紧固件的热处理工艺设计

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1、设计性综合实验论文题目： 紧固件热处理工艺设计 作者： 杨鹏 毛婷婷 2011 年 11 月紧固件热处理工艺设计摘要紧固件是指：将两个或两个以上的零件紧固连接成为一个整体是所采用的一类机械的总称。主要包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫片、销，而本实验以螺栓为研究工件。螺栓在工作中承受载荷情况：受到拉伸力和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面处断裂、螺纹部分断裂以及螺杆和孔壁中的弱者被压溃，故螺栓所要求材料的性能是：应有足够的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度以及适当的硬度，以保证在正常工作情况下不遭到破坏。应有良好的塑性和可切屑加工性能，以便于进行冷镦和切屑加工。45 钢为高强度中碳钢，其特点是

2、强度较高、塑性和韧性尚好、切屑性能优良，经调质处理后获得较好的综合机械性能，无回火脆性，但焊接性不好，淬透性较低，谁催是具有形成裂纹倾向。45 钢机械性能：b = 610 N/mm, s = 360 N/mm, 疲劳极限中，弯曲 -1=250340 N/mm ，抗拉 = 190250 N/mm，45 钢在满足螺栓所需的力学性能的条件下，且具有较低的成本，故选45 钢为螺栓的原材料。为了使原材料达到最终的目的，要对原材料进行一套完整的热处理工艺。预备热处理，为了改善切屑加工性以及改善锻轧等造成的晶粒粗大及带状组织，调质钢在切削加工前需进行预备热处理。最终热处理，为了获得高塑性、高韧性和高强度，用

3、调质处理，调质处理可获得回火索氏体组织，提高中碳钢的综合力学性能。调质处理：淬火，加热温度 840，保温时间 20Min，油蘸，淬火后 45 钢的硬度达到 HRC55，并观察了金相显微组织。回火，加热温度 600,保温 100Min，空冷，回火后 45 钢的硬度为 HRC28，并观察了金相显微组织。关键词：螺栓；抗拉强度；屈服强度；淬火；回火；调质处理；硬度 绪论- 1 -1 绪论1.1 课题背景紧固件是应用最广泛的机械基础件，需求量很大，在 各 种 机 械 、 设 备 、 车辆 、 船 舶 、 铁 路 、 桥 梁 、 建 筑 、 结 构 、 工 具 、 仪 器 、 仪 表 和 用 品 等 上

4、 面 ，都 可 以 看 到 各 式 各 样 的 紧 固 件 。 它 的 特 点 是 品 种 规 格 繁 多 ， 性 能 用 途 各 异 ，而 且 标 准 化 、 系 列 化 、 通 用 化 的 程 度 也 极 高 。 因 此 也 有 人 把 已 有 国 家 标 准 的一 类 紧 固 件 称 为 标 准 紧 固 件 ， 或 简 称 为 标 准 件 。 主要包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫片、销。螺栓是由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件。 这种连接形式称螺栓连接。如把螺母从螺栓上旋下，又可以使这两个零件分开，故螺栓连接是属于可拆卸连

5、接。从原材料看：高强度螺栓采用高强度材料制造。高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用 45 号钢、40 硼钢、20 锰钛硼钢。普通螺栓常用Q235 钢制造。从强度等级上看：高强螺栓，使用日益广泛。常用 8.8s 和 10.9s 两个强度等级，其中 10.9 级居多。普通螺栓强度等级要低，一般为 4.4 级、4.8 级、5.6 级和 8.8 级。从受力特点来看：高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆

6、方向有很大摩擦力，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用 M16-M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。1.2 课题内容西安工业大学综合试验论文- 2 -螺栓作为重要的紧固件之一，在工作中承受载荷情况：受到拉伸力和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面处断裂、螺纹部分断裂以及螺杆和孔壁中的弱者被压溃。本实验以此为针对性问题做一下几方面的研究。（ 1） 材料选择。4 5 号 钢 为 优 质 碳 素 结 构 用 钢 含 碳 （ C） 量 是0.42 0.50%， Si 含 量 为

7、0.17 0.37%， Mn 含 量 0.50 0.80%， Cr含 量 =0.25%， Ni 含 量 =0.30%。 ， Cu 含 量 =0.25%。（ 2） 热 处 理 工 艺 设 计 。 主要从材料的性能和金相组织出发最终确定一种显著提高性能的热处理方法。淬火：8 40 回 火 ： 600 抗 拉 强 度 ： 不小 于 600Mpa 屈 服 强 度 ： 不 小 于 355Mpa 伸 长 率 ： 16% 收 缩 率 ：40%。（ 3） 实 验 结 果 分 析 。 根 据 所 测 的 数 据 分 析 本 次 试 验 材 料 选 择 、 热 处 理工 艺 设 计 是 否 能 满 足 螺 栓 要

8、 求 的 力 学 性 能 。西安工业大学综合试验论文- 3 -2 实验方案及方法实 验 方 案 包 括 螺 栓 材 料 的 选 择 、 热 处 理 工 艺 的 设 计 、 试 样 性 能 测 试 、金 相 组 织 分 析 等 。2.1 材 料 选 择螺 栓 作 为 重 要 紧 固 件 之 一 ， 应 用 于 航 天 、 汽 车 、 铁 路 、 机 械 等 行 业 ， 在生 产 实 际 中 起 着 不 可 代 替 的 位 置 ， 是 不 可 缺 少 的 重 要 零 件 。 螺栓在工作中承受载荷情况：受到拉伸力和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面处断裂、螺纹部分断裂以及螺杆和孔壁中的弱者

