“紧固件材料和热处理”技术热点(紧固件人士必看!)

一键通紧固件传媒2018-07-15 16:03:58

材料篇


1、什么是添加元素的钢, 为什么容易淬火开裂?


  GB/T3098.12010标准中对8.8级~10.9级的螺栓使用的材料有明确规定,对于需要热处理的高强度螺栓钢硫和磷的最大含量极限,从0.035%降到0.025%,其中有“添加元素的碳钢(如硼或锰或铬)”一类,并代替原标准规定的“低碳合金钢”。据悉,此类钢材采用“废钢”作原料、电炉冶炼,往往残余合金元素过多,控制非常困难,特别是一些难以在冶炼中去除的杂质元素,造成最终产品质量无法保证。


  一般指的是45#40Cr钢,此类钢在我国的使用年限较长。特别是SP的含量都在0.025%0.035%,还有其他的杂质Cu铜、Pb铅、Sn锡、Se硒,当钢中有害元素PS增加时,低倍组织检测的中心疏松、一般疏松、方形偏析的级别都在23级,白点、缩孔、气泡、翻皮等缺陷也可见存在。由于价格较低,不少紧固件企业还很喜欢用。在螺栓调质时时常发生淬火裂纹的事故,主要是杂质元素和非金属夹杂物较多引起,在热处理时采取任何措施都不可避免开裂。对于重要的产品,建议一般不用或避免使用45#40Cr钢。



2、目前市场上,20MnTiB、ML20MnTiB硼钢可制造10.9级高强度螺栓,但是进行再回火试验后,机械性能下降的原因是什么?


  螺栓在紧固件中使用量最大,制造的材料主要有钢、不锈钢、钛合金和有色金属等。目前除少量的大规格采用温镦(温挤压),切削加工制造外,大多数选择冷镦(冷挤压)成型工艺制造。螺栓最终的力学性能由制造紧固件的材料品质所决定,而20MnTiBML20MnTiB含碳量下限均低于0.20%,不能满足标准对材料的要求;20MnTiB钢螺栓强度≥1040MPa、硬度在3239HRC的要求时,是靠降低回火温度达到的,当采用425℃再回火温度试验后硬度和强度下降,不能满足标准中的最低回火温度的性能要求。从生产实践可以看出,螺栓的优良综合机械性能,不但取决于热处理工艺和金相组织,更重要的是应具有良好的化学成分匹配。


  20MnTiBML20MnTiB钢首先应保证碳含量在0.22%0.24%以上,才能最大限度地提高淬透性,淬火后的硬度≥4547HRC,以达到有效的淬硬层深度,才能满足标准中的最低回火温度425℃的要求。


3、美制内六角盘头螺钉1/4-20×1/2,材料:SCM435,机械性能12.9级,要求扭矩20N•m,热处理后扭矩只有17~18Nm,是什么原因造成的?


  这个问题很关键。SCM435钢含碳量取中下限的话,这个问题解决不了,SCM435钢其含碳量提高到中上限或采用42CrMoASCM440钢后,这个问题就好解决了。为此,所有的钢材都应根据螺栓等级选择合适的含碳量,钢中的碳量发生变化,淬火温度就会变化,不仅抗拉强度、硬度会变化,而且扭矩也会变化。另外,重新调质热处理也可满足技术要求。


4、用马氏体型不锈钢30Cr13旧牌号3Cr13制成封闭圆环弹簧片,厚度0.75mm,硬度要求39~43HRC,弹性试验要求室温回弹10次以上。目前的工艺能满足硬度要求,但弹性合格率只有30%左右。在不改变材料的前提下,如何保证产品的弹性?


  这涉及一个成分的问题,我们搞热处理的如果不把成分放在第一位那是搞不好的。可以采用含碳量≥0.32%0.35%的钢材,带状组织偏析应控制在2级以下,其中控制非金属夹杂物的等级,如硫化物类、氧化铝类、球状氧化物类均不大于1.5级(包括粗、细系)。若弹性不够,考虑增加一道300310℃再回火工序,然后快冷。可以试试。


5、汽车上用的不锈钢焊接螺母是采用哪种奥氏体不锈钢牌号?


