GAF2021 全球螺絲君技術(shù)大會(huì)

暨高端緊固件“智”造、應(yīng)用工程博覽會(huì)

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網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線具有生產(chǎn)效率高、設(shè)備自動(dòng)化程度高、質(zhì)量穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在碳素鋼與合金鋼小件熱處理中應(yīng)用十分廣泛，特別是緊固件熱處理時(shí)，網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線更是首選爐型。

緊固件作為最常見的通用零部件，包括螺栓、螺柱、螺釘、螺母、自攻螺釘、木螺釘、墊圏、擋圏、銷、斜釘、組合件和連接副及其他（如焊釘、螺套）等十二類，因?yàn)槠湓诠I(yè)領(lǐng)域無處不在、無處不有，而被稱為“工業(yè)之米”。

目前，雖然我國(guó)緊固件產(chǎn)量很大，但高強(qiáng)度、高性能緊固件仍需大量進(jìn)口，特別是8.8級(jí)以上螺栓、螺釘、螺柱的進(jìn)口量幾乎占了緊固件進(jìn)口總量的50%,8.8級(jí)以上螺栓、螺釘、螺柱的進(jìn)口單價(jià)更是我國(guó)同類產(chǎn)品出口單價(jià)的6倍。

由此可見，我國(guó)在高性能的高強(qiáng)度緊固件技術(shù)上與世界先進(jìn)水平相比仍有一定差距。

01

問題的提出

熱處理工序是高強(qiáng)度、高性能類緊固件的關(guān)鍵加工工序，而淬火加熱時(shí)間又是其中的關(guān)鍵參數(shù)。為合理設(shè)置好淬火加熱時(shí)間，避免由于加熱時(shí)間不足而欠熱或由于加熱時(shí)間太長(zhǎng)缺乏經(jīng)濟(jì)性甚至過熱，鋼件加熱時(shí)間通常按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算，加熱時(shí)間計(jì)算公式為：

t=a*k*D          （1）

式中t加熱時(shí)間（min）；

a加熱系數(shù)（min/mm）；

D工件有效厚度（mm）；

k----工件裝爐條件修正系數(shù)，通常取1.0?1.5。

緊固件淬火用的網(wǎng)帶爐屬于可控氣氛，高強(qiáng)度、高性能螺栓都是采用合金鋼生產(chǎn)，最常用的有鉻鋼、鉻鉬鋼等。高強(qiáng)度緊固件淬火時(shí)按這個(gè)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式時(shí)，a取1.3-1.6min/mm,k取1.0-1.5。

但是該經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法公式對(duì)指導(dǎo)緊固件熱處理時(shí)存在一定局限性，例如，GB/T70.1—2000規(guī)定M8x80螺釘在網(wǎng)帶爐平鋪一層淬火時(shí)，按式（1）加熱時(shí)間/=1.6x1.5x8min=19.2min（系數(shù)都按最大值取）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可明顯看出，該經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際不符。高性能的高強(qiáng)度緊固件在網(wǎng)帶爐上淬火時(shí)，其加熱時(shí)間的選取需要重新研究，并根據(jù)研究成果形成新的經(jīng)驗(yàn)公式。

02

淬火加熱時(shí)間測(cè)試試驗(yàn)

在符合JB/T10897—2008《網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線熱處理技術(shù)要求》規(guī)定的電熱型網(wǎng)帶淬火爐上進(jìn)行測(cè)試，淬火爐最高使用溫度950℃,有效加熱區(qū)分別是100cmx1200cmx10cm,80cmx1200cmx10cm兩種爐型，氮基可控氣氛，淬火冷卻介質(zhì)是快速淬火油。

校驗(yàn)合格的鎧裝熱電偶三根（型號(hào)為WRNK-131,φ5mmx13000mm）、校驗(yàn)合格的溫度表三塊（型號(hào)為GH402）、40角鋼（900mm和700mm各1根）、卷尺等。

由于網(wǎng)帶爐的測(cè)溫點(diǎn)都是設(shè)置在爐頂中間，測(cè)溫點(diǎn)和網(wǎng)帶之間還隔有一層輻射管。有效加熱區(qū)是100cmx1200cmx10cm和80cmx1200cmx10cm的兩種爐子上有7根熱電偶，每根熱電偶控制一個(gè)電加熱區(qū)，其中加熱1區(qū)到加熱3區(qū)屬于功率翻倍的加熱區(qū)。有效加熱區(qū)前有個(gè)預(yù)熱區(qū)，長(zhǎng)度2300mm。

緊固件的頭型、直徑、長(zhǎng)度等差別比較大，為了盡可能地模擬產(chǎn)品的加熱特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種測(cè)試方法：

一種是將熱電偶埋在工件下，隨工件一起進(jìn)爐，測(cè)量工件升溫速度、到溫時(shí)間、到溫位置等，主要是針對(duì)M24以下、生產(chǎn)時(shí)網(wǎng)帶上平鋪多層的工件；

另一種是將熱電偶端部埋在工件中，后面用工件蓋起來，測(cè)量工件升溫速度、到溫時(shí)間、到溫位置等，主要是針對(duì)M27-M56,生產(chǎn)時(shí)網(wǎng)帶上只平鋪1層的工件。

