紧固件原材料线材脱碳层的控制研究(附件)【字数：11565】
摘 要摘 要 脱碳是紧固件一种严重的热处理缺陷，其不仅能造成巨大的经济损失，还能对人身安全造成威胁，对钢及制件表面脱碳层深度的测量是紧固件行业品管控制的要点。本文首先介绍了紧固件的生产工艺流程，其次概述了生产高强度螺栓常用的钢材，并阐述了脱碳的相关知识及影响脱碳的因素，最后对脱碳螺栓进行了性能测试以及脱碳层的观察分析。 本文选择有脱碳的高强度螺栓及制造相应螺栓的原材料线材（冷镦前），观察比较未脱碳、原材料线材（冷镦前）脱碳和热处理脱碳的螺栓螺纹金相组织，并螺栓进行硬度测试、拉力测试等性能测试，最后测定原材料线材（冷镦前）及成品螺栓螺纹的脱碳层深度，分析螺纹螺坯脱碳比，总结螺栓原材料线材（冷镦前）允许半脱碳层的深度。关键词热处理缺陷；高强度螺栓；脱碳层深度；金相组织
目 录
第一章 绪论 1
1.1 紧固件研究现状 1
1.2 高强度螺栓的结构特点及生产工艺 2
1.2.1 结构特点 2
1.2.2 生产工艺 3
1.3 高强度螺栓生产用钢 5
1.4 钢材表面的脱碳层 7
1.4.1 钢的脱碳特性 7
1.4.2 脱碳过程影响因素 8
1.5 本文研究的目的和内容 9
第二章 实验材料及方法 11
2.1 实验材料 11
2.2 实验方法 11
2.2.1 试样的制备 11
2.2.2 螺栓金相组织观察 13
2.2.3 脱碳螺栓的硬度测试 15
2.2.4 螺栓抗拉性能测试 16
第三章 实验结果及分析 17
3.1 螺栓脱碳的金相组织 17
3.3 拉力分析 18
3.4 螺栓原材料线材脱碳层要求分析 19
3.4.1 螺栓脱碳层标准 19
3.4.2 原材料线材脱碳层要求分析 21
3.4.3 螺栓原材料线材允许的脱碳层深度要求 25
结论 27
致谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1 紧固件研究现状
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
随着各种机械、设备、车辆、船舶、铁路、桥梁、建筑、结构、工具、仪器、仪表等方面的发展，我国紧固件制造在金属材料、热处理、金属表面镀层以及紧固件装配方面都取得了很大的进步[1]。但是目前我国国内紧固件行业仍然无法满足国家机械装备等行业的生产需求，一方面是由于金属材料，即原材料强度无法满足高强度紧固件的需求，导致低端、低强度紧固件市场饱和，而高强度、高精度紧固件长期依赖进口；另一方面是大部分企业技术力量薄弱，设备和人员的换代更新慢，导致无法满足高端、高强度紧固件的生产需求[2]。为了满足国内高强度紧固件的生产需求，先进的热处理设备是其必备条件，先进的热处理工艺是影响其内在质量的关键因素，二者缺一不可。在我国出口的紧固件产品中，中高档紧固件产品数量少，主要还是抵挡产品，大多数紧固件是强度为8.8级以下的低碳钢紧固件，与国际上高强度紧固件存在很大的差距。国内紧固件企业无序竞争、紧固件产品技术含量低、价格不高，出口的数量虽然逐年增长，但是创汇金额增长幅度不大[3]。在当前紧固件高速发展的时代，我国的高强度紧固件面临着严峻的考验。
紧固件在各种机械构建中主要起到的作用是联接、定位以及密封的作用，其中最常见及用量最大的是螺栓。随着科学技术的发展，各类机械、设备以及建筑工程不断趋于大型化，以及机械功率、转速的不断提高，螺栓类紧固件将面临更大的考验。因此，要求螺栓类紧固件有更高的强度以提高其性能来适应恶劣的工作环境[4]。例如高压给水泵是超临界及超超临界发电机组所用的关键设备，其对水泵供水压力的要求越来越高，使得水泵密封与承压作用的螺栓的强度要求也随之提高；原有的电动车、摩托车、汽车所用的螺栓，尤其是供给电动机或发动机用的螺栓已逐渐不能满足电动机或发动机的高应力要求[5]，另外高强度的螺栓凭借其高强度的特点可以适当缩小螺栓的尺寸和质量，不仅有利于减轻机械的重量，还能是设备小型化。而且紧固件是作为固定、连接使用的，其高强度化还能使空间得到最大化利用，使机械构建更加紧凑[6]。由此可见，高强度螺栓有很大的使用价值和广阔的应用前景.
