螺栓的热处理设计论文

螺栓的热处理工艺设计（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150000）摘要：本文简要介绍了螺栓的定义、分类、服役条件、失效形式以及常用材料，针对一种用于汽车上的高强度螺栓，通过对其性能要求的分析，选择SCM435钢制造该螺栓。

查阅热处理手册等设计出SCM435钢螺栓的热处理工艺，包括球化退火、淬火、高温回火。

重点分析了螺栓的磷脆与氢脆现象，并给出了相应的检测手段与处理方法。

简要介绍了螺栓的质量检测方法。

关键词：螺栓；热处理；SCM435钢；除磷；氢脆一、概述1.1.定义螺栓，是由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件。

这种连接形式称螺栓连接。

如把螺母从螺栓上旋下，又可以使这两个零件分开，故螺栓连接是属于可拆卸连接。

螺栓的原理是利用物体的斜面圆形旋转和摩擦力的物理学和数学原理，循序渐进地紧固器物机件的工具。

螺栓在日常生活当中和工业生产制造当中，是少不了的，螺栓也被称为“工业之米”。

可见螺栓的运用之广泛。

螺栓的运用范围有：电子产品、机械产品、数码产品、电力设备、机电机械产品、船舶、车辆、水利工程、化学实验等。

1.2.螺栓的分类1.2.1六角螺栓六角螺栓是应用最广的一类螺栓。

其A级和B级螺栓用于重要的、装配精度要求高，以及承受较大冲击、振动或交变载荷的场合。

其C级螺栓用于表面比较粗糙、装配精度要求不高的场合。

螺栓上的螺纹，一般均为普通螺纹。

普通螺纹螺栓自锁性较好，主要用于薄壁零件上或承受冲击、振动或交变载荷的场合。

一般螺栓上都是制成部分螺纹，全螺纹螺栓主要用于公称长度较短的螺栓以及要求较长螺纹的场合。

1.2.2六角法兰螺栓六角法兰面螺栓的头部由六角头和法兰面两部分组成，其“支撑面积与应力面积字比值”要大于普通六角头螺栓，故这种螺栓能承受更高的预紧力，防松性能也较好，因而被广泛用于汽车发动机、重型机械等产品上。

1.2.3六角头头部带孔、带槽螺栓使用时，可通过机械方法将螺栓锁合，防松可靠。

1.2.4六角头螺杆带孔螺栓螺杆上制出开口销孔过金属丝孔，采用机械放松，防松可靠。

1.2.5六角头铰制孔螺栓带铰制孔螺栓能精确的固定被链接零件的相互位置，并能承受有横向里产生的剪切和挤压。

1.2.6十字槽凹突六角头螺栓安装拧紧方便，主要用于受载较小的轻工、仪器仪表。

1.2.7方头螺栓方头尺寸较大，受力表面也较大，便于扳手卡住其头部，或依靠其他零件起止转作用。

也可用于带T型槽的零件中，以便调整螺栓位置。

C级方头螺栓常用于比较粗糙的结构上。

1.2.8沉头螺栓方颈或榫有止转作用，多用于被连接零件表面要求平坦或光滑的场合。

1.2.9 T型槽螺栓T型槽螺栓适用于螺栓只能从被联接零件一边进行联接的场合。

将螺栓从T型槽中插入后再转动90度，即可使螺栓不能脱出，也可用于结构要求紧凑的场合。

1.2.10地脚螺栓专供预埋混泥土基础中，供固定机器、设备的底座用。

1.2.11活节螺栓多用于需经常拆开联接的地方和工装上刚网架螺栓球节点用高强度螺栓，强度高，主要用于公路与铁路桥梁、工业与民用建筑、塔架、起重机。

1.3.螺栓性能等级钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。

螺栓性能等级的含义是国际通用的标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选用性能等级即可。

一般的螺栓是用"X.Y"表示强度的，X*100 = 此螺栓的抗拉强度，X*100*（Y/10）= 此螺栓的屈服强度（因为按标识规定：屈服强度/抗拉强度=Y/10），如 4.8级，则此螺栓的抗拉强度为：400MPa，屈服强度为：400*8/10=320MPa。

