紧固件的热处理工艺设计

1、设计性综合实验论文题目： 紧固件的热处理工艺设计 院 （系）： 专 业： 学 生： 学 号： 指导教师： 2012年11月西安工业大学综合实验论文紧固件的热处理工艺设计摘 要紧固件在市场上也称为标准件，是将两个或两个以上的零件（或构件）紧固连接成为一见整体时所采用的一类机械零件的总称。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、通用化的种度也极高。紧固件主要包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫片、销，作为结构材料使用，它的性能在很高的层面上决定了产品的质量，因此其性能的提升具

2、有重要的意义。本论文主要研究的是紧固件螺栓的热处理工艺。结果表明：无论紧固件的组织性能还是力学性能都与热处理工艺有很大关系，紧固件性能的关键在于热处理工艺，热处理对紧固件的影响很大。通过热处理可以使紧固件获得良好的综合性能。关键词：紧固件，螺栓，热处理 目录第一章 前 言11.1紧固件的研究现状11.2课题内容概述21.2.1 课题的研究目的和意义21.2.2 本课题研究的内容概述2第二章 试验方案及方法32.1原材料的选择32.1.1 概述32.1.2 螺栓联接的特点32.1.3 螺栓受载及主要损坏形式32.1.4 螺栓材料的性能要求42.1.5所设计螺栓的规格和用途42.1.6 材料的选用

3、42.1.7螺栓的制作工艺流程62.2 加热设备的选择62.2.1 热处理设备概论62.2.2 加热炉的选择62.3 预备热处理的设计72.3.1正火温度的设计72.3.2加热时间72.4 最终热处理工艺的制定72.4.1淬火工艺72.4.2 回火工艺82.5 试样性能测定和拍摄金相显微组织9第三章 结果与分析103.1 硬度测试结果103.2 金相显微组织分析10第四章 结论13参考文献14第一章 前 言 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

4、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。随着我国2001年加入WTO并步入国际贸易大国的行列。我国紧固件产品大量出口到世界各国、世界各国的紧固件产品也不断涌入中国市场。紧固件作为我国进出口量较大的产品之一，实现与国际接轨，对推动中国紧固件企业走向世界，促进紧固件企业全面参与国际合作与竞争，都具用重要的显示意义和战略意义。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

5、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

6、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。螺栓的性能由材料决定，而材料的性能提升与热处理工艺息息相关，因此研究热处理工艺是必不可少的。1.1紧固件的研究现状随着我国制造业发展，紧固件产业作为制造业生产链上不可或缺的基础件。整体来看，我国紧固件生产专用设备与先进工业国的专用设备相比，无论是设备的制造精度，结构的先进程度，工艺的适用范围，构建的材质选择，制造和更新速度，计算机的应用等方面人有相当大的差距，高强度紧固件不仅要满足产品的力学性能，而且要满足装配的工艺要求，对生产装配过程中严格控制扭矩，螺栓严格控制摩擦系数保证轴向力这方面的研究还相当薄弱

7、，任重而道远。1.2课题内容概述1.2.1 课题的研究目的和意义本课题主要研究紧固件螺栓热处理工艺的的设计，即为了达到工件所要求的性能，而采取正确的热处理工艺。同一种材料，经过不同的热处理工艺可以获得不同的性能和组织，且性能上会有较大的差别。本课题的目的在于了解各种热处理工艺的优缺点，最终根据材料确定一个最适合的热处理工艺。在了解热处理工艺的作用的前提下，利用其使原材料性能得到显著提升。这对于我国紧固件的改进有重要意义，在现代工业中的应用前景也是很明朗的。1.2.2 本课题研究的内容概述该课题主要内容是用直径为10mm,长15mm的棒状45钢试样，进行热处理，然后打磨试样，观察金相组织。并结合

8、硬度实验来获取45钢达到机械性能，物理性能，工艺性能等，从而得到最适宜的热处理工艺的目的。本文研究内容主要包括以下几个部分：（1）原材料的选择，主要是根据螺栓的性能要求选择合适的原材料。（2）观察原材料的组织，磨制金相，分析材料组织。（3）预备热处理工艺，磨制金相，分析材料组织。（4）最终热处理工艺。主要从原材料的性能和相图出发确定热处理方法。（5）检验试样的性能，测试样的硬度。（6）观察热处理后的组织，磨制金相，分析组织结构。第二章 试验方案及方法2.1原材料的选择 本试验主要研究紧固件的热处理工艺，但因为紧固件种类繁多，因此选择最常用的螺栓作为研究对象。2.1.1 概述选用联接件和联接件的

