高温高强度紧固件的热处理

 高温用紧固件对其制造材料有较高要求。这是因为紧固件成形后,还需经过热处理和表面处理,以达到特定的力学性能,故要求材料必须有较好的淬透性,回火稳定性和良好的综合力学性能;紧固件工作期间承受各种应力,为保持构件稳定,要求紧固件具有足够的冲击韧性、较低的缺口敏感性、良好的抗蠕变性能以及耐蚀、抗高温和良好的抗延迟破坏性。

  根据美国ASTM A193/A193M《高温下的合金钢和不锈钢螺栓材料》标准,生产适用于高温环境下使用的压力容器、阀、法兰和配件上的紧固件。现简单介绍B7高温高强度紧固件的热处理。

  1. B7级钢成分和力学性能

  B7、B7M采用铬钼合金钢,选用美国牌号AISI 4140、4142和4145,相当于国内的42CrMo钢。其化学成分见表1。根据标准要求,对B7、B7M螺栓联接件应在液体介质中淬火后回火,对B7M级最后的回火温度最低不少于620℃,在螺纹辗制后进行。

  2.生产工艺及试验条件

  2.1生产工艺

  螺栓工艺流程:下料——机加工——滚丝——调质——表面处理——探伤。下料前直接拉拔至成品丝,头标采用冲床完成,滚丝采用国产滚丝机,滚丝模为国产的Cr12MoV,硬度为61~62HRC。螺母工艺流程:下料——热锻——机加工——调质——攻丝——表面处理——探伤。机加工时内孔车至小径d0-0.05,调质后内孔会涨大,车内孔时小径d控制在0-0.15,产品要倒角。调质热处理在JN—660—QF连续式网带炉中进行。

  2.2试验条件

  根据实际使用要求和试验要求,试制的螺栓有3/4—20×4 1/2,1/2—13×31/2,螺母有3/4,1"。拉伸试验采用实物螺栓和标准拉伸试样,标准试样是2英寸长,保证载荷试验均采用实物螺母,按GB/T3098.1、GB/T3098.2进行。

  3.试验结果与分析

  3.1热处理工艺及组织与强度

  调质淬火要获得马氏体或马氏体十贝氏体淬火组织,高温回火后变成再结晶铁素体和均匀分布的碳化物组织(回火索氏体)。高温回火后钢的力学性能基本上取决于铁素体的状态以及碳化物相的本质、数量和分散度,加入的合金元素都能提高高温回火钢的硬度和强度,但会降低塑性。形成碳化物的合金元素,能使碳化物质点高度分散,阻碍碳化物聚集,从而能有效地提高强度,特别是屈服强度。

  细分B7钢化学成分,铬、锰提高强度的原因是既能增加铁素体的分散度,又能强化铁素体;硅溶入铁素体起强化作用,同时又阻碍碳的扩散,使碳化物不易聚集;钼是强碳化物形成元素,能减缓碳的扩散,即使碳化物难以溶解,又使碳化物不易聚集,同时使α固溶体的马氏体形态保持到更高的回火温度,从而能提高α固溶体的再结晶温度,使钢具有更高的回火稳定性。

 据此,将试制螺栓的淬火温度确定在870℃~880℃,回火温度确定在630℃~650℃以保证获得870MPa以上的强度,以及较高的韧度和塑性。不同热处理工艺状态下的力学性能见表3。标准中B7、B7M规定硬度要求,只有上限没有下限,主要是在保证强度的前提下,确保塑性指标。

  热处理在JN—660—QF网带炉进行,时间、碳势和温度等参数可在PLC系统的程序内设定并执行,工艺程序均可在电脑屏幕上显示并具有故障自诊断功能,时间由变频器控制,碳势由PVH碳控仪控制,信号由反应灵敏的氧探头传递及转换。保护气氛用甲醇和甲苯,其中甲醇为稀释剂,甲苯为富化气。淬火加热时,碳势设定0.42%~0.45%,热处理工艺参数见表4。

  3.2螺栓的抗拉强度及工艺影响

  通常,高强度螺栓的滚丝是在热处理后进行,使螺纹获得滚丝压应力,以提高螺栓的强度,特别是疲劳强度。但对滚丝模要求较高;而热处理前滚丝因螺栓硬度较低,滚丝容易实现。表5给出了美制3/4螺栓热处理后的硬度和热处理前、后滚丝的抗拉强度。可以看出,热处理前滚丝的螺栓其抗拉强度低于热处理后滚丝的螺栓,这是由于在随后的热处理过程中,螺纹处的滚丝压应力消除及螺纺处减碳等因素影响所致。

  达克罗涂层具有高耐蚀性、高耐热性、高耐候性、无氢脆与环保等优点,是高强度紧固件表面处理首选取。通常其耐盐雾腐蚀性能高达500小时以上,因达克罗成膜温度为300℃左右,涂层在高温下不易被破坏,表现出优异的高温防腐性能。试验结果表明,螺栓表面经“达克罗”处理后,抗拉强度并无明显变化。见表5。

  3.3螺母的保证载荷试验

  保证载荷试验是判断螺母的保证应力是否合格,加载保证一定时间后的抗变形能力。按国家标准规定,沿螺母轴线方向施加保证载荷,保持15S后,螺母应能承受该载荷而不得脱扣或断裂。试验表明,本文工艺条件下B7、B7M螺母均能满足要求。

  4.结语

  (1)增加硬度(不大于35HRC)能显著提高螺栓的抗拉强度,但螺栓系多缺口零件,应力集中较大,应力集中的不利影响大于增加硬度而提高螺栓疲劳强度的有利效果,所以在保证强度的前提下,应确保塑性指标。

  (2)B7、B7M螺栓类紧固件热处理宜选择870~880℃淬火,640~650℃回火,螺栓宜选择27~30HRC硬度,螺母则选择25~28HRC硬度范围。

  (3)螺栓热处理后滚丝与热处理前滚丝比较,前者抗拉强度值较高,缺口敏感性较低。

  (4)高温回火时,有回火脆性发展特殊碳化物析出的倾向,出炉时应快速冷却。长时间高温回火会引起晶粒和碳化物相的粗化,增加钢的脆性、降低韧性。 【MechNet】

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