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螺栓的热处理设计论文
螺栓的热处理工艺设计
（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150000）
摘要：
本文简要介绍了螺栓的定义、分类、服役条件、失效形式以及常用材料，针对一种用于汽车上的高强度螺栓，通过对其性能要求的分析，选择SCM435钢制造该螺栓。
查阅热处理手册等设计出SCM435钢螺栓的热处理工艺，包括球化退火、淬火、高温回火。
重点分析了螺栓的磷脆与氢脆现象，并给出了相应的检测手段与处理方法。
简要介绍了螺栓的质量检测方法。
关键词：
螺栓；热处理；SCM435钢；除磷；氢脆
一、概述
1.1.定义
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接。
螺栓的原理是利用物体的斜面圆形旋转和摩擦力的物理学和数学原理，循序渐进地紧固器物机件的工具。
螺栓在日常生活当中和工业生产制造当中，是少不了的，螺栓也被称为“工业之米”。
可见螺栓的运用之广泛。
螺栓的运用范围有：
电子产品、机械产品、数码产品、电力设备、机电机械产品、船舶、车辆、水利工程、化学实验等。
1.2.螺栓的分类
1.2.1六角螺栓
六角螺栓是应用最广的一类螺栓。
其A级和B级螺栓用于重要的、装配精度要求高，以及承受较大冲击、振动或交变载荷的场合。
其C级螺栓用于表面比较粗糙、装配精度要求不高的场合。
螺栓上的螺纹，一般均为普通螺纹。
普通螺纹螺栓自锁性较好，主要用于薄壁零件上或承受冲击、振动或交变载荷的场合。
一般螺栓上都是制成部分螺纹，全螺纹螺栓主要用于公称长度较短的螺栓以及要求较长螺纹的场合。
1.2.2六角法兰螺栓
六角法兰面螺栓的头部由六角头和法兰面两部分组成，其“支撑面积与应力面积字比值”要大于普通六角头螺栓，故这种螺栓能承受更高的预紧力，防松性能也较好，因而被广泛用于汽车发动机、重型机械等产品上。
1.2.3六角头头部带孔、带槽螺栓
使用时，可通过机械方法将螺栓锁合，防松可靠。
1.2.4六角头螺杆带孔螺栓
螺杆上制出开口销孔过金属丝孔，采用机械放松，防松可靠。
1.2.5六角头铰制孔螺栓
带铰制孔螺栓能精确的固定被链接零件的相互位置，并能承受有横向里产生的剪切和挤压。
1.2.6十字槽凹突六角头螺栓
安装拧紧方便，主要用于受载较小的轻工、仪器仪表。
1.2.7方头螺栓
方头尺寸较大，受力表面也较大，便于扳手卡住其头部，或依靠其他零件起止转作用。
也可用于带T型槽的零件中，以便调整螺栓位置。
C级方头螺栓常用于比较粗糙的结构上。
1.2.8沉头螺栓
方颈或榫有止转作用，多用于被连接零件表面要求平坦或光滑的场合。
1.2.9T型槽螺栓
T型槽螺栓适用于螺栓只能从被联接零件一边进行联接的场合。
将螺栓从T型槽中插入后再转动90度，即可使螺栓不能脱出，也可用于结构要求紧凑的场合。
1.2.10地脚螺栓
专供预埋混泥土基础中，供固定机器、设备的底座用。
1.2.11活节螺栓
多用于需经常拆开联接的地方和工装上刚网架螺栓球节点用高强度螺栓，强度高，主要用于公路与铁路桥梁、工业与民用建筑、塔架、起重机。
1.3.螺栓性能等级
钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。
螺栓性能等级的含义是国际通用的标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选用性能等级即可。
一般的螺栓是用"X.Y"表示强度的，X*100=此螺栓的抗拉强度，X*100*（Y/10）=此螺栓的屈服强度（因为按标识规定：
屈服强度/抗拉强度=Y/10），如4.8级，则此螺栓的抗拉强度为：
400MPa，屈服强度为：
400*8/10=320MPa。
二、服役条件与失效形式
2.1螺栓使用中的服役条件
2.1.1环境