測(cè)試的3根熱電偶用角鋼定位，將網(wǎng)帶鋪料寬度均勻四等份，在熱電偶進(jìn)爐過程中，每間隔1min記錄溫度數(shù)據(jù)一次。

（1）測(cè)試分組根據(jù)緊固件的典型特點(diǎn)進(jìn)行分組，共分5組。

A組1層主要是測(cè)試工件在爐內(nèi)的升溫過程，其他各組都是以爐子的額定產(chǎn)能進(jìn)料，平鋪在淬火網(wǎng)帶上，以保證測(cè)試環(huán)境的一致性。5組測(cè)試分別按字母A?E進(jìn)行標(biāo)記。每種爐子上都測(cè)一遍，具體測(cè)試分組見表1。

表1測(cè)試試驗(yàn)分組

（2）測(cè)試數(shù)據(jù)分析緊固件在網(wǎng)帶爐內(nèi)加熱的時(shí)間包括工件從室溫到設(shè)定工藝溫度的升溫時(shí)間（t升溫）、工件表面和心部的均熱時(shí)間（t均熱1）、網(wǎng)帶不同位置上工件的均熱時(shí)間（t均熱2）以及為了完成奧氏體均勻化和碳化物溶解所需的保溫時(shí)間（t保溫）＞即

t加熱=t升溫 + t均熱1 + t均熱2 + t保溫        （2）

按照式（2）,將測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到表2。

表2分組測(cè)試時(shí)間與位置數(shù)據(jù)

從表2可以看出，從工件進(jìn)入淬火爐預(yù)熱區(qū)開始到加熱三區(qū)的范圍都是t升溫階段，基本占了全部加熱時(shí)間的60%。

t升溫階段會(huì)因?yàn)楣ぜ拇笮　㈤L(zhǎng)度和進(jìn)料厚度等因素影響而變化，長(zhǎng)徑比＜1.5:1的螺栓因?yàn)楣ぜg間隙小、層數(shù)多等原因?qū)е戮鶡釙r(shí)間明顯增加，說明進(jìn)料層數(shù)和工件之間的間隙對(duì)均熱時(shí)間影響最明顯。

t保溫階段實(shí)質(zhì)上也屬于均熱階段，因?yàn)榫o固件鋪在網(wǎng)帶爐上時(shí)，所鋪厚度是不均勻，而測(cè)試熱電偶所測(cè)數(shù)據(jù)只是一個(gè)點(diǎn)，并不能代表生產(chǎn)時(shí)網(wǎng)帶上所有工件都能準(zhǔn)時(shí)達(dá)到工藝溫度，而是需要一個(gè)保溫過程來進(jìn)一步達(dá)到均熱效果，實(shí)際時(shí)間在25min比較適宜。

網(wǎng)帶爐加熱時(shí)間計(jì)算公式通過分析測(cè)試數(shù)據(jù)，我們對(duì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法式(1)進(jìn)行完善，總結(jié)出了高性能的高強(qiáng)度緊固件淬火加熱時(shí)間經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法公式，以滿足高性能高強(qiáng)度緊固件的熱處理要求。

修改后的加熱時(shí)間計(jì)算公式為：

t=a*k*D*F+25        (3)

式中t加熱時(shí)間(min),工件進(jìn)入預(yù)熱區(qū)加熱到掉入淬火槽的時(shí)間，不包括工件在淬火爐進(jìn)料口網(wǎng)帶上的運(yùn)行時(shí)間；

a加熱系數(shù)(min/mm)；

D單個(gè)工件直徑(mm)；

F- -工件層數(shù)；

k- -工件裝爐系數(shù)。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可看出，式(3)只適用于t≥60min的情況，當(dāng)按式(3)計(jì)算出的結(jié)果≤60min時(shí)，也按60min取值。

確定各系數(shù)加熱系數(shù)a在經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法式(1)的取值范圍上進(jìn)行調(diào)整，得到表3。工件裝爐修正系數(shù)k根據(jù)緊固件的頭型、長(zhǎng)徑比等進(jìn)行調(diào)整，得到表4。

表3碳素鋼和合金鋼螺栓、螺柱、螺釘加熱系數(shù)

表4碳素鋼和合金鋼螺栓、螺柱、螺釘網(wǎng)帶爐裝爐系數(shù)

在8.8級(jí)及以上高強(qiáng)度螺栓、螺柱、螺釘熱處理中，對(duì)SWRCH35K、45鋼、20MnTiB、10B33,35VB,35CrMo,42CrMo和40Cr等常用材料的淬火加熱時(shí)間按緊固件淬火加熱經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式(3)進(jìn)行計(jì)算，在網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線上進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，取得了較好效果。

對(duì)淬火工件按JB/T9211—2008《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼馬氏體等級(jí)》進(jìn)行金相評(píng)級(jí)口，工件的馬氏體級(jí)別可以穩(wěn)定地控制在4?6級(jí)。

03

總 結(jié)

在網(wǎng)帶爐淬火時(shí)加熱時(shí)間的選取研究中所總結(jié)出的緊固件淬火加熱經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式ut=akDF+25n可以很好的指導(dǎo)生產(chǎn)，有效預(yù)防了淬火加熱時(shí)間過短而出現(xiàn)欠熱或加熱時(shí)間過長(zhǎng)而缺乏經(jīng)濟(jì)性的問題。

再同合理的加熱溫度、碳勢(shì)、淬火冷卻速度等熱處理工藝參數(shù)配合，實(shí)際生產(chǎn)中8.8級(jí)及以上高強(qiáng)度緊固件的力學(xué)性能指標(biāo)穩(wěn)定性明顯提高。

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