二、服役条件与失效形式2.1螺栓使用中的服役条件2.1.1环境螺栓一般在大气下使用，对在潮湿大气或腐蚀气氛或严寒地区的环境下工作的螺栓，还要求螺栓材料具有低的延迟断裂，敏感性和低的韧-脆转化温度。

2.1.2受力条件螺纹上的载荷分布：螺栓联接是利用螺纹之间的摩擦力而构成的一种可拆联接，由于其结构简单，连接可靠，因而在工程中广泛应用。

其缺点是螺纹零件有应力集中，在交变载荷的作用下易产生疲劳裂纹。

由统计资料可知，其损坏部位为从螺母支撑面算起第一和第二圈螺纹处约占65%，光杆与螺纹部分交接处约占20%，螺栓头与杆接交处约占15%。

上述部位均为截面剧烈变化、有应力集中之处，见图2.1。

图2.1 交变载荷受拉螺栓损坏之处普通螺母柔性差，与螺栓联接处各圈螺纹上的载荷分布很不均匀，应力集中严重，见图2.2，由于图2.2（a）所示的受压螺母，载荷按双曲余弦的规律分布，容易导致最后几圈螺纹失效。

图2.2螺纹上的载荷分布2.2螺栓的主要失效方式高强度螺栓广泛的应用在各种重要设备的紧固连接中，所以常常影响到工程构件的安全性和可靠性。

飞行器、桥梁和许多重要机械中，高强度螺栓的失效将会造成重大的经济损失甚至人身伤亡事故，例如：核反应堆中连接件的破坏危害是巨大的；螺纹连接紧固件是发动机重要的破坏源，也是限制发动机功率与安全的关键之一。

2.2.1 疲劳失效疲劳失效是高强度螺栓的主要失效形式之一。

虽然高强度螺栓具有耐疲劳的特点，但这是相对普通螺栓和铆钉连接而言的。

在实际工程中，高强度螺栓在很高的预紧力的基础上，还要承受外界各种反复的作用，如拉压应力、弯曲应力、剪切应力、冲击载荷、或者同时承受上述几种反复载荷。

在复杂交变载荷的作用下，疲劳失效依然是高强度螺栓的主要失效形式。

重要螺栓预警连接结构中，螺栓除收到轴向预警拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸（交变）载荷、横向剪切（交变）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用。

通常情况下，附加的横向应变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂。

螺栓属于严重应力集中的多缺口零件，其疲劳性能将明显地受到螺栓的结构、尺寸、材料化学成分、热处理及制造工艺等多钟因素影响。

螺栓的螺纹沟实际上是一个个小的尖锐缺口，例如对于常见的重要汽车螺栓，其螺纹沟疲劳缺口系数kf大多在4～9的范围内，除螺纹外，螺栓疲劳断裂的另一薄弱部位是螺栓头部与杆部的过渡圆角处，由于截面的突变，在该处也存在服役条件下（轴向螺栓载荷），其危险截面位于螺栓首部1～3牙处，这是因为在这个部位的螺栓受力最大，螺纹沟应力集中严重，所以螺栓的疲劳性能是一个关键考核指标。

2.2.2延迟断裂由于高强度螺栓属于应力集中严重的多缺口零件，承受轴向预警拉伸应力和工作应力，此应力与螺栓中的氢（材料本身含有的氢、酸洗、电镀等螺栓制造过程中侵入钢中的氢（内氢）或长期暴露过程中发生腐蚀反应侵入钢中的氢（外氢））发生相互作用往往会引起延迟断裂。

因此，高强度螺栓（特别是当螺栓的强度水平超过1200MPa时）除表面处理后必须进行去氢处理外，由于外氢的影响亦有可能发生延迟断裂。

2.2.3偏斜拉伸在装配使用过程中，螺栓轴线与被连接的机件表面不垂直，或承受偏心载荷，此时在应力集中的螺纹部位造成了更硬的应力状态，即除了存在拉应力外，还有附加弯矩作用。