螺栓一般在大气下使用，对在潮湿大气或腐蚀气氛或严寒地区的环境下工作的螺栓，还要求螺栓材料具有低的延迟断裂，敏感性和低的韧-脆转化温度。
2.1.2受力条件
螺纹上的载荷分布：
螺栓联接是利用螺纹之间的摩擦力而构成的一种可拆联接，由于其结构简单，连接可靠，因而在工程中广泛应用。
其缺点是螺纹零件有应力集中，在交变载荷的作用下易产生疲劳裂纹。
由统计资料可知，其损坏部位为从螺母支撑面算起第一和第二圈螺纹处约占65%，光杆与螺纹部分交接处约占20%，螺栓头与杆接交处约占15%。
上述部位均为截面剧烈变化、有应力集中之处，见图2.1。
图2.1交变载荷受拉螺栓损坏之处
普通螺母柔性差，与螺栓联接处各圈螺纹上的载荷分布很不均匀，应力集中严重，见图2.2，由于图2.2（a）所示的受压螺母，载荷按双曲余弦的规律分布，容易导致最后几圈螺纹失效。
图2.2螺纹上的载荷分布
2.2螺栓的主要失效方式
高强度螺栓广泛的应用在各种重要设备的紧固连接中，所以常常影响到工程构件的安全性和可靠性。
飞行器、桥梁和许多重要机械中，高强度螺栓的失效将会造成重大的经济损失甚至人身伤亡事故，例如：
核反应堆中连接件的破坏危害是巨大的；螺纹连接紧固件是发动机重要的破坏源，也是限制发动机功率与安全的关键之一。
2.2.1疲劳失效
疲劳失效是高强度螺栓的主要失效形式之一。
虽然高强度螺栓具有耐疲劳的特点，但这是相对普通螺栓和铆钉连接而言的。
在实际工程中，高强度螺栓在很高的预紧力的基础上，还要承受外界各种反复的作用，如拉压应力、弯曲应力、剪切应力、冲击载荷、或者同时承受上述几种反复载荷。
在复杂交变载荷的作用下，疲劳失效依然是高强度螺栓的主要失效形式。
重要螺栓预警连接结构中，螺栓除收到轴向预警拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸（交变）载荷、横向剪切（交变）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用。
通常情况下，附加的横向应变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂。
螺栓属于严重应力集中的多缺口零件，其疲劳性能将明显地受到螺栓的结构、尺寸、材料化学成分、热处理及制造工艺等多钟因素影响。
螺栓的螺纹沟实际上是一个个小的尖锐缺口，例如对于常见的重要汽车螺栓，其螺纹沟疲劳缺口系数kf大多在4～9的范围内，除螺纹外，螺栓疲劳断裂的另一薄弱部位是螺栓头部与杆部的过渡圆角处，由于截面的突变，在该处也存在服役条件下（轴向螺栓载荷），其危险截面位于螺栓首部1～3牙处，这是因为在这个部位的螺栓受力最大，螺纹沟应力集中严重，所以螺栓的疲劳性能是一个关键考核指标。
2.2.2延迟断裂
由于高强度螺栓属于应力集中严重的多缺口零件，承受轴向预警拉伸应力和工作应力，此应力与螺栓中的氢（材料本身含有的氢、酸洗、电镀等螺栓制造过程中侵入钢中的氢（内氢）或长期暴露过程中发生腐蚀反应侵入钢中的氢（外氢））发生相互作用往往会引起延迟断裂。
因此，高强度螺栓（特别是当螺栓的强度水平超过1200MPa时）除表面处理后必须进行去氢处理外，由于外氢的影响亦有可能发生延迟断裂。
2.2.3偏斜拉伸
在装配使用过程中，螺栓轴线与被连接的机件表面不垂直，或承受偏心载荷，此时在应力集中的螺纹部位造成了更硬的应力状态，即除了存在拉应力外，还有附加弯矩作用。
三、螺栓的材料
目前市场上的螺栓标准件材料主要有碳钢螺栓、不锈钢螺栓、铜螺栓三种材料。
3.1碳钢
我们以碳钢料中碳的含量区分低碳钢，中碳钢和高碳钢以及合金钢。
3.1低碳钢（C%≤0.25%）
国内通常称为A3钢。
国外基本称为1008，1015，1018，1022等。
主要用于4.8级螺栓及4级螺母、小螺丝等无硬度要求的产品。
（注：
钻尾钉主要用1022材料。
）
3.2中碳钢（0.25%≤C%≤0.45%）
国内通常称为35号钢、45号钢，国外基本称为1035，CH38F，1039,40ACR等。
