高性能高強(qiáng)度緊固件用網(wǎng)帶爐淬火時加熱時間的選取研究

付平安

冷水江天寶實(shí)業(yè)股份有限公司 湖南婁底 417505

網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線具有生產(chǎn)效率高、設(shè)備自動化程度高、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，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、墊圈、擋圈、銷、鉚釘、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級以上螺栓、螺釘、螺柱的進(jìn)口單價更是我國同類產(chǎn)品出口單價的6倍。由此可見，我國在高性能的高強(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。

1 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，而淬火加熱時間又是其中的關(guān)鍵參數(shù)。為合理設(shè)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(jì)性甚至過熱，鋼件加熱時間通常按經(jīng)驗(yàn)計算法進(jìn)行計算[1]。加熱時間計算公式為：

式中 t——加熱時間（min）；

ɑ——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)度緊固件淬火時按這個經(jīng)驗(yàn)計算公式時，ɑ取1.3～1.6min/mm，k取1.0～1.5。但是該經(jīng)驗(yàn)計算法公式對指導(dǎo)緊固件熱處理時存在一定局限性，例如，GB/T 70.1—2000規(guī)定M8×80螺釘在網(wǎng)帶爐平鋪一層淬火時，按式（1）加熱時間t=1.6×1.5×8min=19.2min（系數(shù)都按最大值?。?。根據(jù)計算結(jié)果可明顯看出，該經(jīng)驗(yàn)計算公式計算出的結(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，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(yàn)公式。

2 淬火加熱時間測試試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

在符合JB/T 10897—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)行測試，淬火爐最高使用溫度950℃，有效加熱區(qū)分別是100cm×1200cm×10cm、80cm×1200cm×10cm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(yàn)合格的鎧裝熱電偶三根（型號為WRNK-131，φ5mm×13 000mm）、校驗(yàn)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(diǎn)都是設(shè)置在爐頂中間，測溫點(diǎn)和網(wǎng)帶之間還隔有一層輻射管。有效加熱區(qū)是100cm×1200cm×10cm和80cm×1200cm×10cm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(yù)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(diǎn)，我們設(shè)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(jìn)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(chǎn)時網(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(chǎn)時網(wǎng)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(wǎng)帶鋪料寬度均勻四等份，在熱電偶進(jìn)爐過程中，每間隔1m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(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行標(biāo)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(yàn)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(shè)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）[1]，即

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

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間的60%。

t均熱階段會因?yàn)楣ぜ拇笮　㈤L度和進(jìn)料厚度等因素影響而變化，長徑比≤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間明顯增加，說明進(jìn)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(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，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(diǎn)，并不能代表生產(chǎn)時網(wǎng)帶上所有工件都能準(zhǔn)時達(dá)到工藝溫度，而是需要一個保溫過程來進(jìn)一步達(dá)到均熱效果，實(shí)際時間在25min比較適宜。

表2 分組測試時間與位置數(shù)據(jù)

2.4 測試數(shù)據(jù)運(yùn)用

（1）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(yàn)計算法式（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間經(jīng)驗(yàn)計算法公式，以滿足高性能高強(qiáng)度緊固件的熱處理要求。

修改后的加熱時間計算公式為：

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

ɑ——加熱系數(shù)（min/mm）；

D——單個工件直徑（mm）；

F——工件層數(shù)；

k——工件裝爐系數(shù)。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可看出，式（3）只適用于t ≥6 0 m i n 的情況，當(dāng)按式（3）計算出的結(jié)果≤60min時，也按60min取值。

（2）確定各系數(shù) 加熱系數(shù)ɑ在經(jīng)驗(yàn)計算法式（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)

2.5 測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在8.8級及以上高強(qiáng)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(yàn)計算式（3）進(jìn)行計算，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。對淬火工件按JB/T 9211—2008《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼馬氏體等級》進(jìn)行金相評級[2]，工件的馬氏體級別可以穩(wěn)定地控制在4～6級。

3 結(jié)束語

在網(wǎng)帶爐淬火時加熱時間的選取研究中所總結(jié)出的緊固件淬火加熱經(jīng)驗(yàn)計算公式“t=ɑ kDF+25”可以很好的指導(dǎo)生產(chǎn)，有效預(yù)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(jì)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(shí)際生產(chǎn)中8.8級及以上高強(qiáng)度緊固件的力學(xué)性能指標(biāo)穩(wěn)定性明顯提高。