  奥氏体不锈钢具有良好的一般抗蚀性,在许多介质中具有优良的耐全面腐蚀性能,但对晶间腐蚀和应力腐蚀开裂较敏感。任何热处理工艺都不会使其硬化;但由于N含量的增加或冷成型强化,可使钢的力学性能有所提高。奥氏体型钢具有良好的可焊性,也有较高的低温冲击韧度,还有防止脆性的高安全性。


  12Cr18Ni9(SUS302)旧牌号1Cr18Ni9。一般用途的标准18-8CrNi不锈钢,耐腐蚀性优于同类的12Cr17Ni7SUS301)钢,冷加工后能使抗拉强度有很大提高,但伸长率不如12Cr17Ni7用于通用的耐蚀螺栓,需机加工的焊接螺母、自攻螺钉。


  Y12Cr18Ni9(SUS303)旧牌号Y1Cr18Ni918-8型奥氏体型不锈钢的基础上提高含S量以提高切削加工性能,可添加MoZr元素,适于批量切削加工紧固件,尤其是采用棒材加工螺母时。


  022Cr19Ni10SUS304L)旧牌号00Cr19Ni10。除强度稍低外,其他性能与06Cr19Ni10(SUS304)相同,主要用于需焊接且焊接后又不进行固溶处理的螺母。


6、未来汽车发展的方向是轻量化、节能化、安全环保。在组装不可成缺的螺纹连接上,追求更高设计应力,轻量化的要求,更加合理的紧固技术。为了减小高强度紧固件延迟断裂的危险,采用何种不锈钢制造发动机螺栓?


  一般采用沉淀硬化不锈钢也称时效硬化钢,基体为奥氏体或马氏体组织,并能通过沉淀硬化处理使其硬(强)化的不锈钢。这类钢在具有高抗腐蚀性的同时还具有高强度;其耐腐蚀性不但与成分有关,且与热处理密切相关,微细相的析出、时效反应对耐蚀性能都是有害的。钢的高强度是因为最终在较低温度下热处理时从马氏体相中析出金属间化合物的结果,另因这类钢的高强度特点,使用时也可能发生氢脆和应力腐蚀。


  05Cr17Ni4Cu4NbSUS630)旧牌号0Cr17Ni4Cu4Nb,常用的沉淀硬化不锈钢,它同时具有马氏体不锈钢的高强度和奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能,综合性能良好,在315℃仍有高的强度和耐腐蚀性,用于既要求强度高,又要求耐腐蚀性好的汽车螺栓。07Cr17Ni7AlSUS631)旧牌号0Cr17Ni7Al,可塑性好,易硬化,在较高温度仍有高的强度和耐腐蚀性,特别是冷、热变形性能优良,热处理强化效果显著,适于变型成形的高强度、耐腐蚀汽车螺栓。


  07Cr15Ni7Mo2AlSUS632)旧牌号0Cr15N-i7Mo2Al,在07Cr17Ni7AlSUS631)的基础上加入合金元素钼,以保证热处理时得到更高的强度。


  06Cr15Ni25Ti2MoAlVBSUS660)旧牌号0Cr15Ni25Ti2-MoAlVB。铁-镍基合金,它在高温下同时具有高的强度和好的耐腐蚀性,切削加工性能和热加工性能良好,可使用在650700℃的高温下,用于耐热、耐腐蚀性的受力汽车发动机螺栓。


  此外,马氏体型不锈钢是指具有较好的热稳定性和热强性的钢,如42Cr9Si240Cr10Si2Mo钢。在高温下具有较高的强度,又称马氏体型耐热钢。GB/T 1221-2007 《耐热钢棒》标准中指的42Cr9Si2旧牌号4Cr9Si240Cr10Si2Mo旧牌号4Cr10Si2Mo钢是发动机上重要螺栓材料,工作时要承受较高的机械负荷和热负荷。


小结:


  随着冷镦技术的发展,对冷镦钢的需求明显增加。由于冷镦紧固件设备大部分为多工位冷镦机,其冷镦水平相对较为稳定,对紧固件品质的影响并不很大,而主要影响因素在于冷镦钢的质量,其本身或固有的质量缺陷直接影响到紧固件的最终品质水平。目前,大多数紧固件企业对冷镦钢都有严格的要求,并通过各种途经和信息寻求最能适应冷镦工艺的钢种。生产高强度紧固件有两大关键点:一是材料,二是热处理。无论哪一点有问题,都将导致高强度紧固件的性能失效。尤其是对冷镦汽车高强度螺栓而言,其选用材料方面更为严格,我国汽车紧固件用冷镦线材的开发研究,还处于相对落后的状态。


  在生产实践中,对使用量大的碳钢或合金钢、不锈钢高强度螺栓材料标准的修订越来越重要,也越来越紧迫。 需要对材料中SP含量问题、脱碳层、非金属夹杂物和酸浸低倍组织等进行探讨,还有对紧固件实物质量中的碳硼钢制造品质问题提出建议。研究和开发符合我国资源情况的质优价廉的高强度冷镦钢,对我国紧固件行业在国际市场竞争中取得优势具有重要的作用。


热处理篇


7、如何选用材料,SWRCH22A、10B21钢能生产高强度螺栓吗?钢材热处理工艺?


