紧固件及热处理工艺设计.doc

设计性综合实验论文题目： 紧固件热处理工艺设计 作者： 杨鹏 毛婷婷 2011年11月紧固件热处理工艺设计摘要紧固件是指：将两个或两个以上的零件紧固连接成为一个整体是所采用的一类机械的总称。主要包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫片、销，而本实验以螺栓为研究工件。螺栓在工作中承受载荷情况：受到拉伸力和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面处断裂、螺纹部分断裂以及螺杆和孔壁中的弱者被压溃，故螺栓所要求材料的性能是：应有足够的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度以及适当的硬度，以保证在正常工作情况下不遭到破坏。应有良好的塑性和可切屑加工性能，以便于进行冷镦和切屑加工。45钢为高强度中碳钢，其特点是强度较高、塑性和韧性尚好、切屑性能优良，经调质处理后获得较好的综合机械性能，无回火脆性，但焊接性不好，淬透性较低，谁催是具有形成裂纹倾向。45钢机械性能：b = 610 N/mm, s = 360 N/mm, 疲劳极限中，弯曲-1=250340N/mm ，抗拉= 190250 N/mm，45钢在满足螺栓所需的力学性能的条件下，且具有较低的成本，故选45钢为螺栓的原材料。为了使原材料达到最终的目的，要对原材料进行一套完整的热处理工艺。预备热处理，为了改善切屑加工性以及改善锻轧等造成的晶粒粗大及带状组织，调质钢在切削加工前需进行预备热处理。最终热处理，为了获得高塑性、高韧性和高强度，用调质处理，调质处理可获得回火索氏体组织，提高中碳钢的综合力学性能。调质处理：淬火，加热温度840，保温时间20Min，油蘸，淬火后45钢的硬度达到HRC55，并观察了金相显微组织。回火，加热温度600,保温100Min，空冷，回火后45钢的硬度为HRC28，并观察了金相显微组织。关键词：螺栓；抗拉强度；屈服强度；淬火；回火；调质处理；硬度 绪论- 14 -1 绪论1.1 课题背景紧固件是应用最广泛的机械基础件，需求量很大，在各种机械、设备、车辆、船舶、铁路、桥梁、建筑、结构、工具、仪器、仪表和用品等上面，都可以看到各式各样的紧固件。它的特点是品种规格繁多，性能用途各异，而且标准化、系列化、通用化的程度也极高。因此也有人把已有国家标准的一类紧固件称为标准紧固件，或简称为标准件。主要包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫片、销。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。从原材料看：高强度螺栓采用高强度材料制造。高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用 45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢。普通螺栓常用Q235钢制造。 从强度等级上看：高强螺栓，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级，其中10.9级居多。普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。从受力特点来看：高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用M16-M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。1.2 课题内容西安工业大学综合试验论文螺栓作为重要的紧固件之一，在工作中承受载荷情况：受到拉伸力和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面处断裂、螺纹部分断裂以及螺杆和孔壁中的弱者被压溃。本实验以此为针对性问题做一下几方面的研究。（1） 材料选择。45号钢为优质碳素结构用钢含碳（C）量是0.420.50%，Si含量为0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量=0.25%，Ni含量=0.30%。， Cu含量=0.25%。（2） 热处理工艺设计。主要从材料的性能和金相组织出发最终确定一种显著提高性能的热处理方法。淬火：840 回火：600 抗拉强度：不小于600Mpa 屈服强度：不小于355Mpa 伸长率：16% 收缩率：40%。（3） 实验结果分析。根据所测的数据分析本次试验材料选择、热处理工艺设计是否能满足螺栓要求的力学性能。2 实验方案及方法2 实验方案及方法实验方案包括螺栓材料的选择、热处理工艺的设计、试样性能测试、金相组织分析等。2.1 材料选择螺栓作为重要紧固件之一，应用于航天、汽车、铁路、机械等行业，在生产实际中起着不可代替的位置，是不可缺少的重要零件。螺栓在工作中承受载荷情况：受到拉伸力和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面处断裂、螺纹部分断裂以及螺杆和孔壁中的弱者被压溃，故螺栓所要求材料的性能是：应有足够的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度以及适当的硬度，以保证在正常工作情况下不遭到破坏。