三、螺栓的材料目前市场上的螺栓标准件材料主要有碳钢螺栓、不锈钢螺栓、铜螺栓三种材料。

3.1碳钢我们以碳钢料中碳的含量区分低碳钢，中碳钢和高碳钢以及合金钢。

3.1低碳钢（C%≤0.25%）国内通常称为A3钢。

国外基本称为1008，1015，1018，1022等。

主要用于4.8级螺栓及4级螺母、小螺丝等无硬度要求的产品。

（注：钻尾钉主要用1022材料。

）3.2中碳钢（0.25%≤C%≤0.45%）国内通常称为35号钢、45号钢，国外基本称为1035，CH38F，1039,40ACR等。

主要用于8级螺母、8.8级螺栓及8.8级内六角产品。

3.3高碳钢（C%≥0.45%）目前市场上基本没使用。

4.合金钢在普碳钢中加入合金元素，增加钢材的一些特殊性能：如35、40铬钼、SCM435，10B38。

芳生螺丝主要使用SCM435铬钼合金钢，主要成分有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo。

3.2不锈钢性能等级：45，50，60，70，80。

主要分奥氏体（18%Cr、8%Ni）不锈钢、马氏体（13%Cr）不锈钢和铁素体（18%Cr）不锈钢。

奥氏体不锈钢耐热性好，耐腐蚀性好，可焊性好。

马氏体不锈钢耐腐蚀性较差，强度高，耐磨性好。

铁素体不锈钢镦锻性较好，耐腐蚀性强于马氏体。

目前市场上进口材料主要是日本产品，按级别主要分SUS302、SUS304、SUS316。

3.3铜常用材料为黄铜、锌铜合金。

市场上主要用H62、H65、H68铜做标准件。

图3.1为常用螺栓的材料。

图3.1 常用螺栓材料四.、产品和材料的选择因高强度汽车紧固件的种类繁多，产品等级也不同，平均一辆轿车的紧固件约2000个，对全部紧固件进行分析研究是不现实也不科学的。

为实现对高强度汽车紧固件的热处理技术研究，本文选一典型高强度汽车安全紧固件作为研究对象。

4.1产品的选择选取汽车刹车系统上的卡钳上高强度紧固件。

具体使用部位如图4.1所示，螺栓大致尺寸如图4.2所示。

制动钳体总成，是由一个具有活塞的钳体、密封防尘、机加工的支架、带有摩擦材料的刹车片和一个滑动悬挂系统。

这系统使钳体在制动过程中浮动并根据磨损状况自我调整。

在盘式制动器系统中，制动钳总成是用来为制动盘提供制动力的。

在总泵被增压的制动液驱动钳体的活塞。

这个活塞推动带有摩擦材料的刹车片，与紧固于车轮的制动盘接触。

这样制动盘在摩擦力的作用下，逐渐减速，同时车速也减缓。

制动力矩通过刹车片、制动钳支架以及转向节传送到悬挂系统。

图4.1 紧固件的使用部位图4.2 螺栓尺寸4.2.材料的选择4.2.1技术参数如下：性能等级：10.9抗拉强度：>1000Mpa屈强比：0.9硬度：HRC32～39表面处理：无铬锌铝涂覆层盐雾试验时间：最小480h出现红锈；颜色：银色；不含铬。

产品表面无白色的磷化集聚物。

淬火过程金相组织达到90%马氏体组织转变。

4.2.2备选材料：源，选择SCM435钢作为螺栓材料。

五、制造工艺流程螺栓的制造工艺流程如下：热轧盘条——冷拔——球化退火（预备热处理）——机械除磷——酸洗——冷拔——冷锻成型——螺纹加工——上料——除磷——淬火——淬火冷却——清洗——高温回火——水冷——烘干一—喷油——表面处理——质量检查5.1预备热处理球化工艺：加热到760℃保温1.5h并随炉冷却到720℃保温5h并随炉冷却到550℃以下出炉空冷，如图5.1所示。

图5.1 球化退火工艺示意图球状珠光体比片状珠光体的强度、硬度低，塑性好。