  SWRCH22A、10B21钢都是引进的钢号,没有完整的热处理资料。根据发表的文献,此两类钢的过冷奥氏体的连续冷却转变曲线(CCT图),SWRCH22A钢的临界点温度为:Ac3=854℃,Ar3=818℃,Ac1=742℃,Ar1=717℃,Ms=458℃;10B21钢的临界点温度为:Ac3=841℃,Ar3=783℃,Ac1=740℃,Ar1=718℃,Ms=416℃。


  SWRCH22A、10B21两种钢Ac3温度分别为854℃和841℃,其含碳量在0.18%~0.23%,为亚共析钢。在热处理工艺中,亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30~50℃,淬火温度前者为880~910℃,后者为870~900℃,冷却介质为水溶液。SWRCH22A钢的淬透性比10B21钢差,只要含碳量≥0.20%,前者可以生产M12以下的8.8级螺栓,后者生产M20以下的9.8级螺栓。


8、在GB/T3098.1-2010标准中对8.8、9.8、10.9和12.9/12.9五个性能等级螺栓,要求“螺纹截面的芯部在淬火后、回火前获得约90%的马氏体组织”。什么是马氏体?有何影响?


  将螺栓加热到钢的临界点以上,奥氏体均匀化后,当奥氏体快速过冷到Ms点以下温度时,将发生马氏体转变,形成马氏体。这种操作在热处理上称为淬火。


  马氏体是碳在α-Fa中的过饱和固溶体,它是淬火的基本组织。淬火可以大幅度地提高螺栓的强度、硬度,而降低塑性、韧性,这与淬火得到的马氏体组织密切相关。螺栓用钢淬火后的组织一般为板条状马氏体(含碳量≤0.30%)和板条状、针状马氏体(含碳量0.30%~0.60%)共存组织为主。


  影响马氏体转变的主要因素有化学成分、奥氏体化温度、形变和压力、淬火冷却速度等。


  螺栓钢碳的质量分数越高,马氏体硬度越高,当超过0.60%时硬度升高趋缓。对于整个截面受力的螺栓淬火后,体积分数要求获得约90%的马氏体组织,表明试样临界直径应全部淬透。淬透程度越高,调质后屈强比也越大,屈强比的增大意味着能达到所需要的机械性能;否则就是没淬透,淬透程度越差,机械性能也越差,将影响最终品质。



9、10.9级高强螺栓为什么要驱氢?10.9级钢结构和风电螺栓要驱氢吗?


  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>620 MPa ,硬度值>31HRC的高强度材料。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1050 MPa 以上才会发生氢脆断裂。


  GB/T 5267.1 《紧固件电镀层》规定,当芯部或表面硬度值>320HV时,应通过实验对氢脆进行检验,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1000 MPa。


  高强度螺栓发生氢脆断裂的影响因素主要有以下几个方面。①强度;②氢含量;③应力集中;④应变速率。这几个影响因素中,强度和氢含量是最关键的两个因素。


  其一、螺栓材料的强度越高,氢脆敏感性越大。这是因为,金属晶体结构中位错、晶界、沉淀相等氢积聚点多,在酸洗、电镀过程中螺栓吸氢的能力强,基体内应力较大;同时,氢脆断裂的临界应力极限氢脆随着材料强度的升高而急剧下降。钢制螺栓因强度过高导致氢脆断裂失效,有时与设计过分强调强度、硬度指标有关。如有些材料设计10.9级,为避开回火温度第1类回火脆性区域,将硬度改为33~35HRC,结果回火温度在430~440℃或450℃,使得螺栓的氢脆敏感性降低,有效地预防了氢脆断裂的发生。


  其二、钢制螺栓发生氢脆失效通常也与不合适的热处理有关。由于钢的强度水平与钢的微观组织有着密切关系。因而,在一定强度水平下,钢的氢脆断裂敏感性总是与某种特定的组织相联系。在各种不同的显微组织中,对氢脆敏感性从大到小的一般顺序为马氏体、上贝氏体(粗大贝氏体)、下贝氏体(细贝氏体)、索氏体、珠光体、奥氏体。


  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100 MPa 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。


  其三、淬火螺栓在250~400℃的温度范围回火时,其氢脆敏感性急剧恶化。文献资料指出,这是由于低温回火脆性与氢脆现象叠加的结果。


  研究结果表明,回火脆化对氢致脆性断裂起着明显的促进作用,回火脆化程度较小,回火脆化和氢脆为线性相加;回火脆化程度较大,回火脆化将大大加剧氢脆程度。也就是说,回火脆化将降低材料发生氢脆断裂的临界氢含量值。如40Cr钢10.9级螺钉在氢含量质量分数仅0.0003%条件下发生氢脆断裂,而根据实践的经验,SCM435、SWRCH45K钢螺栓氢含量质量分数在0.0010%~0.0015%以上时,才有发生氢脆断裂的可能性。


  对失效螺栓分析认为:在较低的氢含量下发生氢脆断裂,其主要原因是由于螺钉存在中等程度的回火脆化。


  10.9级钢结构和风电螺栓一般采用达克罗涂覆或发黑表面处理,在涂覆前基本上没有酸洗吸氢过程,可以不驱氢。


10、高强度螺栓为什么要去磷?             


