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热处理工艺的控制

  2025-11-17 阅读:6

 

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综合力学性能的回火索氏体、回火托氏体组织,其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。

如果45和40Cr钢都完全淬透并回火至同一硬度的话,那么它们的强度、塑性和韧性等都大致相同,但是如果不完全淬透的话,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、断面收缩率和冲击韧度等都要低些,其降低程度随淬透程度的减少而增大。

同一材质的产成品,当截面大小不同时,淬透程度也不同,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性能必然存在差异。

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Ac3以上,碳素钢在Ac3以上(30~50)℃;合金钢在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,从而引起淬裂,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以防止淬裂。

有些合金钢含第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.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,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。

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 ,硬度值>31HRC的高强度材料。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/T5267.1《紧固件电镀层》规定,当心部或表面硬度值>320HV时,应通过实验对氢脆进行检验,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1000 MPa。

金相组织对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。

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表面氧化的生成,常常在加热炉中加入保护气氛。如果保护气氛中含有氢化合物,就有可能在热处理过程中吸氢,增加紧固件氢脆风险。

另外,热处理对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。

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。驱氢不彻底主要有两个的原因,一是没有及时驱氢,二是驱氢时间过短。

3.加强紧固件心部组织的测定

汽车紧固件在进行调质过程中,淬火加热温度、材料淬透性、淬火冷却速度等因素的影响,会在紧固件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。(标准查询上华人螺丝标准查询栏目)

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。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,才能杜绝在装配时被拉长或拉断。

调质紧固件心部组织的测定,可参考GB/T13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》国家标准。检验结果表明,对于SWRCH35K钢制造的8.8级螺栓,心部铁素体组织的体积分数应在12% 左右、控制在3级以内,硬度值最低为27HRC;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,硬度值最低为34.5HRC。

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35CrMoV、 ML42CrMo钢制造的12.9级螺栓,心部铁素体1级合格。

 

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