汽车紧固件热处理工艺技术及其发展

1、本文由坐北面南贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 36 卷 V o l 36 第 2期 No 2 金 属 制 品 M eta l P roduc ts 2010 年 4 月 A pr il 2010 do:i 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 张先鸣 (上海申光高强度螺栓有限 公司, 摘 要 上海 201309 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

2、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、 火介质 是制 定汽车 紧固 件热 处理工 艺的 关键因 淬 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、 退火冷镦 钢和非 调质钢 免 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 TG 162 7 . 中图分类号

3、 H eat treat ent technology of car fastener and its developm en t m ZHANG X i n m ing a ( Shanghai Shenguang H igh S trength Bolts Co. , L td. , Shanghai 201309, China Abstrac t T o introduce the deve lopm ent course of car fastener hea t treat ent apparatus and the advantages and d isadvanta m ges

4、of co mmon apparatus, a i ing at the de ands o f high streng th fastener m m , it is po inted out that the prob lems ex isting in heat treat ent apparatus are no t ab le to de ter ine coo ling property of quench m edium, unstable ca rbon potentia l control and m m over long furnace temperature check

5、 ing per iod The Fo r la ting princ ip les o f ca r fastener heat trea t ent process are ex . mu m p la ined. It is pointed out that the key factors to fo r late car fastener heat treatm ent process are heat treatm ent appara tus mu leve, ra m a terials furnace te l w , mperature atmo sphere in furn

6、ace and quench m edium. T he che ical compositions o f raw , m m ater ia ls are m a in factors fo r ensuring quench te pe rature E li ina ting hydrogen trea t ent needs to be done in hea t treat m . m m m ent w ith streng th increas ing and the ferr ite conten ts in core of h igh streng th fastener

7、needs to be de ter ined. T he car fas , m tener production enterpr ises should pay attention to rene ing o f heat treatm ent apparatus, the use of w ithout anneal cold w head ing steel and ho t ro lled h igh strength stee, perfection o f heat treatment pro cess l . K eywords ing car fastener h igh s

8、treng th fastene r heat treatment harden ing and tempering e li ina te hydrogen; cold head ; ; ; ; m 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

9、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 。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

10、。 1 。 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 N2 CH 3 OH 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。 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

11、, 为防 止淬火时的磕碰和淬火畸 变, 选用 Un icase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。 连续式网带炉生产线的热处理工艺: 上料 洗 加热 淬火 清洗 回火 着色 清 下线, 可实 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

12、 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 3 增大 。 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。 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

13、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 A c3以上; 碳素钢在 A c3以上 30 50 ! ; 合金钢在 A c3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 10 mm, 油淬时 的直径为 20 39 mm 。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。 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 A c3以下 1

14、00 ! 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 . 汽车的节能化、 轻量化发展, 对发动机和

15、动力系 统的设计提出了更高的要求, 它不单单是所用的紧 3 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 . 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 M 30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

16、的一个 环节 2 。 例如某螺栓厂在承接美国 PAC Car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 40C r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 42C r oA 钢生 M 产后, 加强工艺控制, 生产出合格产品。 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

17、切关系。 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。 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 620M P a, 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 4 氢, 而驱氢越不容易 。 一般认为, 当强度 达到 1 050 MP a 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

18、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 000MP a 。 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 100MP a 左右, 这是因为等温淬火生成的下贝氏

19、体 组织对氢脆的敏感性比回火马氏体低。 汽车紧固 件调 质热 处理是 在高 温下 进行 的, 为了减少热处理 过程 中材料 表面的 氧化, 常 常在 加热炉中加入保护气氛。如果保护 气氛中含有氢 化物, 就有可能在热处 理过程中吸氢, 增加紧固件 氢脆风险。 另外, 热处理工艺与电镀后的驱氢效果密切相 关, 淬火 形成的 残余 应力 对氢 脆影响 明显。残余 ( 拉 应 力消除得 越充分, 电镀后 驱氢的效 果就越 好, 氢脆断裂的阈值也就越高, 这种情况在高强度螺 栓的生产中表现的最明显。 IS0 9581把消除残余应 力作为减小氢脆风险的重要措施之一。 为防止产生氢脆, 1 000 1 3

20、00 MP a高强度紧 固件必须在电镀后驱氢。驱氢时将电镀后的紧固件 加热到一定温度并保持 一段时间, 使材料中的氢聚 集形成氢分子而逸出。驱 氢不彻底主要 有 2个原 因, 一是没有及时驱氢, 二是驱氢时间过短。 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 S . WRCH 35K, ML 35 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

21、。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。汽车紧固件 如 8 8级螺栓, 分别检查在淬火后和回火后的头部 . 或尾部的硬度, 对螺栓的心部铁素体一直未作要求, 致使螺栓在装配时被拉长或拉断。某发动机涨紧轮 的紧固螺栓, 材料为 ML35 强度等级 8 8 在装配时 , . , 常常被拉长, 对失效的螺栓分析发现, 螺栓心部含有 大量的铁素体。对此类有较

22、高装配扭矩要 求的螺 栓, 在热处理过程中, 不仅控制淬火和回火的硬度, 同时将其心部铁素体控制在 3级以内, 杜绝了在装 配时被拉长或拉断。 保证载荷试验方法是将螺栓在万能试验机上做 拉力试验, 施加标准中规定的保证载荷并持续 15 s , 测量螺栓施加保证载荷后引起的绝对伸长量。在美 国 SAE J 429中, 明确规定 8级 ( 相当 于国标 10 9 . 级 以上, 在汽车行业使用的高强 度螺栓必须进行 保载试验, 绝对伸长量控制在 12 7 m 以内。由于 . 绝对伸长量很细微, 表面细微的毛刺、 尖粒均会对测 量值有影响, 况且安装夹具也会带来一定的测量偏 差。 SAE J 429

23、明确规定, 第 1 次误差超标, 还可以 进行第 2次测试。如果第 2 次结果不合格, 可以判 断螺栓不符合要求; 如果第 2次结果合格, 可以判断 螺栓符合标准要求。 调质紧 固 件 心 部 组 织 的 测定, 可 参 考 GB /T 13320# 2007?钢质模锻件金相组织评级图及评定方 法 %。检验 结 果表 明, 对 于 S WRCH 35K 钢 制造 的 8 8 . 级螺栓, 心部铁素体组织的 体积分数应在 12 % 以内, 硬度 HRC 值最低为 27 对于 SCM 435钢制造 ; 的 10 9级螺栓, 心部铁素体组织的体积分数应控制 . 在 5 以内, 硬度 HRC 值最低为

24、 34. 5 % 。中碳合金钢 主要用来制造 9. 8 10 9 12 9级高强度螺栓, 对于 , . , . 螺栓淬火后心部铁素体的测定: 对无疲劳寿命要求 的 9 8 10 9级的发动机支架紧固螺栓, 心部铁素体 . , . 1 3级合格; 对有摩擦因数要求的 9 8 10. 9级发 . , 动机连杆螺栓, 心部铁素体 1 2级合格, 对于 12 9 . 级螺栓, 心部铁素体 1级合格。 第 2期 张先鸣: 汽车紧固 件热处理工艺技术及其发展 9? 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