  近年来研究发现在热处理过程中,钢表面的磷化膜可使磷渗透,最终导致钢的性能降低。当今,氢致延迟断裂现象制约着高强度冷镦螺栓的发展。当钢中的氢含量超过临界值时就会出现断裂,临界值随着钢的强度增加而等比例下降。钢制螺栓表面处理方法也可以导致热处理过程中渗磷,从而引起钢铁螺栓机械性能降低,在热处理前必须进行去除磷化膜处理。


11、回火不正确为什么会导致螺栓力学性能下降,或早期失效、缩短正常使用寿命等?


  当回火一个螺栓时,往往把重点放在一个单一参数上,即以硬度作为回火操作成功或失败的唯一标准,由于淬火硬化的显微组织主要是马氏体,约占螺栓体积的约90%,极不稳定并为应变诱导状态,因此,回火是修改这淬火显微组织朝向的比较平衡的步骤。


  但一些企业为保证螺栓的硬度和强度,往往是通过降低回火温度来实现的。如汽车紧固件,标准GB/T 3098.1-2010中对螺栓、螺钉和螺柱的检测指标中,成品的机械性能与回火有密切关系,其中显微组织变数有4个环节:即回火温度、回火保温时间、回火冷却速度以及钢的化学成分。通过回火改变螺栓的显微组织,通常会增加断后伸长率和冲击韧性,减少硬度和强度(抗拉强度和屈服强度);回火会导致塑性、冲击韧度增加,并提高尺寸稳定性。这样可避免早期失效。


12、低碳钢或低合金钢制自攻螺钉、自攻自钻螺钉(简称螺钉)表面渗碳硬化后硬度达到≥530HV0.3后,作自攻试验时螺纹容易磨损,且扭矩达不到要求,是什么原因?


  螺钉渗碳的特性首先取决于它的表面到心部碳的分布。一般的渗碳工艺来说,表面的含碳量在0.65%~1.00%C的范围内,最佳表面含碳量约为0.80%C,淬火后最小表面硬度750HV0.3。网带炉的碳势波动很大或装炉量过大、螺钉表面污染、清洗不够都会引起表面的碳浓度不足,淬火后表面硬度低于750HV0.3,螺钉表面的碳浓度并没有达到技术要求,在热处理时是通过降低回火温度来达到硬度要求的。故螺纹容易磨损。


  应注意的是工件未清洗所带入的油气对炉内气氛影响明显,若不清洗干净则直接影响炉内气氛和控制精度,还要观察网带上是否有残留黄色份未,如有应认真对待处理螺钉的清洗工作。在检查网带炉设备具备渗碳能力的条件下,淬火后检测表面硬度大于750HV0.3,才能满足渗碳直接淬火,推荐的最低回火温度为330℃,不低于320~350℃回火工艺。


13、马氏体不锈钢410F、416和420J2可以热处理强化吗?材质热处理工艺?


  此类钢属于Cr系列钢无Ni含量,常态之下有磁性。通常采用真空光亮热处理,淬火后410(12Cr13)、416(Y12Cr13)钢硬度在40~45HRC,机加工性能良好,用于一般用途的耐热耐腐蚀紧固件。416钢含硫量稍高,是易切削不锈钢。淬火后420(30Cr13)钢,最大硬度值55~58HRC,含硫量≤0.15%,用于要求较高强度的紧固件。


  两种材料含碳量有差异,若是生产不锈钢自攻钉,真空热处理加热温度,前者1020~1040℃,回火200~220℃;后者1020~1050℃,回火360~400℃。表面硬度控制在≥400~450HV0.3即可,如太高容易断裂。热处理后也有弱磁性。


小结:


  随着紧固件热处理技术的发展,一般企业都使用连续式网带加热炉,炉子的加热温度、运行时间、紧固件在炉内的厚度,淬火介质温度,回火时间、回火温度以及提升的速度都对紧固件的调质效果产生很大的影响,为了得到不同强度级别的紧固件,应当及时调整热处理工艺参数。在保证紧固件能够充分奥氏体化的基础上,准确调整回火温度,得到需要的回火索氏体或回火托氏体组织,最终获得不同性能的合格产品。


  材料的选用是保证质量的基础。热处理技术的控制水平,是紧固件企业品质控制水平的主要特征之一,对高强度螺栓尤其是它的内在质量至关重要。

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