高溫高強度緊固件的熱處理

   時間:2014-03-11 12:46:17
高溫高強度緊固件的熱處理簡介
    高溫用緊固件對其製造材料有較高要求。這是因為緊固件成形后,還需經過熱處理和表面處理,以達到特定的力學性能,故要求材料必須有較好的淬透性,回火穩……
高溫高強度緊固件的熱處理正文
  

 高溫用緊固件對其製造材料有較高要求。這是因為緊固件成形后,還需經過熱處理和表面處理,以達到特定的力學性能,故要求材料必須有較好的淬透性,回火穩定性和良好的綜合力學性能;緊固件工作期間承受各種應力,為保持構件穩定,要求緊固件具有足夠的衝擊韌性、較低的缺口敏感性、良好的抗蠕變性能以及耐蝕、抗高溫和良好的抗延遲破壞性。

根據美國ASTM A193/A193M《高溫下的合金鋼和不鏽鋼螺栓材料》標準,生產適用於高溫環境下使用的壓力容器、閥、法蘭和配件上的緊固件。現簡單介紹B7高溫高強度緊固件的熱處理。

1. B7級鋼成分和力學性能

B7、B7M採用鉻鉬合金鋼,選用美國牌號AISI 4140、4142和4145,相當於國內的42CrMo鋼。其化學成分見表1。根據標準要求,對B7、B7M螺栓聯接件應在液體介質中淬火后回火,對B7M級最後的回火溫度最低不少於620℃,在螺紋輾制後進行。

2.生產工藝及試驗條件

2.1生產工藝

螺栓工藝流程:下料——機加工——滾絲——調質——表面處理——探傷。下料前直接拉拔至成品絲,頭標採用沖床完成,滾絲採用國產滾絲機,滾絲模為國產的Cr12MoV,硬度為61~62HRC。螺母工藝流程:下料——熱鍛——機加工——調質——攻絲——表面處理——探傷。機加工時內孔車至小徑d0-0.05,調質后內孔會漲大,車內孔時小徑d控制在0-0.15,產品要倒角。調質熱處理在JN—660—QF連續式網帶爐中進行。

2.2試驗條件

根據實際使用要求和試驗要求,試製的螺栓有3/4—20×4 1/2,1/2—13×31/2,螺母有3/4,1"。拉伸試驗採用實物螺栓和標準拉伸試樣,標準試樣是2英寸長,保證載荷試驗均採用實物螺母,按GB/T3098.1、GB/T3098.2進行。

3.試驗結果與分析

3.1熱處理工藝及組織與強度

調質淬火要獲得馬氏體或馬氏體十貝氏體淬火組織,高溫回火后變成再結晶鐵素體和均勻分佈的碳化物組織(回火索氏體)。高溫回火后鋼的力學性能基本上取決於鐵素體的狀態以及碳化物相的本質、數量和分散度,加入的合金元素都能提高高溫回火鋼的硬度和強度,但會降低塑性。形成碳化物的合金元素,能使碳化物質點高度分散,阻礙碳化物聚集,從而能有效地提高強度,特別是屈服強度。

細分B7鋼化學成分,鉻、錳提高強度的原因是既能增加鐵素體的分散度,又能強化鐵素體;硅溶入鐵素體起強化作用,同時又阻礙碳的擴散,使碳化物不易聚集;鉬是強碳化物形成元素,能減緩碳的擴散,即使碳化物難以溶解,又使碳化物不易聚集,同時使α固溶體的馬氏體形態保持到更高的回火溫度,從而能提高α固溶體的再結晶溫度,使鋼具有更高的回火穩定性。

 據此,將試製螺栓的淬火溫度確定在870℃~880℃,回火溫度確定在630℃~650℃以保證獲得870MPa以上的強度,以及較高的韌度和塑性。不同熱處理工藝狀態下的力學性能見表3。標準中B7、B7M規定硬度要求,只有上限沒有下限,主要是在保證強度的前提下,確保塑性指標。

熱處理在JN—660—QF網帶爐進行,時間、碳勢和溫度等參數可在PLC系統的程序內設定並執行,工藝程序均可在電腦屏幕上顯示並具有故障自診斷功能,時間由變頻器控制,碳勢由PVH碳控儀控制,信號由反應靈敏的氧探頭傳遞及轉換。保護氣氛用甲醇和甲苯,其中甲醇為稀釋劑,甲苯為富化氣。淬火加熱時,碳勢設定0.42%~0.45%,熱處理工藝參數見表4。

3.2螺栓的抗拉強度及工藝影響

通常,高強度螺栓的滾絲是在熱處理後進行,使螺紋獲得滾絲壓應力,以提高螺栓的強度,特別是疲勞強度。但對滾絲模要求較高;而熱處理前滾絲因螺栓硬度較低,滾絲容易實現。表5給出了美製3/4螺栓熱處理后的硬度和熱處理前、后滾絲的抗拉強度。可以看出,熱處理前滾絲的螺栓其抗拉強度低於熱處理后滾絲的螺栓,這是由於在隨後的熱處理過程中,螺紋處的滾絲壓應力消除及螺紡處減碳等因素影響所致。

達克羅塗層具有高耐蝕性、高耐熱性、高耐候性、無氫脆與環保等優點,是高強度緊固件表面處理首選取。通常其耐鹽霧腐蝕性能高達500小時以上,因達克羅成膜溫度為300℃左右,塗層在高溫下不易被破壞,表現出優異的高溫防腐性能。試驗結果表明,螺栓表面經「達克羅」處理后,抗拉強度並無明顯變化。見表5。

3.3螺母的保證載荷試驗

保證載荷試驗是判斷螺母的保證應力是否合格,載入保證一定時間后的抗變形能力。按國家標準規定,沿螺母軸線方向施加保證載荷,保持15S后,螺母應能承受該載荷而不得脫扣或斷裂。試驗表明,本文工藝條件下B7、B7M螺母均能滿足要求。

4.結語

(1)增加硬度(不大於35HRC)能顯著提高螺栓的抗拉強度,但螺栓系多缺口零件,應力集中較大,應力集中的不利影響大於增加硬度而提高螺栓疲勞強度的有利效果,所以在保證強度的前提下,應確保塑性指標。

(2)B7、B7M螺栓類緊固件熱處理宜選擇870~880℃淬火,640~650℃回火,螺栓宜選擇27~30HRC硬度,螺母則選擇25~28HRC硬度範圍。

(3)螺栓熱處理后滾絲與熱處理前滾絲比較,前者抗拉強度值較高,缺口敏感性較低。

(4)高溫回火時,有回火脆性發展特殊碳化物析出的傾向,出爐時應快速冷卻。長時間高溫回火會引起晶粒和碳化物相的粗化,增加鋼的脆性、降低韌性。

 

 

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