽车紧固件的要求也越来越高。我国汽车高强度紧固件的主要品种是螺栓,有8. 8, 9. 8, 10. 9和12. 9级4个强度等级,这些强度级别的紧固件都要进行热处理,才能提高产品的综合力学性能,达到规定的抗拉强度和屈强比,热处理工艺技术是生产汽车紧固件的关键。

1 影响汽车紧固件热处理的因素

汽车紧固件热处理一般称为调质(淬火后再经高温回火)处理,调质对原材料、炉温、炉内气氛、淬火介质、热处理质量检测等都有严格要求,只有满足了基本要求,才能减少由材料引起的偏析、退火无保护气氛引起的脱碳、冷镦过程产生的裂纹、淬火介质引起的淬火开裂和畸变。 1. 1 热处理装备

20世纪80年代末,我国汽车紧固件的高强度螺栓热处理大部分采用盐浴炉淬火,盐浴炉内胆有限,每次只能装30~50 kg。进入20世纪90年代,由于汽车工业的快速发展,汽车高强度紧固件急需国产化。热处理装备已由盐浴炉、滴注式滚筒电阻炉、放热式震底炉发展为吸热式或N2CH3OH裂解气氛的铸链炉。由于网带寿命的大幅度提高,辐射管加热的连续式网带炉用量最大,同时,网带炉具有炉内布料、加热均匀,零件质量稳定、工作环境好、可减少零件磕碰、用气量较少、能耗小等优点。 1. 2 原材料

汽车高强度紧固件用冷镦钢线材品种有碳素钢和合金钢。除了高强度大六角头螺栓,根据GB/T1231要求,对M30以下规格所用材料作了规定外,其他螺栓无论是国标还是国际标准均没有明确规定应采用的材质,只是指导性地指出需要添加的合金元素。事实上,原材料选用是很重要的一个环节。 2 热处理工艺的控制 2. 1 热处理工艺制定原则

汽车高强度紧固件要获得具有良好力学性能的回火索氏体、回火托氏体组织,前提是淬火时要保证心部得到马氏体组织,这与钢的淬透性有密切关系。不论是碳素钢还是合金钢,在完全淬透的情况下,紧固件经高温回火得到相同硬度的成品时,它们的力学性能如强度、塑性和韧性等都差不多。也就是说, 45钢和40Cr钢都完全淬透并回火至同一硬度时,它们的强度、塑性和韧性等大致相同,但是如果不完全淬透,即使回火后的硬度与淬透后回火的相同,其屈服强度、断后伸长率、断面收缩率和冲击强度等都要低些,其降低程度随淬透程度的减少而 增大。

2. 2 增加驱氢处理

汽车的节能化、轻量化发展,对发动机和动力系统的设计提出了更高的要求,它不单单是所用的紧固件螺栓、螺母本身的减重, 8. 8级及以上紧固件高强化也起着十分重要的作用,但是随着强度的提高,由氢脆引发的断裂就成为一个十分突出的问题,在热处理过程中要进行驱氢处理。研究表明,实际使用的紧固件在自然环境下发生氢脆断裂主要是淬火回火的马氏体钢,发生在屈服强度>620MPa,硬度HRC值>31的高强度材料中。抗拉强度越高,对氢脆越敏感,材料越容易吸氢,而驱氢越不容易。一般认为,当强度达到1 050MPa以上才会发生氢脆断裂。GB/T 5267. 1规定,当心部或表面硬度的HV值>320时,应通过试验对氢脆进行检验,并进行驱氢处理,就是说,性能等级10. 9级及以上的电镀螺栓,都应该采用低氢工艺并进行驱氢。从国外资料看,汽车紧固件发生氢脆断裂的强度阈值可能会下降到1 000MPa。金相组织对碳素钢、合金钢的氢敏感性影响很明显。回火马氏体、上贝氏体(粗),下贝氏体(细)、索氏体、珠光体、奥氏体对氢的敏感性依次降低。回火马氏体对氢脆的敏感性最强,因此在热处理时可通过调整热处理工艺,减少回火马氏体组织的生成。 2. 3 加强紧固件心部组织的测定

