常州精密钢管博客

紧固件的网带炉渗碳热处理

螺纹紧固件中的自攻螺钉、自攻锁紧螺钉不但要求具有较高强度、耐磨性,同时还要求心部具有足够的韧性和塑性,不论低碳钢或者中碳、中碳合金钢制造,都需要通过渗碳或碳氮共渗淬火处理,以达到设计和使用的需要。


渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程,使钢件表面化学成份接近高碳钢,让低碳钢具有高碳钢的硬度、耐磨性和疲劳强度,渗碳材料一般为低碳钢或低碳低合金钢


传统的气体渗碳技术,其渗碳过程一般分为分解、吸附和扩散三个阶段。而目前紧固件企业使用量较多的是网带炉渗碳,该设备的碳势主要是通过炉体中后部的氧探头来测量并控制整个炉膛的碳势分布,其技术的不足是工件在渗碳期始终处于高碳势状态,难以获得良好的渗层碳浓度梯度分布。


为深入了解网带炉炉内气氛的分布以及影响产品质量的因素,我们结合生产实践进行研究,本文以自攻锁紧螺钉为例,试验分析网带炉渗碳技术,研究对螺钉渗碳淬火后金相组织性能等的影响和工艺选定。


1.试验材料与方法


试验采用M6×20盘头内花六角头自攻螺钉,材料为SWRCH22A,材料符合日本JIS标准规定。产品技术要求:渗碳层深度0.15~0.28mm,回火后心部硬度(30±2)HRC。


试验用无马弗SY-805-6三永网带炉,由炉体、电热元件、热电偶、氧探头、搅拌风扇和输送带组成,炉体由抗渗层、保温层和炉壳组成,炉膛为贯通式结构,采用前排气方式。时间、碳势和温度等参数可在PLC系统的程序内设定并执行。工艺程序均可在电脑屏幕上显示,并具有故障自诊断功能。时间由变频器控制,碳势由碳控仪控制,信号由反应灵敏的氧探头测量,功率由三相SCR电力调整器控制,温度信号由热电偶测量;渗碳剂为丙烷和甲醇,其中甲醇为稀释剂,流量为1800~2400CC/h,丙烷为富化气,流量根据碳势由电磁阀控制。


2.试验结果与分析


(1)试验结果

炉内温度稳定在880℃,设定碳势1.2%。三永SY-805-6型网带炉分为6区,氧探头安装在4区和5区,用三气分析仪测量4区、5区和6区的碳势,4区1.18%,5区1.21%,6区1.24%。网带炉内气氛均匀性通过搅拌风扇控制,产品在3区前面时还在升温阶段,温度低,渗碳效果差,未安装氧探头,炉口前段碳势偏低,6区由于油蒸气的分解碳势略有上升。


(2)试验工艺

在网带炉中渗碳或碳氮共渗,对低碳钢SWRCH22A、ML20MnVB、ML15MnVB或中碳、中碳合金钢,SWRCH35K、SCM435、SCR440钢制螺钉,渗碳层应根据螺钉规格选择,对于合金钢可渗碳直接淬火,而对碳素钢应渗碳后空冷,二次加热淬火。试验工艺见附表。

自攻锁紧螺钉热处理工艺
自攻锁紧螺钉热处理工艺-1


自攻锁紧镙钉油淬火后,SWRCH22A心部硬度大于38HRC,表面硬度大于700HV0.3,当430℃回火后心部硬度在30HRC,达到8.8级螺栓的机械性能要求;ML20MnVB油淬火后心部硬度大于40HRC,表面硬度大于700HV0.3,经510℃回火后心部硬度在30HRC,达到8.8级螺栓的力学性能要求;SCM435油淬火后心部硬度大于45HRC,表面硬度大于750HV0.3,经530℃回火后心部硬度达到35HRC,达到10.9级螺栓的力学性能要求。图1、图2为SWRCH22A渗碳淬火和回火组织。

紧固件的网带炉渗碳热处理

图1 SWRCH22A渗碳淬火组织


紧固件的网带炉渗碳热处理

图2 SWRCH22A 430℃回火组织


3.试验分析


无论采用何种渗碳方式,所用渗碳剂经高温裂解后渗碳组分应为CO、CO2、CH4、H2,产生活性碳原子在工件表面吸附,并扩散,形成一定碳浓度的渗碳层。


螺钉渗碳均为浅层渗碳,采用网带式渗碳炉十分有利,工件是按照预先设定的条件进行处理,工件连续地在装料口装炉,处理之后在出料口连续出炉。随着渗碳时间的延长,影响渗碳速度在因素也发生变化,即渗层深度的增加主要受碳在钢中的扩散速度所控制。


通过金相显微观察,工件碳化物呈小块状或颗粒状弥散分布(≤2级),马氏体为细针状分布(≤3级)。


4.工艺选定


众所周知,影响渗碳工艺的主要因素有很多,如温度和时间等,当螺钉的材质、渗碳温度和碳势确定后,渗碳时间将根据渗碳层深度确定,各种渗碳剂或渗碳气体在高温下产生的活性原子是不一样的。在连续式网带炉内渗碳碳势设定为1.0%~1.2%。而钢中的合金元素对钢的吸收碳的能力和碳向内部扩散都有很大影响。V、Cr、Ti碳化物形成元素能提高渗层表面的碳含量,在具有较高韧性、适当的淬透性的条件下,自攻锁紧螺钉常用ML15MnVB、ML20MnVB、SCM435和SWRCH22A钢制造。


螺钉表面的残留的油会对炉内气氛产生影响,若不清洗干净则直接影响炉内气氛和控制精度,还要注意空炉时网带上是否有残留黄色粉末,如有应认真对待处理螺钉的清洗工作。由于网带炉不具备渗碳后空冷条件,所以应尽量选用低合金钢或碳素钢渗碳直接淬火工艺。


5.氢脆性


氢脆性是自攻类螺钉比较突出的质量隐患。在碳氮共渗直接淬火的螺钉中,氢脆的问题比渗碳件要突出得多。酸洗、电镀时产生的氢气及碳氮共渗时周围介质中氢气(一般高达60%~70%),可在钢中溶解一部分。当电镀、磷化工序阴极电流效率达不到100%时,会产生大量的氢原子附在螺钉表面,从而产生渗氢。氢的这一行为对钢的氢脆破坏有重要影响。


自攻类螺钉驱氢时间6~8h,由于温度可提高氢在钢中的扩散系数,因此150~200℃保温可以排除氢脆,但温度过高,例如400℃以上,氢在钢中的溶解也增加,氢不再自动从钢中逸出,达不到除氢目的。驱氢温度选择在140~170℃(磷化)、200~240℃(电镀),但生产中要根据心部硬度、表面粗糙度电镀时间、镀层厚度、酸洗时间、酸浓度等生产条件来确定驱氢时间,应在钝化处理前、刚刚电镀后(4h之内)进行。


6.结语


网带渗碳炉适合于零件尺寸小,数量和工艺变化大的场合,尤其是针对紧固件行业的大批量螺钉渗碳,只有从材料、热处理和测试等多方面不断改进、完善,才能生产出具有市场竞争力的产品。






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