9、被压溃，故螺栓所要求材料的性能是：应有足够的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度以及适当的硬度，以保证在正常工作情况下不遭到破坏。应有良好的塑性和可切屑加工性能，以便于进行冷镦和切屑加工。45 号钢,是 GB 中的叫法,JIS 中称为:S45C,ASTM 中称为 1045,080M46,DIN称为:C45 。国内常叫 45 号钢，也有叫“油钢” 。4 5 号 钢 化 学 成 分 为 含 碳（ C） 量 是 0.42 0.50%， Si 含 量 为 0.17 0.37%， Mn 含 量0.50 0.80%， Cr 含 量 =0.25%， Ni 含 量 =0.30%。 ， Cu 含 量 =0.25%。 4

10、5钢 是 高强度中碳钢，其特点是强度较高、塑性和韧性尚好、切屑性能优良，经调质处理后获得较好的综合机械性能，无回火脆性，但焊接性不好，淬透性较低，水淬是具有形成裂纹倾向。2.2 热处理工艺设计根据螺栓在服役时承受的载荷的情况，螺栓会受到拉伸力和剪切力的共同作用，所以要求螺栓在经过热处理后要具有足够的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度以及适当的硬度，以保证在正常工作情况下不遭到破坏，结合本次试验的选材是 45 钢，故具体的热处理工艺是调质热处理工艺（淬火+高温回火） 。2 实验方案及方法- 4 -2.2.1 淬火工艺所谓淬火就是将钢加热到 Ac3（亚共析钢）或 Ac1 (过共析钢)以上3050，保温后

11、放入各种不同的冷却介质中，以获得马氏体组织。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：淬火加热的温度、保温时间和冷却速度。（1） 选定正确的加热温度是保证淬火质量的重要环节。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据 Fe-Fe3C 相图确定。对亚共析钢，其加热温度为 Ac33050，若加热温度不足（低于 Ac3），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。对过共析钢，加热温度为 Ac13050，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体。后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。（2） 淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间

12、及在淬火温度停留保温所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算，碳钢在电炉中加热时间的计算如下表所示 （3） 冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可根据 C 曲线图，使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650550）进行快冷（即与 C 曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300100）时冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果,应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等)

13、。不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却速度有所差别。各种冷却介质的特性见表所示。Fe-Fe3C 相图西安工业大学综合试验论文- 5 -在下列温度范围内的冷却速度（/秒） 冷却介质 650550 300200 18的水 600 27050的水 100 27010NaCl 水溶液（18） 1100 30010NaoH 水溶液（18） 1200 30010NaoH 水溶液（18） 800 270蒸馏水（50） 250 200硝酸盐（200） 350 10菜籽油（50） 200 35矿务机油（50） 150 30西安工业大学综合试验论文- 6 -C 曲线图几种常用淬火介质的冷却能力工 件 形 状 圆

14、 柱 形 方 形 板 形 保 温 时 间 加 热温度() 分钟/每毫米直径 分钟/每毫米厚度 分钟/每毫米厚度700 1.5 2.2 3800 1.0 1.5 2900 0.8 1.2 1.61000 0.4 0.6 0.8 碳钢在箱式电炉中保温时间的确定45 钢的含碳量是 0.42 0.50%， 亚 共 析 钢 ： 0.0218% w(C)% 0.77%，故 45 钢 属 于 亚 共 析 钢 。 对亚共析钢，其加热温度为 Ac33050，若加热温度不足（低于 Ac3），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。变压器油（50） 120 25西安工业大学综合试验论文- 7 -所以本次试验

15、选择淬火温度为 840。根据本实验选定的材料（圆柱体）直径8 毫米，结合相关文献选定该淬火的保温时间为 10 分钟，淬火后要得到一定的硬度、马氏体组织再结合相关文献故选用水淬。2.2.2 回火工艺回 火 是 将 淬 火 后 的 钢 ， 在 AC1 以 下 加 热 、 保 温 后 冷 却 下 来 的 热 处 理 工 艺 。也 就 是 将 淬 火 钢 加 热 到 奥 氏 体 转 变 温 度 以 下 ， 保 温 1 到 2 小 时 后 冷 却 的 工艺 。 回 火 往 往 是 与 淬 火 相 伴 ， 并 且 是 热 处 理 的 最 后 一 道 工 序 。 经 过 回 火 ， 钢的 组 织 趋 于 稳

16、 定 ， 淬 火 钢 的 脆 性 降 低 ， 韧 性 与 塑 性 提 高 ， 消 除 或 者 减 少 淬 火应 力 ， 稳 定 钢 的 形 状 与 尺 寸 ， 防 止 淬 火 零 件 变 形 和 开 裂 ， 高 温 回 火 还 可 以 改善 切 削 加 工 性 能 。回 火 有 三 种 分 别 是 低 温 回 火 、 中 温 回 火 、 高 温 回 火 ， 根 据 实 验 所 要 的 结果 不 同 而 采 用 的 回 火 放 是 不 同 。（ 1) 低温回火。工件在 250以下进行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性 回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温回火时得到的组织。 力 学 性 能 ： 58 64HRC， 高 的 硬 度和 耐 磨 性 。 应 用 范 围 ： 刃 具 、 量 具 、 模 具 、 滚 动 轴 承 、 渗