高強度緊固件熱處理時間的計算公式

目前，雖然國內(nèi)緊固件產(chǎn)量很大，但高強度、高性能緊固件仍需大量進口，特別是8.8級以上螺栓、螺釘、螺柱的進口量幾乎占了緊固件進口總量的50%,8.8級以上螺栓、螺釘、螺柱的進口單價更是國內(nèi)同類產(chǎn)品出口單價的6倍。

由此可見，中國在高性能的高強度緊固件技術上與世界先進水平相比仍有一定差距。

  問題的提出

熱處理工序是高強度、高性能類緊固件的關鍵加工工序，而淬火加熱時間又是其中的關鍵參數(shù)。為合理設置好淬火加熱時間，避免由于加熱時間不足而欠熱或由于加熱時間太長缺乏經(jīng)濟性甚至過熱，鋼件加熱時間通常按經(jīng)驗計算法進行計算，加熱時間計算公式為：

t=a*k*D          （1）

緊固件淬火用的網(wǎng)帶爐屬于可控氣氛，高強度、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。高強度緊固件淬火時按這個經(jīng)驗計算公式時，a取1.3-1.6min/mm,k取1.0-1.5。

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

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

淬火加熱時間測試試驗

2.1試驗設備

在符合JB/T10897—2008《網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線熱處理技術要求》規(guī)定的電熱型網(wǎng)帶淬火爐上進行測試，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。

2.2測試器材

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

2.3測試方法

由于網(wǎng)帶爐的測溫點都是設置在爐頂中間，測溫點和網(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)前有個預熱區(qū)，長度2300mm。

緊固件的頭型、直徑、長度等差別比較大，為了盡可能地模擬產(chǎn)品的加熱特點，我們設計了兩種測試方法：

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

（1）測試分組根據(jù)緊固件的典型特點進行分組，共分5組。

A組1層主要是測試工件在爐內(nèi)的升溫過程，其他各組都是以爐子的額定產(chǎn)能進料，平鋪在淬火網(wǎng)帶上，以保證測試環(huán)境的一致性。5組測試分別按字母A?E進行標記。每種爐子上都測一遍，具體測試分組見表1。

表1測試試驗分組

（2）測試數(shù)據(jù)分析緊固件在網(wǎng)帶爐內(nèi)加熱的時間包括工件從室溫到設定工藝溫度的升溫時間（t升溫）、工件表面和心部的均熱時間（t均熱1）、網(wǎng)帶不同位置上工件的均熱時間（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）,將測試所得數(shù)據(jù)進行整理，得到表2。

表2分組測試時間與位置數(shù)據(jù)

從表2可以看出，從工件進入淬火爐預熱區(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間的60%。

t升溫階段會因為工件的大小、長度和進料厚度等因素影響而變化，長徑比＜1.5:1的螺栓因為工件之間間隙小、層數(shù)多等原因?qū)е戮鶡釙r間明顯增加，說明進料層數(shù)和工件之間的間隙對均熱時間影響最明顯。

t保溫階段實質(zhì)上也屬于均熱階段，因為緊固件鋪在網(wǎng)帶爐上時，所鋪厚度是不均勻，而測試熱電偶所測數(shù)據(jù)只是一個點，并不能代表生產(chǎn)時網(wǎng)帶上所有工件都能準時達到工藝溫度，而是需要一個保溫過程來進一步達到均熱效果，實際時間在25min比較適宜。

2.4測試數(shù)據(jù)運用

網(wǎng)帶爐加熱時間計算公式通過分析測試數(shù)據(jù)，我們對經(jīng)驗計算法式(1)進行完善，總結出了高性能的高強度緊固件淬火加熱時間經(jīng)驗計算法公式，以滿足高性能高強度緊固件的熱處理要求。

修改后的加熱時間計算公式為：

t=a*k*D*F+25        (3)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可看出，式(3)只適用于t≥60min的情況，當按式(3)計算出的結果≤60min時，也按60min取值。

確定各系數(shù)加熱系數(shù)a在經(jīng)驗計算法式(1)的取值范圍上進行調(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、長徑比等進行調(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)

2.5測試數(shù)據(jù)驗證

在8.8級及以上高強度螺栓、螺柱、螺釘熱處理中，對SWRCH35K、45鋼、20MnTiB、10B33,35VB,35CrMo,42CrMo和40Cr等常用材料的淬火加熱時間按緊固件淬火加熱經(jīng)驗計算式(3)進行計算，在網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線上進行實際生產(chǎn)驗證，取得了較好效果。

對淬火工件按JB/T9211—2008《中碳鋼與中碳合金結構鋼馬氏體等級》進行金相評級口，工件的馬氏體級別可以穩(wěn)定地控制在4?6級。

總結

在網(wǎng)帶爐淬火時加熱時間的選取研究中所總結出的緊固件淬火加熱經(jīng)驗計算公式ut=akDF+25n可以很好的指導生產(chǎn)，有效預防了淬火加熱時間過短而出現(xiàn)欠熱或加熱時間過長而缺乏經(jīng)濟性的問題。

再同合理的加熱溫度、碳勢、淬火冷卻速度等熱處理工藝參數(shù)配合，實際生產(chǎn)中8.8級及以上高強度緊固件的力學性能指標穩(wěn)定性明顯提高。