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鋼材熱處理之: 緊固件的網(wǎng)帶爐滲碳熱處理

鋼材熱處理之: 緊固件的網(wǎng)帶爐滲碳熱處理 

螺紋緊固件中的自攻螺釘、自攻鎖緊螺釘不但要求具有較高強(qiáng)度、耐磨性,同時(shí)還要求心部具有足夠的韌性和塑性,不論低碳鋼或者中碳、中碳合金鋼制造,都需要通過(guò)滲碳或碳氮共滲淬火處理,以達(dá)到設(shè)計(jì)和使用的需要。


滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過(guò)程,使鋼件表面化學(xué)成份接近高碳鋼,讓低碳鋼具有高碳鋼的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度,滲碳材料一般為低碳鋼或低碳低合金鋼。


傳統(tǒng)的氣體滲碳技術(shù),其滲碳過(guò)程一般分為分解、吸附和擴(kuò)散三個(gè)階段。而目前緊固件企業(yè)使用量較多的是網(wǎng)帶爐滲碳,該設(shè)備的碳勢(shì)主要是通過(guò)爐體中后部的氧探頭來(lái)測(cè)量并控制整個(gè)爐膛的碳勢(shì)分布,其技術(shù)的不足是工件在滲碳期始終處于高碳勢(shì)狀態(tài),難以獲得良好的滲層碳濃度梯度分布。


為深入了解網(wǎng)帶爐爐內(nèi)氣氛的分布以及影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素,我們結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行研究,本文以自攻鎖緊螺釘為例,試驗(yàn)分析網(wǎng)帶爐滲碳技術(shù),研究對(duì)螺釘滲碳淬火后金相組織性能等的影響和工藝選定。


1.試驗(yàn)材料與方法


試驗(yàn)采用M6×20盤(pán)頭內(nèi)花六角頭自攻螺釘,材料為SWRCH22A,材料符合日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。產(chǎn)品技術(shù)要求:滲碳層深度0.15~0.28mm,回火后心部硬度(30±2)HRC。


試驗(yàn)用無(wú)馬弗SY-805-6三永網(wǎng)帶爐,由爐體、電熱元件、熱電偶、氧探頭、攪拌風(fēng)扇和輸送帶組成,爐體由抗?jié)B層、保溫層和爐殼組成,爐膛為貫通式結(jié)構(gòu),采用前排氣方式。時(shí)間、碳勢(shì)和溫度等參數(shù)可在PLC系統(tǒng)的程序內(nèi)設(shè)定并執(zhí)行。工藝程序均可在電腦屏幕上顯示,并具有故障自診斷功能。時(shí)間由變頻器控制,碳勢(shì)由碳控儀控制,信號(hào)由反應(yīng)靈敏的氧探頭測(cè)量,功率由三相SCR電力調(diào)整器控制,溫度信號(hào)由熱電偶測(cè)量;滲碳劑為丙烷和甲醇,其中甲醇為稀釋劑,流量為1800~2400CC/h,丙烷為富化氣,流量根據(jù)碳勢(shì)由電磁閥控制。


2.試驗(yàn)結(jié)果與分析


(1)試驗(yàn)結(jié)果

爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在880℃,設(shè)定碳勢(shì)1.2%。三永SY-805-6型網(wǎng)帶爐分為6區(qū),氧探頭安裝在4區(qū)和5區(qū),用三氣分析儀測(cè)量4區(qū)、5區(qū)和6區(qū)的碳勢(shì),4區(qū)1.18%,5區(qū)1.21%,6區(qū)1.24%。網(wǎng)帶爐內(nèi)氣氛均勻性通過(guò)攪拌風(fēng)扇控制,產(chǎn)品在3區(qū)前面時(shí)還在升溫階段,溫度低,滲碳效果差,未安裝氧探頭,爐口前段碳勢(shì)偏低,6區(qū)由于油蒸氣的分解碳勢(shì)略有上升。


(2)試驗(yàn)工藝

在網(wǎng)帶爐中滲碳或碳氮共滲,對(duì)低碳鋼SWRCH22A、ML20MnVB、ML15MnVB或中碳、中碳合金鋼,SWRCH35K、SCM435、SCR440鋼制螺釘,滲碳層應(yīng)根據(jù)螺釘規(guī)格選擇,對(duì)于合金鋼可滲碳直接淬火,而對(duì)碳素鋼應(yīng)滲碳后空冷,二次加熱淬火。試驗(yàn)工藝見(jiàn)附表。

自攻鎖緊螺釘熱處理工藝

鋼號(hào)

滲碳層深/mm

滲碳溫度/℃

淬火溫度/℃

碳勢(shì)設(shè)定(%)