9、材料是一项非常重要的工作，因为大多数机器的损坏，毛病都是出现在联接的地方，尤其是某些场合中，联接件往往起着非常重要的作用，如果联接件在机器运转中一旦遭到破坏，就会造成不堪设想的严重事故。所以对与设计和选用联接件（包括材料）既要经济，同时又要按照工作条件的要求，具有足够的强度、刚度及紧密性，不可忽视。2.1.2 螺栓联接的特点螺栓联接的特点是螺栓贯穿两个或两个以上被联接件的通孔，在其另一端拧上螺钉、母；这种联接由于无需在被联接件上切制螺纹，构造简单，装拆方便，而且他的使用不受被联接材料的限制，所以应用最广。按加工的不同，螺栓可分为粗制和精制两种；精制的用于重要的、装配精度高的、以及承受较大冲击，

10、震动或变载荷的地方。按头部形状及用途的不同，又可分为：六角头螺栓、方头螺栓、沉头螺栓、半圆头螺栓、T型槽用螺栓、铰链用活节螺栓和地脚螺栓等多种形式，其中以六角头螺栓应用最为广泛。2.1.3 螺栓受载及主要损坏形式螺栓是螺纹紧固件中主要的受力零件，它在工作过程中受载情况和主要损坏形式，主要有以下三种类型：（1）受拉螺栓连接：这类螺栓在工作，中主要承受拉伸力（间或有弯曲应力），同时由于其形状上的特点（存在螺纹），零件内部往往存在应力集中倾向；故其损坏形式，在静载荷下多为螺纹部分的塑性变形和断裂，在变载荷作用下则多为螺杆部分的疲劳断裂（主要发生在有应力集中处的螺纹部分），如果螺纹精度低或联接经常装拆

11、，则螺纹牙的滑扣现象也用可能发生。（2）受剪螺栓联接：这类螺栓在工作中主要承受剪切应力，并与被联接件孔壁互压，此外栓杆还承受一定的弯曲应力（但在个结合面切紧情况下可不考虑），联接的可能损坏形式有：螺栓被剪断，栓杆和孔壁中弱者被压溃，如螺栓兼做销轴并与孔壁相对滑动，则为弱者被磨损。（3）受拉、受剪螺栓联接：这种联接大多都是拧紧的，在拉伸力和剪切复合力的作用下，其可能发生的损坏形式是：螺栓在抗剪面处断裂，螺纹部分断裂以及栓杆和孔壁中的弱者被压溃。2.1.4 螺栓材料的性能要求综上所述，因此，对于普通标准螺栓来说，它对材料的性能要求是：（1）应该有足够强的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度以及适当的硬度，

12、以保证其在正常工作条件下。不致遭到破坏。（2）应该有良好的塑性和可切削加工性，以便于进行冷镦和切削加工。 对于重要的高强度螺栓，则要求材料应具有较高的抗拉强度、韧性和良好的淬透性、低的缺口敏感度以及较高的抗弯强度和疲劳强度，以免产生松弛现象和过早失效。对于高温螺纹紧固件，要求材料具有高的抗松弛型、足够的强度、低的缺口敏感度，一定的高温持久强度，小的蠕变脆化倾向和良好的抗氧化性。对于低温紧固件，当工作温度低于某一临界值时，材料本身的韧性便会急剧下降，极易产生脆断；所以，要求材料应有较好的低温脆性。对于在腐蚀介质中工作的螺纹紧固件，则要求材料应有良好的耐腐蚀性。2.1.5所设计螺栓的规格和用途所设

13、计主要是用于机械设备联接的普通六角螺栓（由六角头部和螺杆两部分组成的螺栓，需配合螺母使用），尺寸为M12×45 mm ,所要求硬度范围为2228HRC.2.1.6 材料的选用根据材料的性能要求选择合适的材料，现在制造螺栓常用的原材料主要有35钢、45钢、40Cr等。分别对它们进行分析：35钢：（1）化学成分：含碳量C%=0.320.40%，含硅量Si%=i0.170.37%，含锰量Mn%=0.500.80%，含磷量P%0.040%，含硫量S%0.04%。（2）主要特征：含碳量较高，已不适于渗碳，钢的硬度、强度均较高，且有较好的塑性，切削性好，焊接性中等，淬透性仍低，一般在正火或调质状

14、态下使用；机械性能要求不高时也可以在热轧供应状态下使用。（3）用途：用作截面较小，受力较大的机械零件，如：螺钉、丝杆、拉杆、齿轮等，以及在自动机床上加工的紧固件，但不用作焊接件。（4）机械性能：抗拉强度b=540N/mm²，屈服极限s=320N/mm²，弯曲疲劳极限-1=220300N/mm²，抗压疲劳极限-1I=170220N/mm²。45钢：（1）化学成分：含碳量C%=0.420.50%，含硅量Si%=i0.170.37%，含锰量Mn%=0.500.80%，含磷量P%0.040%，含硫量S%0.04%。（2）主要特征：45钢是应用最广的一种钢，为高强

