汽车紧固件热处理工艺技术及其发展_张先鸣
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连续式网带炉生产线的热处理工艺 :上料 ※清 洗 ※加热 ※淬火 ※清洗 ※回火 ※着色 ※下线 , 可实 现碳势控制 , 自动运行 。在渗碳工艺中 , 可采用氧探 头分区碳势控制技术 , 对浅渗层质量进一步优化 , 使 产品质量实现了质的飞跃 [ 2] 。
热处理装备存在的问题是淬火介质缺乏冷却性 能测定 、碳势控制不稳定 、炉温校验周期过长等 。 1.2 原材料
淬火时加热温度 、加热时间必须适当 , 要保证淬 火后体积分数至少 90%的组织为马氏体 , 要有预热 措施 , 可采取 Ａｃ3以下 100 ℃的温度预热 , 使淬火后 组织均匀 , 马氏体转变充分 , 心部较少游离铁素体或 粒状碳化物 。
为了把紧固件强度和保证载 荷控制在合格范 围 , 回火时应注意原料材质 、炉型 、镦制工艺 (冷镦 与温锻 )、螺纹长度 (全牙与半牙 )、介质 (水淬与油 淬 )的区别 。硬度和强度要求一般可在高温区间通 过回火温度来调整 。 在提高硬度下限值基础上 , 回 火温度应选用较高值 , 从而彻底消除应力 。 有些合 金材料含第 2类回火脆性敏感的元素较多 , 回火后 必须采取适当的冷却方法 , 避免在高温区域停留较 长时间 , 产生第 2类回火脆性 。 2.2 增加驱氢处理
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 [ 4] 。
一般认为 , 当强度 达到 1 050 ＭＰａ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。
第 36卷 第 2期 Ｖｏｌ.36 Ｎｏ.2
金 属 制 品 Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
ｄｏｉ:10.3969/ｊ.ｉｓｓｎ.1003 -4226.2010.02.002
汽车紧固件热处理工艺技术及其发展
2010 年 4 月 Ａｐｒｉｌ 2010
张先鸣
(上海申光高强度螺栓有限 公司 , 上海 201309)
同一材质的产品 , 当截面大小不同时 , 淬透性也 不同 , 虽然采用同一调质工艺 , 其力学性能却不尽相 同 。 截面越大 , 淬透性也越差 , 力学性能也越差 。 同 时 , 同样材质的原料 , 其化学成分允许在一定范围内 波动 , 尤其是碳素钢会因为各钢厂在冶炼技术 、标准 上有所区别而不同 , 采用相同工艺生产的成品必然 存在性能差异 。
Ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎ-ｍｉｎｇ
(ＳｈａｎｇｈａｉＳｈｅｎｇｕａｎｇＨｉｇｈＳｔｒｅｎｇｔｈＢｏｌｔｓＣｏ., Ｌｔｄ., Ｓｈａｎｇｈａｉ201309, Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｕｒｓｅｏｆｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｍｍｏｎａｐｐａｒａｔｕｓ, ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｓｔｅｎｅｒ, ｉｔｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎ ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓａｒｅｎｏｔａｂｌｅｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｃｏｏｌｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｑｕｅｎｃｈｍｅｄｉｕｍ, ｕｎｓｔａｂｌｅｃａｒｂｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｃｏｎｔｒｏｌａｎｄ ｏｖｅｒｌｏｎｇｆｕｒｎａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈｅｃｋｉｎｇｐｅｒｉｏｄ.ＴｈｅＦｏｒｍｕｌａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｅｘｐｌａｉｎｅｄ.Ｉｔｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｔｏｆｏｒｍｕｌａｔｅｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓ ｌｅｖｅｌ, ｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ, ｆｕｒｎａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ, ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｉｎｆｕｒｎａｃｅａｎｄｑｕｅｎｃｈｍｅｄｉｕｍ.Ｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｅｎｓｕｒｉｎｇｑｕｅｎｃｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ.Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｈｙｄｒｏｇｅｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｎｅｅｄｓｔｏｂｅｄｏｎｅｉｎｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｗｉｔｈｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ, ａｎｄｔｈｅｆｅｒｒｉｔｅｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｃｏｒｅｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｓｔｅｎｅｒｎｅｅｄｓｔｏｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ.Ｔｈｅｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｓｈｏｕｌｄｐａｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｒｅｎｅｗｉｎｇｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓ, ｔｈｅｕｓｅｏｆｗｉｔｈｏｕｔａｎｎｅａｌｃｏｌｄ ｈｅａｄｉｎｇｓｔｅｅｌａｎｄｈｏｔｒｏｌｌｅｄｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ, ｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒ;ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｓｔｅｎｅｒ;ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ;ｈａｒｄｅｎｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ;ｅｌｉｍｉｎａｔｅｈｙｄｒｏｇｅｎ;ｃｏｌｄｈｅａｄｉｎｇ