应有良好的塑性和可切屑加工性能，以便于进行冷镦和切屑加工。45号钢,是GB中的叫法,JIS中称为:S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN称为:C45 。国内常叫45号钢，也有叫“油钢”。45号钢化学成分为含碳（C）量是0.420.50%，Si含量为0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量=0.25%，Ni含量=0.30%。， Cu含量=0.25%。45钢是高强度中碳钢，其特点是强度较高、塑性和韧性尚好、切屑性能优良，经调质处理后获得较好的综合机械性能，无回火脆性，但焊接性不好，淬透性较低，水淬是具有形成裂纹倾向。2.2 热处理工艺设计根据螺栓在服役时承受的载荷的情况，螺栓会受到拉伸力和剪切力的共同作用，所以要求螺栓在经过热处理后要具有足够的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度以及适当的硬度，以保证在正常工作情况下不遭到破坏，结合本次试验的选材是45钢，故具体的热处理工艺是调质热处理工艺（淬火+高温回火）。2.2.1 淬火工艺西安工业大学综合试验论文所谓淬火就是将钢加热到 Ac3（亚共析钢）或Ac1 (过共析钢)以上3050，保温后放入各种不同的冷却介质中，以获得马氏体组织。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：淬火加热的温度、保温时间和冷却速度。（1） 选定正确的加热温度是保证淬火质量的重要环节。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据Fe-Fe3C相图确定。对亚共析钢，其加热温度为Ac33050，若加热温度不足（低于Ac3），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。对过共析钢，加热温度为 Ac13050，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体。后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。（2） 淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留保温所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算，碳钢在电炉中加热时间的计算如下表所示 （3） 冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图，使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650550）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300100）时冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果,应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等)。不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却速度有所差别。各种冷却介质的特性见表所示。 Fe-Fe3C相图西安工业大学综合试验论文冷却介质 在下列温度范围内的冷却速度（/秒） 650550 300200 18的水60027050的水10027010NaCl水溶液（18）110030010NaoH水溶液（18）120030010NaoH水溶液（18）800270蒸馏水（50）250200硝酸盐（200）35010菜籽油（50）20035矿务机油（50）15030变压器油（50）12025C曲线图几种常用淬火介质的冷却能力加 热温度() 工 件 形 状 圆 柱 形 方 形 板 形 保 温 时 间 分钟/每毫米直径分钟/每毫米厚度分钟/每毫米厚度7001.52.238001.01.529000.81.21.61000 0.4 0.6 0.8 碳钢在箱式电炉中保温时间的确定45钢的含碳量是0.420.50%，亚共析钢：0.0218%w(C)%0.77%，故45钢属于亚共析钢。对亚共析钢，其加热温度为Ac33050，若加热温度不足（低于Ac3），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。所以本次试验选择淬火温度为840。根据本实验选定的材料（圆柱体）直径8毫米，结合相关文献选定该淬火的保温时间为10分钟，淬火后要得到一定的硬度、马氏体组织再结合相关文献故选用水淬。2.2.2 回火工艺回火是将淬火后的钢，在AC1以下加热、保温后冷却下来的热处理工艺。也就是将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下，保温1到2小时后冷却的工艺。回火往往是与淬火相伴，并且是热处理的最后一道工序。经过回火，钢的组织趋于稳定，淬火钢的脆性降低，韧性与塑性提高，消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状与尺寸，防止淬火零件变形和开裂，高温回火还可以改善切削加工性能。