15、度中碳钢。其特点是强度较高，塑性及韧性尚好，切削性优良，经调质处理后能获得较好的综合力学性能，无回火脆性；但焊接性能不还，淬透性较低，水淬是且有裂纹形成倾向。当直径较大时（6080mm），调质状态和正火状态的机械性能相近，因此，大截面零件常以正火作为最终热处理。（3）用途：一般在正火或调质，或高频表面淬火状态下使用，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件以及对心部强度要求不高的表面淬火件。一般不做焊接件，如需焊接，则焊接前需进行预热，焊后要进行消除焊接应力退火处理。（4）机械性能：抗拉强度b=610N/mm²，屈服极限s=360N/mm²，弯曲疲劳极限-

16、1=250340N/mm²，抗压疲劳极限-1I=190250N/mm²。40Cr：（1）化学成分：含碳量C%=0.320.44%，含硅量Si%=0.170.37%，含铬量Cr%=0.801.10%。（2）用途：一种最常用的合金调质结构钢，用于制造承受中等负荷和中等速度工作条件下的机械零件，如汽车的转向节、后半轴及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等，也可经调质并高频表面淬火后用于制作具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆螺钉、进气阀等。也可经淬火，中温或低温回火，制造承受重负荷的零件，又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传

17、动零件，如直径较大和要求低温韧性好的齿轮和轴。（3）机械性能：抗拉强度b=7501000N/mm²，屈服极限s=650900 N/mm²；疲劳极限：弯曲-1=320440N/mm²，抗压-1I=240340N/mm²。综合比较，最终选择45钢，因为45钢是工业生产中应用最广的一种钢，为高强度中碳钢。强度较高，塑性及韧性尚好，切削性优良，经调质处理后能获得较好的综合力学性能，无回火脆性。它的使用性能可以满足产品零件工作条件的要求，工艺性能适应产品零件的加工要求，且从经济角度考虑，45钢的成本较40Cr低。因此最终选择45钢作为原材料。2.1.7螺栓的制作工

18、艺流程 毛坯-预备热处理-酸洗-抽线-成型-辗牙-最终热处理2.2 加热设备的选择2.2.1 热处理设备概论在机械制造过程中热处理占重要地位，它对保证产品质量，提高机器工作效能和延长机器使用寿命都起着重要的作用，任何一种热处理工艺，只有通过相应的设备才能实现。目前，热处理设备的种类已十分繁多，根据它们在热处理生产过程中所完成的任务，通常将热处理设备分为主要设备和辅助设备两大类。威力增加产量、提高质量和改善劳动条件，推行流水生产和自动化生产，又组合成了许多综合热处理设备热处理联合机。主要设备是完成主要热处理工序所用的设备，包括加热设备和冷却设备。这类设备对热处理效果和产品质量起到决定性的作用，两

19、者之间又以加热设备为主要，包括各种热处理炉和加热设备。辅助设备是完成各种辅助工序及主要工序中的辅助动作所用的设备及各种工夹具。主要包括清洗设备、校正设备、起重运输设备、控制气氛设备及各种工夹具等。热处理炉是最主要的热处理设备。为了便于选择使用和分析比较，常依一下几种特征进行分类：（1）按热能来源分类：电阻炉、燃烧炉。（2）按工作温度分类：低温炉（650）、中温炉（6501000）、高温炉（>1000）。（3）按炉膛介质分类：自然介质炉、浴炉、可控气氛炉、真空炉。（4）按作业规程分类：周期作业炉、连续作业炉。2.2.2 加热炉的选择热处理电阻炉的基本工作原理，是电流通过电热元件是由于电流的

20、热效应而产生热能，借辐射或对流作用，将热量传至加热工件表面，使工件加热。热处理电阻炉又可分为箱式电阻炉和井式电阻炉。热处理燃烧炉的基本工作原理：是通过燃料在燃烧室燃烧后，进入炉膛内，借辐射、对流或传导的作用加热工件。热处理燃烧炉可分为：固体燃烧炉、液体燃烧炉和气体燃烧炉。热处理电阻炉与燃料炉相比，具有结构简单、体积小、操作方便、炉温分布均匀以及温度控制准确等特点，在热处理生产上得到了十分广泛的应用。因此选用电阻炉，又因为加热小型零件，所以最终选用中温箱式电阻炉作为此次的热处理设备。2.3 预备热处理的设计为了便于原材料的切削加工，为下续热处理提供适宜的组织状态，选择正火作为预备热处理。正火是将