汽车紧固件在进行热处理的过程中,由于淬火加热温度、材料的淬透性、淬火冷却速度等因

素的影响,会在紧固件中心部位产生铁素体组织。过多的铁素体组织会降低螺栓的硬度和强度,影响紧固件的使用。8. 8级高强度螺栓一般采用SWRCH35K,ML35, 35钢制造,螺栓在调质后,心部的显微组织中或多或少有一些铁素体。在实际生产中,对于心部有大量铁素体的螺栓,当心部硬度低于产品要求时,往往采用提高抗拉强度来控制产品质量。螺栓在淬火不足时,有的企业通过降低回火温度来保证抗拉强度,给螺栓的质量留下了隐患。为了控制汽车螺栓的热处理质量,对螺栓的心部铁素体含量进行测定是十分必要的。 3 热处理工艺技术的关注点

汽车紧固件的快速发展,给生产企业带来了挑战和机遇。与世界先进水平相比,我国紧固件的热处理工艺技术总体水平仍然落后,差距在加大,尤其在环保、能耗、品质等诸多方面形势严峻,因此,提高汽车紧固件工艺技术水平十分必要,笔者认为应在以下几个方面多加关注。 3. 1 使用免退火冷镦钢和非调质钢

采用免退火冷镦钢和非调质钢制造汽车紧固件是近几年研究的新课题。汽车紧固件为了保证冷成型性能,冷镦钢需要预先进行球化退火。免退火冷镦钢通过对钢的化学成分进行调整,轧制过程中控制轧制和冷却,使珠光体部分球化,减小冷成型过程中的变形抗力,可以直接用于冷镦成型。如马钢生产的SWRCH35K钢由于免去球化退火,既有显著节能效果,又缩短了生产周期,是节能型新材料。紧固件用非调质钢主要是冷作硬化型非调质钢,钢中加入了微量强碳(氮)化物形成元素(V,Nb,Ti),在拉拔和冷镦过程中其强韧性能可达到或接近8. 8, 9. 8级水平。GB/T3098. 22)20095紧固件机械性能细晶非调质钢螺栓、螺钉和螺柱6已发布,给非调质钢紧固件的推广和使用提供了有力的技术支持。宝钢生产的FM08MnS,i FM08MnSiV和马钢生产的MFT08钢,省去了冷拔前的球化退火和成形后的淬火回火处理,减少螺纹部分的脱碳倾向,提高成品率,经济效益明显。 3. 2 完善热处理工艺技术文件

热处理过程是一个无法通过后续检验和试验来保证产品质量的特殊过程,因此,对于它的控制必须有合理的制度来实现。首先,对可能造成过程失效的因素加以甄别,做好热处理工艺技术的制定工作;其次,建立完善的热处理工艺管理制度,工艺文件明确清晰地标注出热处理过程的操作方法、工艺参数及检验的方法,同时应特别强调装炉方法和装炉量,解决操作的可行性和方法的正确性,对原材料材质和待处理紧固件的加热前工艺状况进行检验,保证工艺参数的合理性和处理的有效性;再者,利用统计技术对热处理过程进行分析,计算和测定热处理参数,根据过程质量的变化情况寻找热处理参数对产品质量的影响规律,然后运用热处理专业知识对热处理技术进行不断改进,保证产品质量一次交检合格率最大化。 3. 3 研制新的热处理装备

研发新型热处理装备,进一步改善炉温和碳势控制技术并提高炉气均匀性,减少淬火畸变量及淬火时工件的磕碰,提高淬火冷却槽的冷却效果和冷却均匀性,注意配套的前后清洗、油水分离、废热利用、节能减排等技术,在不影响产品品质的前提下,降低热处理生产成本。 4 结语

汽车紧固件生产企业要注重热处理装备的更新,选用合适的原材料,在生产中不断完善热处理工艺制度,加强驱氢处理和心部组织检测,尽快减小汽车高强度紧固件与世界级产品的差距,提高我国汽车紧固件的档次。

参考文献

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