王通通， 郭建寅， 柴斌彬等人对少无脱碳球化退火炉进行了设计和改进，介绍了球化退火炉的发展历程以及其在紧固件行业的应用，强调在紧固件生产过程中，球化退火对紧固件生产的重要性，表明热处理对紧固件性能的影响[7]；鲁修宇，夏艳花，周勇，帅习元等人指出汽车行业的高速发展给紧固件行业带来了良好的契机，并在考虑到汽车质量与安全的角度，从热处理工艺及热处理装备，阐述了紧固件热处理技术等方面的发展与创新，同时也指出我国紧固件无论是质量还是环保或是能耗等方面都处于落后的状态[8]；于同仁，姜婷，郭湛等人对用合金冷镦钢SCM440加工制造12.9级内六角高强度螺栓时发生的冷镦开裂现象进行了分析。结果表明主要是原材料退火过程中的炉内保护气氛不当，导致材料表面出现了20~30μm深的完全脱碳层，从而使铁素体晶界的抗氧化性降低，同时合金元素在晶界富集，在冷却时产生沿晶裂纹。另外，如果退火工艺设计不当，使得线材盘条组织未完全球化，也会导致冷镦性能不佳[9]。
1.2 高强度螺栓的结构特点及生产工艺
紧固件按其强度可分为3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9级等11个性能等级，性能等级的整数部分表示最少抗拉强度的1/100，单位为：N/mm2；小数部分表示公称屈服极限与强度极限的比值，紧固件用材料按其性能等级不同，选择也是有差异的。不过，紧固件出厂时，不论其是什么规格或是什么性能等级，都必须有性能等级标志的代号和制造商的代号，其目的是不仅可以为紧固件的生产、销售、采购、检验、验收及使用提供依据也可以使产品具有可追溯性，便于区分质量责任等等[10]。8.8级及以上高强度螺栓，由于其连接的安全可靠，并且具有很好的经济性、工艺性和使用寿命，将其应用于机械构件的连接，能够收到很好的经济和社会效益[11]。
1.2.1 结构特点
目 录
第一章 绪论 1
1.1 紧固件研究现状 1
1.2 高强度螺栓的结构特点及生产工艺 2
1.2.1 结构特点 2
1.2.2 生产工艺 3
1.3 高强度螺栓生产用钢 5
1.4 钢材表面的脱碳层 7
1.4.1 钢的脱碳特性 7
1.4.2 脱碳过程影响因素 8
1.5 本文研究的目的和内容 9
第二章 实验材料及方法 11
2.1 实验材料 11
2.2 实验方法 11
2.2.1 试样的制备 11
2.2.2 螺栓金相组织观察 13
2.2.3 脱碳螺栓的硬度测试 15
2.2.4 螺栓抗拉性能测试 16
第三章 实验结果及分析 17
3.1 螺栓脱碳的金相组织 17
3.3 拉力分析 18
3.4 螺栓原材料线材脱碳层要求分析 19
3.4.1 螺栓脱碳层标准 19
3.4.2 原材料线材脱碳层要求分析 21
3.4.3 螺栓原材料线材允许的脱碳层深度要求 25
结论 27
致谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1 紧固件研究现状
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