回火有三种分别是低温回火、中温回火、高温回火，根据实验所要的结果不同而采用的回火放是不同。（1) 低温回火。工件在250以下进行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性 回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温回火时得到的组织。 力学性能：5864HRC，高的硬度和耐磨性。 应用范围：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。西安工业大学综合试验论文中温回火。工件在250500 之间进行的回火。目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。回火后得到回火托氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的复相组织。力学性能：3550HRC，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。应用范围：弹簧、锻模、冲击工具等。（2) 高温回火。工件在500以上进行的回火。目的是得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后得到回火索氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着细小球状碳化物（包括渗碳体）的复相组织。力学性能：200350HBS，较好的综合力学性能。 应用范围：广泛用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。 工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。调质不仅作最终热处理，也可作一些精密零件或感应淬火件预先热处理。该实验是要获得有足够的抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、好的塑性以及适当的硬度，所以选用高温回火，回火温度580，回火时间100分钟，空冷。2.3 试样性能测定和拍摄金相显微组织 分别在选定原材料后、淬火后、回火后测定硬度和拍摄金相显微组织并做好记录，以便分析实验方案存在的问题，在测定硬度时要打掉材料表面的氧化皮，以减少误差，腐蚀液是4%硝酸酒精，腐蚀5秒，时间不能太长与太短，以免造成金相组织不清晰。3 结果与讨论3 结果与讨论本次试验的目的是选定某种材料生产螺栓，在经过一套合适的热处理工艺，使螺栓满足一定的性能要求。3.1 硬度测试结果45钢不淬火时硬度（HRC）为：13.8、14.4、15.3、14.5,其平均硬度值为：HRC14.545钢淬火后硬度（HRC）为：51.3、52、54.5、53.6、54.7，其平均硬度值为：HRC53.2245钢回火后硬度（HRC）为：26.8、29、27.5、28.3、27.6,其平均硬度值为：HRC27.843.2 金相显微组织分析试样（45钢）金相显微组织如下：图 3.2.1 45钢的常温金相显微组织 100西安工业大学综合实验论文45钢的常温金相显微组织如上图所示，腐蚀液4%硝酸酒精，白色的为渗碳体，渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色。黑色的为铁素体。图 3.2.2 45钢的淬火金相显微组织 10045钢的淬火金相显微组织如图所示，腐蚀液为4%的硝酸酒精，其金相显微组织是针状淬火马氏体，针状大小中等。淬火后硬度为HRC53.22离标准的HRC55以上相差一点，其原意是金相组织中有块未溶铁素体。西安工业大学综合实验论文图 3.2.3 45钢的回火金相显微组织 10045钢的回火金相显微组织如图所示，腐蚀液为4%的硝酸酒精，基体组织为保持位向分布的回火索氏体。综合以上金相显微组织结合硬度值分析：45钢调质处理后得到过饱和的固溶体即淬火马氏体。它的强度及硬度很高，而韧性及塑性明显下降。为了消除淬火时的内应力和组织应力，淬火后应及时进行回火处理，当回火温度达到600时，马氏体则发生分解，析出极细的渗碳体颗粒，从而使基体分解为索氏体组织，此时试样的强度和硬度有所下降，而塑性和韧性显著提高。因此，可获得良好的综合力学性能，以适应制造要求强度较高，塑性及韧性也好的机械零件。4 结论4 结论同步于金属材料技术的革新，本文以紧固件的热处理工艺为课题作了一系列 的研究与分析，通过调质处理(淬火+高温回火)，常温、淬火、回火的金相显微组织的分析，试样性能的测试，以及试验过程中一些问题的处理，最终完成了本次课题的研究，得到了一下的结论：1、该试验以45钢作为试样进行了一系列的研究，充分发挥了45钢作为一种优质碳素钢的特点。2、45钢经过淬火硬度达到HRC53.22，淬火（加热840、保温10分钟、水淬）金相显微组织为针状淬火马氏体，针状大小中等，淬火硬度低的原因是加热温度不够或冷却速度慢。3、45钢经过回火硬度达到HRC27.84,回火（加热600、保温100分钟、空冷）金相显微基体组织为保持位向分布的回火索氏体，回火后试样的强度和硬度有所下降，而塑性和韧性显著提高。本次试验结果表明达到了试样所要的基本性能，取得了一定的成果，但是课题的研究过程中有些部分还需进一步改进和深入的