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    高強度緊固件熱處理時間,如何定義?

    網帶爐生產線具有生產效率高、設備自動化程度高、質量穩定性高等優點,在碳素鋼與合金鋼小件熱處理中應用十分廣泛,特別是緊固件熱處理時,網帶爐生產線更是首選爐型。


    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,因為其在工業領域無處不在、無處不有,而被稱為“工業之米”。


    目前,雖然我國緊固件產量很大,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我國同類產品出口單價的6倍。


    由此可見,我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。


    01

    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。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濟性甚至過熱,鋼件加熱時間通常按經驗計算法進行計算,加熱時間計算公式為:

     

    t=a*k*D          1)


    • 式中t加熱時間(min);


    • a加熱系數(min/mm);


    • D工件有效厚度(mm);


    • k----工件裝爐條件修正系數,通常取1.0?1.5。


    緊固件淬火用的網帶爐屬于可控氣氛,高強度、高性能螺栓都是采用合金鋼生產,最常用的有鉻鋼、鉻鉬鋼等。高強度緊固件淬火時按這個經驗計算公式時,a1.3-1.6min/mm,k1.0-1.5。


    但是該經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規定M8x80螺釘在網帶爐平鋪一層淬火時,按式(1)加熱時間/=1.6x1.5x8min=19.2min(系數都按最大值?。?。


    根據計算結果可明顯看出,該經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帶爐上淬火時,其加熱時間的選取需要重新研究,并根據研究成果形成新的經驗公式。


    02

    淬火加熱時間測試試驗


    2.1試驗設備

    在符合JB/T10897—2008《網帶爐生產線熱處理技術要求》規定的電熱型網帶淬火爐上進行測試,淬火爐最高使用溫度950℃,有效加熱區分別是100cmx1200cmx10cm,80cmx1200cmx10cm兩種爐型,氮基可控氣氛,淬火冷卻介質是快速淬火油。


    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900mm700mm1根)、卷尺等。


    2.3測試方法

    由于網帶爐的測溫點都是設置在爐頂中間,測溫點和網帶之間還隔有一層輻射管。有效加熱區是100cmx1200cmx10cm80cmx1200cmx10cm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,其中加熱1區到加熱3區屬于功率翻倍的加熱區。有效加熱區前有個預熱區,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品的加熱特點,我們設計了兩種測試方法


    • 一種是將熱電偶埋在工件下,隨工件一起進爐,測量工件升溫速度、到溫時間、到溫位置等,主要是針對M24以下、生產時網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,測量工件升溫速度、到溫時間、到溫位置等,主要是針對M27-M56,生產時網帶上只平鋪1層的工件。


    測試的3根熱電偶用角鋼定位,將網帶鋪料寬度均勻四等份,在熱電偶進爐過程中,每間隔1min記錄溫度數據一次。



    1)測試分組根據緊固件的典型特點進行分組,共分5組。


    A1層主要是測試工件在爐內的升溫過程,其他各組都是以爐子的額定產能進料,平鋪在淬火網帶上,以保證測試環境的一致性。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)測試數據分析緊固件在網帶爐內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),將測試所得數據進行整理,得到表2。


    表2分組測試時間與位置數據


    從表2可以看出,從工件進入淬火爐預熱區開始到加熱三區的范圍都是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、層數多等原因導致均熱時間明顯增加,說明進料層數和工件之間的間隙對均熱時間影響最明顯。


    t保溫階段實質上也屬于均熱階段,因為緊固件鋪在網帶爐上時,所鋪厚度是不均勻,而測試熱電偶所測數據只是一個點,并不能代表生產時網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測試數據運用

    網帶爐加熱時間計算公式通過分析測試數據,我們對經驗計算法式(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)


    • 式中t加熱時間(min),工件進入預熱區加熱到掉入淬火槽的時間,不包括工件在淬火爐進料口網帶上的運行時間;


    • a加熱系數(min/mm);


    • D單個工件直徑(mm);


    • F- -工件層數;


    • k- -工件裝爐系數。


    根據測試數據可看出,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。


    確定各系數加熱系數a在經驗計算法式(1)的取值范圍上進行調整,得到表3。工件裝爐修正系數k根據緊固件的頭型、長徑比等進行調整,得到表4。


    表3碳素鋼和合金鋼螺栓、螺柱、螺釘加熱系數

     

    表4碳素鋼和合金鋼螺栓、螺柱、螺釘網帶爐裝爐系數

     

    2.5測試數據驗證

    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,42CrMo40Cr等常用材料的淬火加熱時間按緊固件淬火加熱經驗計算式(3)進行計算,在網帶爐生產線上進行實際生產驗證,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定地控制在4?6級。


    03

    總 結


    在網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驗計算公式ut=akDF+25n可以很好的指導生產,有效預防了淬火加熱時間過短而出現欠熱或加熱時間過長而缺乏經濟性的問題。


    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配合,實際生產中8.8級及以上高強度緊固件的力學性能指標穩定性明顯提高。

    -END-

    文章來源:網絡


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