汽车紧固件热处理工艺技术及其发展

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汽车紧固件热处理工艺技术及其发展
张先鸣
（上海申光高强度螺栓有限公司，上海 201309）
摘要：介绍汽车紧固件热处理装备的发展过程及常用装备的优缺点，针对高强度紧固件的要求，指出热处理装备存在的问题是不能测定淬火介质冷却性能，碳势控制不稳定，炉温校验周期过长等。说明汽车紧固件热处理工艺的制定原则，指出热处理装备水平、原材料、炉温、炉内气氛、淬火介质是制定汽车紧固件热处理工艺的关键因素；原材料的化学成分是确定淬火温度的主要因素。随着强度的提高，在热处理过程中要进行驱氢处理，并对高强度紧固件的心部铁素体含量进行测定；汽车紧固件生产企业要注重热处理装备的更新、免退火冷镦钢和非调质钢的使用及热处理工艺制度的完善。
关键词：汽车紧固件  高强度紧固件  热处理  调质处理  驱氢  冷镦
中图分类号TG162 7
   
    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。