21、钢材或钢件加热到Ac3（或Accm）以上适当温度，保温适当时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。2.3.1 正火温度的设计45钢为亚共析钢，正火温度应该为Ac3+（3050），查热处理手册将正火温度选为850。2.3.2 加热时间正火加热保温时间和完全退火相同，碳素钢为 1.51.8min/mm，试样直径为 10mm，选保温时间为16分钟。2.4 最终热处理工艺的制定 螺栓在服役时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，故具体的热处理工艺是调质热处理工艺（

22、淬火+高温回火）。2.4.1淬火工艺（1）淬火温度：45钢为亚共析钢，淬火温度应该为Ac3+（3050），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。根据相关文献查找选择淬火温度为840。（2）淬火加热时间：碳素钢在电阻炉中保温时间计算公式为：直径<50mm,保温时间为1.01.2min/mm , 根据试样直径为10 毫米，选定45钢保温时间为 11分钟。（3）淬火介质：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。根据C

23、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（300200）时冷却速度则尽可能小些。各种冷却介质的特性见表所示。冷却介质在下列温度范围内的冷却速度（/秒）65055030020018的水60027050的水10027010NaCl水溶液（18）110030010NaoH水溶液（18）1200300蒸馏水（50）250200硝酸盐（200）35010菜籽油（50）20035矿务机油（50）15030各种油虽然在300200范围内冷却速度比较慢，淬火内应力小，变形小，不易淬裂，但在650550范围内冷却能力却不够大，加之45钢淬

24、透性差，所以最终选择水作为淬火介质。（4）淬火方式：单液淬火2.4.2 回火工艺在生产中实际采用的回火有3种：低温回火（150250），得到回火马氏体组织，工件硬度高，耐磨性好，疲劳抗力大。多用于刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承、精密偶件以及超高强度钢构件。中温回火（350500），得到回火屈氏体组织，屈强比（s/b）高，弹性好。多用于各种弹簧的热处理。高温回火（500650），得到回火索氏体组织。钢在这个温度回火后，可得到强度、韧性、塑性配合都较好的综合机械性能。多用于轴类、连杆、连接件等。调质处理即为淬火加高温回火。45钢是应用最广的一种钢，为高强度中碳钢。其特点是强度较高，塑性及韧性尚好，

25、切削性优良，经调质处理后能获得较好的综合力学性能，无回火脆性。所以进行高温回火。（1）回火温度：经查找热处理工艺参数对比，最终选择回火温度 560。（2）回火时间：对于电阻炉，t=（22.5）×D+(1020)min，(其中D为工件有效厚度，单位mm)，所以将保温时间选为40min .（3）冷却方式：因为不用担心工件开裂，和第二类回火脆，所以选择水冷。2.5 试样性能测定和拍摄金相显微组织 分别在选定原材料后、正火后、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

26、太长与太短，以免造成金相组织不清晰。第三章 结果与分析3.1 硬度测试结果 45钢原始材料硬度（HRC）为：17.8、17.4、18.3、18.5,其平均硬度值为：HRC18.045钢正火后硬度（HRC）为：17.5、17.0、18.3、17.9,其平均硬度值为：HRC17.745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：24.8、23.3、24.5、25.8、26.0,其平均硬度值为：HRC24.93.2 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 倍

27、数：50045钢的常温金相显微组织如上图所示，腐蚀液为4%硝酸酒精，组织为铁素体+珠光体，白色块状物为铁素体，黑色的层片状组织为珠光体。分析：45钢试样的市场供应状态为热轧状态，就相当于45钢的正火处理。由于腐蚀时间过长，所以组织不清晰，再加上切试样时温度很高的影响，所以跟理想组织有偏差。图 3.2.2 45钢正火后金相显微组织 倍数：50045钢正火后金相显微组织如上图所示，腐蚀液为4%硝酸酒精，组织为铁素体+珠光体，白色块状物为铁素体，黑色的层片状组织为珠光体。图 3.2.3 45钢淬火后金相显微组织 倍数：50045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

28、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。分析：由于照组织时光线调的过亮，所以看起来有点不真切，以后要注意！图 3.2.4 45钢回火后金相显微组织 倍数：50045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。分析：由于淬火时水淬冷速大，没有注意试样的垂直放入，加之回火时没有等电阻炉冷到室温就将试样放炉中进行回火，使应力释放过快，回火时采用了水淬而最终在回火时出现裂纹。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