時(shí)間/min

SWRCH22A

0.10~0.23

880~890

870~880

1.20

50

SWRCH22A

0.15~0.28

880~890

870~880

1.20

60

ML20MnVB

0.10~0.25

890~900

860~870

1.20

60

ML20MnVB

0.15~0.28

890~900

860~870

1.20

80

SCM435

0.15~0.28

860~870

840~850

1.20

90

自攻鎖緊鏍釘油淬火后,SWRCH22A心部硬度大于38HRC,表面硬度大于700HV0.3,當(dāng)430℃回火后心部硬度在30HRC,達(dá)到8.8級(jí)螺栓的機(jī)械性能要求;ML20MnVB油淬火后心部硬度大于40HRC,表面硬度大于700HV0.3,經(jīng)510℃回火后心部硬度在30HRC,達(dá)到8.8級(jí)螺栓的力學(xué)性能要求;SCM435油淬火后心部硬度大于45HRC,表面硬度大于750HV0.3,經(jīng)530℃回火后心部硬度達(dá)到35HRC,達(dá)到10.9級(jí)螺栓的力學(xué)性能要求。圖1、圖2為SWRCH22A滲碳淬火和回火組織。

圖1 SWRCH22A滲碳淬火組織

圖2 SWRCH22A 430℃回火組織

3.試驗(yàn)分析


無(wú)論采用何種滲碳方式,所用滲碳劑經(jīng)高溫裂解后滲碳組分應(yīng)為CO、CO2、CH4、H2,產(chǎn)生活性碳原子在工件表面吸附,并擴(kuò)散,形成一定碳濃度的滲碳層。


螺釘滲碳均為淺層滲碳,采用網(wǎng)帶式滲碳爐十分有利,工件是按照預(yù)先設(shè)定的條件進(jìn)行處理,工件連續(xù)地在裝料口裝爐,處理之后在出料口連續(xù)出爐。隨著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng),影響滲碳速度在因素也發(fā)生變化,即滲層深度的增加主要受碳在鋼中的擴(kuò)散速度所控制。


通過(guò)金相顯微觀察,工件碳化物呈小塊狀或顆粒狀彌散分布(≤2級(jí)),馬氏體為細(xì)針狀分布(≤3級(jí))。


4.工藝選定


眾所周知,影響滲碳工藝的主要因素有很多,如溫度和時(shí)間等,當(dāng)螺釘?shù)牟?/span>質(zhì)、滲碳溫度和碳勢(shì)確定后,滲碳時(shí)間將根據(jù)滲碳層深度確定,各種滲碳劑或滲碳?xì)怏w在高溫下產(chǎn)生的活性原子是不一樣的。在連續(xù)式網(wǎng)帶爐內(nèi)滲碳碳勢(shì)設(shè)定為1.0%~1.2%。而鋼中的合金元素對(duì)鋼的吸收碳的能力和碳向內(nèi)部擴(kuò)散都有很大影響。V、Cr、Ti碳化物形成元素能提高滲層表面的碳含量,在具有較高韌性、適當(dāng)?shù)拇阃感缘臈l件下,自攻鎖緊螺釘常用ML15MnVB、ML20MnVB、SCM435和SWRCH22A鋼制造。


螺釘表面的殘留的油會(huì)對(duì)爐內(nèi)氣氛產(chǎn)生影響,若不清洗干凈則直接影響爐內(nèi)氣氛和控制精度,還要注意空爐時(shí)網(wǎng)帶上是否有殘留黃色粉末,如有應(yīng)認(rèn)真對(duì)待處理螺釘?shù)那逑垂ぷ?。由于網(wǎng)帶爐不具備滲碳后空冷條件,所以應(yīng)盡量選用低合金鋼或碳素鋼滲碳直接淬火工藝。


5.氫脆性


氫脆性是自攻類(lèi)螺釘比較突出的質(zhì)量隱患。在碳氮共滲直接淬火的螺釘中,氫脆的問(wèn)題比滲碳件要突出得多。酸洗、電鍍時(shí)產(chǎn)生的氫氣及碳氮共滲時(shí)周?chē)橘|(zhì)中氫氣(一般高達(dá)60%~70%),可在鋼中溶解一部分。當(dāng)電鍍、磷化工序陰極電流效率達(dá)不到100%時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的氫原子附在螺釘表面,從而產(chǎn)生滲氫。氫的這一行為對(duì)鋼的氫脆破壞有重要影響。


自攻類(lèi)螺釘驅(qū)氫時(shí)間6~8h,由于溫度可提高氫在鋼中的擴(kuò)散系數(shù),因此150~200℃保溫可以排除氫脆,但溫度過(guò)高,例如400℃以上,氫在鋼中的溶解也增加,氫不再自動(dòng)從鋼中逸出,達(dá)不到除氫目的。驅(qū)氫溫度選擇在140~170℃(磷化)、200~240℃(電鍍),但生產(chǎn)中要根據(jù)心部硬度、表面粗糙度電鍍時(shí)間、鍍層厚度、酸洗時(shí)間、酸濃度等生產(chǎn)條件來(lái)確定驅(qū)氫時(shí)間,應(yīng)在鈍化處理前、剛剛電鍍后(4h之內(nèi))進(jìn)行。


6.結(jié)語(yǔ)


網(wǎng)帶滲碳爐適合于零件尺寸小,數(shù)量和工藝變化大的場(chǎng)合,尤其是針對(duì)緊固件行業(yè)的大批量螺釘滲碳,只有從材料、熱處理和測(cè)試等多方面不斷改進(jìn)、完善,才能生產(chǎn)出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

作者:陸柯杰

單位:浙江長(zhǎng)華汽車(chē)零部件有限公司 

來(lái)源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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