随着各种机械、设备、车辆、船舶、铁路、桥梁、建筑、结构、工具、仪器、仪表等方面的发展，我国紧固件制造在金属材料、热处理、金属表面镀层以及紧固件装配方面都取得了很大的进步[1]。但是目前我国国内紧固件行业仍然无法满足国家机械装备等行业的生产需求，一方面是由于金属材料，即原材料强度无法满足高强度紧固件的需求，导致低端、低强度紧固件市场饱和，而高强度、高精度紧固件长期依赖进口；另一方面是大部分企业技术力量薄弱，设备和人员的换代更新慢，导致无法满足高端、高强度紧固件的生产需求[2]。为了满足国内高强度紧固件的生产需求，先进的热处理设备是其必备条件，先进的热处理工艺是影响其内在质量的关键因素，二者缺一不可。在我国出口的紧固件产品中，中高档紧固件产品数量少，主要还是抵挡产品，大多数紧固件是强度为8.8级以下的低碳钢紧固件，与国际上高强度紧固件存在很大的差距。国内紧固件企业无序竞争、紧固件产品技术含量低、价格不高，出口的数量虽然逐年增长，但是创汇金额增长幅度不大[3]。在当前紧固件高速发展的时代，我国的高强度紧固件面临着严峻的考验。
紧固件在各种机械构建中主要起到的作用是联接、定位以及密封的作用，其中最常见及用量最大的是螺栓。随着科学技术的发展，各类机械、设备以及建筑工程不断趋于大型化，以及机械功率、转速的不断提高，螺栓类紧固件将面临更大的考验。因此，要求螺栓类紧固件有更高的强度以提高其性能来适应恶劣的工作环境[4]。例如高压给水泵是超临界及超超临界发电机组所用的关键设备，其对水泵供水压力的要求越来越高，使得水泵密封与承压作用的螺栓的强度要求也随之提高；原有的电动车、摩托车、汽车所用的螺栓，尤其是供给电动机或发动机用的螺栓已逐渐不能满足电动机或发动机的高应力要求[5]，另外高强度的螺栓凭借其高强度的特点可以适当缩小螺栓的尺寸和质量，不仅有利于减轻机械的重量，还能是设备小型化。而且紧固件是作为固定、连接使用的，其高强度化还能使空间得到最大化利用，使机械构建更加紧凑[6]。由此可见，高强度螺栓有很大的使用价值和广阔的应用前景.
王通通， 郭建寅， 柴斌彬等人对少无脱碳球化退火炉进行了设计和改进，介绍了球化退火炉的发展历程以及其在紧固件行业的应用，强调在紧固件生产过程中，球化退火对紧固件生产的重要性，表明热处理对紧固件性能的影响[7]；鲁修宇，夏艳花，周勇，帅习元等人指出汽车行业的高速发展给紧固件行业带来了良好的契机，并在考虑到汽车质量与安全的角度，从热处理工艺及热处理装备，阐述了紧固件热处理技术等方面的发展与创新，同时也指出我国紧固件无论是质量还是环保或是能耗等方面都处于落后的状态[8]；于同仁，姜婷，郭湛等人对用合金冷镦钢SCM440加工制造12.9级内六角高强度螺栓时发生的冷镦开裂现象进行了分析。结果表明主要是原材料退火过程中的炉内保护气氛不当，导致材料表面出现了20~30μm深的完全脱碳层，从而使铁素体晶界的抗氧化性降低，同时合金元素在晶界富集，在冷却时产生沿晶裂纹。另外，如果退火工艺设计不当，使得线材盘条组织未完全球化，也会导致冷镦性能不佳[9]。
1.2 高强度螺栓的结构特点及生产工艺
紧固件按其强度可分为3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9级等11个性能等级，性能等级的整数部分表示最少抗拉强度的1/100，单位为：N/mm2；小数部分表示公称屈服极限与强度极限的比值，紧固件用材料按其性能等级不同，选择也是有差异的。不过，紧固件出厂时，不论其是什么规格或是什么性能等级，都必须有性能等级标志的代号和制造商的代号，其目的是不仅可以为紧固件的生产、销售、采购、检验、验收及使用提供依据也可以使产品具有可追溯性，便于区分质量责任等等[10]。8.8级及以上高强度螺栓，由于其连接的安全可靠，并且具有很好的经济性、工艺性和使用寿命，将其应用于机械构件的连接，能够收到很好的经济和社会效益[11]。
1.2.1 结构特点
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