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/Ｔ 1231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] 。 例如某螺栓厂在承接美国 ＰＡＣＣａｒ的项目生产美标 1″-14的 8级 (相当于国标 10.9 级 )螺栓时 , 采用 40Ｃｒ钢作原料 , 该产品用于载 重卡车制动器 , 对连 接件的要求很高 。第 1次送检时成品保载试验不合 格 , 第 2次送检时楔负载试验不合格 。 分析材料性 能后 , 很难达到各项指标要求 , 改用 42ＣｒＭｏＡ钢生 产后 , 加强工艺控制 , 生产出合格产品 。
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 。 比如采用等温淬火就会使发生氢脆断裂的阈值提高 100ＭＰａ左右 , 这是因为等温淬火生成的下贝氏体 组织对氢脆的敏感性比回火马氏体低 。
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 。
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 ～ 50ｋｇ。 由于盐浴炉热处理工作 环境差 , 淬回火工序距离近 , 易造成混装现象 , 客户 在使用时发生脆断或者根本无法使用 。 由于热处理 装备太落后 , 一些汽车紧固件企业只能配套生产 8.8 级及以下强度等级的螺栓 。
淬火加热温度主要根据钢的化学成分 , 结合具 体工艺确定 。 钢的化学成分是确定淬火温度的主要 因素 , 根据淬火介质的不同 , 采用的淬火加热温度也 不同 。亚共析钢淬火温度选择在 Ａｃ3以上 ;碳素钢在 Ａｃ3以上 30 ～ 50 ℃;合金钢在 Ａｃ3以上 50 ～ 80 ℃。 对 心部淬硬的紧固件来说 , 由于组织应力和热应力的 综合作用 , 产生的最大拉应力将处于零件表面附近 , 可能引起淬裂 , 这个淬裂危险尺寸与所用淬火介质 有关 , 对于螺栓 , 水淬时的直径为 8 ～ 10ｍｍ, 油淬时 的直径为 20 ～ 39ｍｍ[ 3] 。 处于危险尺寸的螺栓淬火 时 , 必须采取适当的措施防止淬裂 。
根据工艺的要求 , 有些企业在连续式网带炉生 产线的前清洗设备上增加去磷功能 , 在加热前除去 紧固件表面的磷化层 ;对于大规格高强度螺栓 , 为防 止淬火时的磕碰和淬火畸 变 , 选用 Ｕｎｉｃａｓｅ系列箱 形多用炉处理 ;为降低成本 , 有的企业连续式网带炉 加热区采用燃气加热 , 保温区采用电加热 , 发挥燃气 加热和电加热的优势 , 且因地制宜选择炉用载气和 渗碳剂种类 , 达到节能减排的目的 。
第 2期
张先鸣 :汽车紧固 件热处理工艺技术及其发展
· 7·
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 。
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
· 8·
金 属 制 品
第 36卷
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 。
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 [ 3] 。
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] 。 1.1 热处理装备
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 中图分类号 ＴＧ162.7
热处理装备存在的问题是淬火介质缺乏冷却性 能测定 、碳势控制不稳定 、炉温校验周期过长等 。 1.2 原材料
淬火时加热温度 、加热时间必须适当 , 要保证淬 火后体积分数至少 90%的组织为马氏体 , 要有预热 措施 , 可采取 Ａｃ3以下 100 ℃的温度预热 , 使淬火后 组织均匀 , 马氏体转变充分 , 心部较少游离铁素体或 粒状碳化物 。
为了把紧固件强度和保证载 荷控制在合格范 围 , 回火时应注意原料材质 、炉型 、镦制工艺 (冷镦 与温锻 )、螺纹长度 (全牙与半牙 )、介质 (水淬与油 淬 )的区别 。硬度和强度要求一般可在高温区间通 过回火温度来调整 。 在提高硬度下限值基础上 , 回 火温度应选用较高值 , 从而彻底消除应力 。 有些合 金材料含第 2类回火脆性敏感的元素较多 , 回火后 必须采取适当的冷却方法 , 避免在高温区域停留较 长时间 , 产生第 2类回火脆性 。 2.2 增加驱氢处理
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 [ 4] 。
一般认为 , 当强度 达到 1 050 ＭＰａ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。
第 36卷 第 2期 Ｖｏｌ.36 Ｎｏ.2
金 属 制 品 Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
ｄｏｉ:10.3969/ｊ.ｉｓｓｎ.1003 -4226.2010.02.002
汽车紧固件热处理工艺技术及其发展
2010 年 4 月 Ａｐｒｉｌ 2010
张先鸣
(上海申光高强度螺栓有限 公司 , 上海 201309)
同一材质的产品 , 当截面大小不同时 , 淬透性也 不同 , 虽然采用同一调质工艺 , 其力学性能却不尽相 同 。 截面越大 , 淬透性也越差 , 力学性能也越差 。 同 时 , 同样材质的原料 , 其化学成分允许在一定范围内 波动 , 尤其是碳素钢会因为各钢厂在冶炼技术 、标准 上有所区别而不同 , 采用相同工艺生产的成品必然 存在性能差异 。
Ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎ-ｍｉｎｇ
(ＳｈａｎｇｈａｉＳｈｅｎｇｕａｎｇＨｉｇｈＳｔｒｅｎｇｔｈＢｏｌｔｓＣｏ., Ｌｔｄ., Ｓｈａｎｇｈａｉ201309, Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｕｒｓｅｏｆｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｍｍｏｎａｐｐａｒａｔｕｓ, ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｓｔｅｎｅｒ, ｉｔｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎ ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓａｒｅｎｏｔａｂｌｅｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｃｏｏｌｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｑｕｅｎｃｈｍｅｄｉｕｍ, ｕｎｓｔａｂｌｅｃａｒｂｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｃｏｎｔｒｏｌａｎｄ ｏｖｅｒｌｏｎｇｆｕｒｎａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈｅｃｋｉｎｇｐｅｒｉｏｄ.ＴｈｅＦｏｒｍｕｌａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｅｘｐｌａｉｎｅｄ.Ｉｔｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｔｏｆｏｒｍｕｌａｔｅｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓ ｌｅｖｅｌ, ｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ, ｆｕｒｎａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ, ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｉｎｆｕｒｎａｃｅａｎｄｑｕｅｎｃｈｍｅｄｉｕｍ.Ｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｅｎｓｕｒｉｎｇｑｕｅｎｃｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ.Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｈｙｄｒｏｇｅｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｎｅｅｄｓｔｏｂｅｄｏｎｅｉｎｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｗｉｔｈｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ, ａｎｄｔｈｅｆｅｒｒｉｔｅｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｃｏｒｅｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｓｔｅｎｅｒｎｅｅｄｓｔｏｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ.Ｔｈｅｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｓｈｏｕｌｄｐａｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｒｅｎｅｗｉｎｇｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓ, ｔｈｅｕｓｅｏｆｗｉｔｈｏｕｔａｎｎｅａｌｃｏｌｄ ｈｅａｄｉｎｇｓｔｅｅｌａｎｄｈｏｔｒｏｌｌｅｄｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ, ｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃａｒｆａｓｔｅｎｅｒ;ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｓｔｅｎｅｒ;ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ;ｈａｒｄｅｎｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ;ｅｌｉｍｉｎａｔｅｈｙｄｒｏｇｅｎ;ｃｏｌｄｈｅａｄｉｎｇ
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/Ｔ 1231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] 。 例如某螺栓厂在承接美国 ＰＡＣＣａｒ的项目生产美标 1″-14的 8级 (相当于国标 10.9 级 )螺栓时 , 采用 40Ｃｒ钢作原料 , 该产品用于载 重卡车制动器 , 对连 接件的要求很高 。第 1次送检时成品保载试验不合 格 , 第 2次送检时楔负载试验不合格 。 分析材料性 能后 , 很难达到各项指标要求 , 改用 42ＣｒＭｏＡ钢生 产后 , 加强工艺控制 , 生产出合格产品 。
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 。 比如采用等温淬火就会使发生氢脆断裂的阈值提高 100ＭＰａ左右 , 这是因为等温淬火生成的下贝氏体 组织对氢脆的敏感性比回火马氏体低 。
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 。
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 ～ 50ｋｇ。 由于盐浴炉热处理工作 环境差 , 淬回火工序距离近 , 易造成混装现象 , 客户 在使用时发生脆断或者根本无法使用 。 由于热处理 装备太落后 , 一些汽车紧固件企业只能配套生产 8.8 级及以下强度等级的螺栓 。
淬火加热温度主要根据钢的化学成分 , 结合具 体工艺确定 。 钢的化学成分是确定淬火温度的主要 因素 , 根据淬火介质的不同 , 采用的淬火加热温度也 不同 。亚共析钢淬火温度选择在 Ａｃ3以上 ;碳素钢在 Ａｃ3以上 30 ～ 50 ℃;合金钢在 Ａｃ3以上 50 ～ 80 ℃。 对 心部淬硬的紧固件来说 , 由于组织应力和热应力的 综合作用 , 产生的最大拉应力将处于零件表面附近 , 可能引起淬裂 , 这个淬裂危险尺寸与所用淬火介质 有关 , 对于螺栓 , 水淬时的直径为 8 ～ 10ｍｍ, 油淬时 的直径为 20 ～ 39ｍｍ[ 3] 。 处于危险尺寸的螺栓淬火 时 , 必须采取适当的措施防止淬裂 。
根据工艺的要求 , 有些企业在连续式网带炉生 产线的前清洗设备上增加去磷功能 , 在加热前除去 紧固件表面的磷化层 ;对于大规格高强度螺栓 , 为防 止淬火时的磕碰和淬火畸 变 , 选用 Ｕｎｉｃａｓｅ系列箱 形多用炉处理 ;为降低成本 , 有的企业连续式网带炉 加热区采用燃气加热 , 保温区采用电加热 , 发挥燃气 加热和电加热的优势 , 且因地制宜选择炉用载气和 渗碳剂种类 , 达到节能减排的目的 。
第 2期
张先鸣 :汽车紧固 件热处理工艺技术及其发展
· 7·
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 。
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
· 8·
金 属 制 品
第 36卷
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 。
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 [ 3] 。
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] 。 1.1 热处理装备
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 中图分类号 ＴＧ162.7