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汽车紧固件热处理工艺技术及其发展

时间:2016-12-26来源:《金属制品》

我要紧固件网整理】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30~50kg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。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N2CH3OH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,为防止淬火时的磕碰和淬火畸变,选用Unicase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:上料一清洗—加热—淬火—清洗—回火—着色—下线,可实现碳势控制,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。

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/T1231要求,对M30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的一个环节。例如某螺栓厂在承接美国PACCar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40Cr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42CrMoA钢生产后,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切关系。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以上;碳素钢在 Ac3以上30~ 50℃;合金钢在益Ac3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8~10mm,油淬时的直径为20~39mm。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,可采取以下100℃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,对发动机和动力系统的设计提出了更高的要求,它不单单是所用的紧固件螺栓、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>620MPa,硬度HRC值> 31的高强度材料中。抗拉强度越高,对氢脆越敏感,材料越容易吸氢,而驱氢越不容易。

一般认为,当强度达到1050MPa以上才会发生氢脆断裂。GB/T 52671规定,当心部或表面硬度的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1000MPa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100MPa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。

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。IS09581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,1000~1300MPa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SWRCH35K,ML35,35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。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15s测量螺栓施加保证载荷后引起的绝对伸长量。在美国SAEJ429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12.7μm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。SAEJ429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箱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SWRCH35K钢制造的8凝螺栓,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SCM435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。

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,可以直接用于冷镦成型。如马钢生产的eWRCH35K钢由于免去球化退火,既有显著节能效果,又缩短了生产周期,是节能型新材料。

紧固件用非调质钢主要是冷作硬化型非调质钢,钢中加入了微量强碳(氮)化物形成元素(V,Nb,Ti),在拉拔和冷镦过程中其强韧性能可达到或接近8.8,9.8级水平。GB/T3098 22-2009〈紧固件机械性能细晶非调质钢螺栓、螺钉和螺柱〉已发布,给非调质钢紧固件的推广和使用提供了有力的技术支持。宝钢生产的FM08MnS,iFM08MnSV和马钢生产的MFT08钢,省去了冷拔前的球化退火和成形后的淬火回火处理,减少螺纹部分的脱碳倾向,提高成品率,经济效益明显。

3.2完善热处理工艺技术文件

热处理过程是一个无法通过后续检验和试验来保证产品质量的特殊过程,因此,对于它的控制必须有合理的制度来实现。首先,对可能造成过程失效的因素加以甄别,做好热处理工艺技术的制定工作;其次,建立完善的热处理工艺管理制度,工艺文件明确清晰地标注出热处理过程的操作方法、工艺参数及检验的方法,同时应特别强调装炉方法和装炉量,解决操作的可行性和方法的正确性,对原材料材质和待处理紧固件的加热前工艺状况进行检验,保证工艺参数的合理性和处理的有效性;再者,利用统计技术对热处理过程进行分析,计算和测定热处理参数,根据过程质量的变化情况寻找热处理参数对产品质量的影响规律,然后运用热处理专业知识对热处理技术进行不断改进,保证产品质量一次交检合格率最大化。

3.3研制新的热处理装备

研发新型热处理装备,进一步改善炉温和碳势控制技术并提高炉气均匀性,减少淬火畸变量及淬火时工件的磕碰,提高淬火冷却槽的冷却效果和冷却均匀性,注意配套的前后清洗、油水分离、废热利用、节能减排等技术,在不影响产品品质的前提下,降低热处理生产成本。

4、结语

汽车紧固件生产企业要注重热处理装备的更新,选用合适的原材料,在生产中不断完善热处理工艺制度,加强驱氢处理和心部组织检测,尽快减小汽车高强度紧固件与世界级产品的差距,提高我国汽车紧固件的档次。

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