主要用于8级螺母、8.8级螺栓及8.8级内六角产品。
3.3高碳钢（C%≥0.45%）
目前市场上基本没使用。
4.合金钢
在普碳钢中加入合金元素，增加钢材的一些特殊性能：
如35、40铬钼、SCM435，10B38。
芳生螺丝主要使用SCM435铬钼合金钢，主要成分有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo。
3.2不锈钢
性能等级：
45，50，60，70，80。
主要分奥氏体（18%Cr、8%Ni）不锈钢、马氏体（13%Cr）不锈钢和铁素体（18%Cr）不锈钢。
奥氏体不锈钢耐热性好，耐腐蚀性好，可焊性好。
马氏体不锈钢耐腐蚀性较差，强度高，耐磨性好。
铁素体不锈钢镦锻性较好，耐腐蚀性强于马氏体。
目前市场上进口材料主要是日本产品，按级别主要分SUS302、SUS304、SUS316。
3.3铜
常用材料为黄铜、锌铜合金。
市场上主要用H62、H65、H68铜做标准件。
图3.1为常用螺栓的材料。
图3.1常用螺栓材料
四.、产品和材料的选择
因高强度汽车紧固件的种类繁多，产品等级也不同，平均一辆轿车的紧固件约2000个，对全部紧固件进行分析研究是不现实也不科学的。
为实现对高强度汽车紧固件的热处理技术研究，本文选一典型高强度汽车安全紧固件作为研究对象。
4.1产品的选择
选取汽车刹车系统上的卡钳上高强度紧固件。
具体使用部位如图4.1所示，螺栓大致尺寸如图4.2所示。
制动钳体总成，是由一个具有活塞的钳体、密封防尘、机加工的支架、带有摩擦材料的刹车片和一个滑动悬挂系统。
这系统使钳体在制动过程中浮动并根据磨损状况自我调整。
在盘式制动器系统中，制动钳总成是用来为制动盘提供制动力的。
在总泵被增压的制动液驱动钳体的活塞。
这个活塞推动带有摩擦材料的刹车片，与紧固于车轮的制动盘接触。
这样制动盘在摩擦力的作用下，逐渐减速，同时车速也减缓。
制动力矩通过刹车片、制动钳支架以及转向节传送到悬挂系统。
图4.1紧固件的使用部位图4.2螺栓尺寸
4.2.材料的选择
4.2.1技术参数如下：
性能等级：
10.9
抗拉强度：
>1000Mpa
屈强比：
0.9
硬度：
HRC32～39
表面处理：
无铬锌铝涂覆层
盐雾试验时间：
最小480h出现红锈；颜色：
银色；不含铬。
产品表面无白色的磷化集聚物。
淬火过程金相组织达到90%马氏体组织转变。
4.2.2备选材料：
备选材料力学性能：
钢号
抗拉强度Mpa
屈服强度Mpa
退火硬度HB
冲击韧性J/cm2
ML20MnTiB
≥1128
≥932
≤187
≥69
ML35CrMo
≥981
≥834
≤229
≥78
ML40Cr
≥981
≥981
≤207
≥59
SCM435
≥985
≥835
≤229
≥78
SCM440
≥1080
≥930
≤217
≥78
通过上述分析和对比，考虑到性能等级要求和安全件的特殊要求并结合市场上釆购的资源，选择SCM435钢作为螺栓材料。
五、制造工艺流程
螺栓的制造工艺流程如下：
热轧盘条——冷拔——球化退火（预备热处理）——机械除磷——酸洗——冷拔——冷锻成型——螺纹加工——上料——除磷——淬火——淬火冷却——清洗——高温回火——水冷——烘干一—喷油——表面处理——质量检查
5.1预备热处理
球化工艺：
加热到760℃保温1.5h并随炉冷却到720℃保温5h并随炉冷却到550℃以下出炉空冷，如图5.1所示。
图5.1球化退火工艺示意图
球状珠光体比片状珠光体的强度、硬度低，塑性好。
亚共析钢为了改善冷镦及冷挤压性能往往采用球化退火处理使组织中珠光体球化。
等温球化退火工艺原理是将片层状珠光体迅速加热到铁素体+奥氏体双相区，使片状渗碳体快速熔断，然后快速冷却到A1点以下保温，使熔断的渗碳体聚集呈球状。
为了在奥氏体中保持一定程度的不均匀性，关键在于控制双相区球化退火温度及保温时间，这是因为未溶解的碳化物颗粒能够促进奥氏体向球化显微组织的转变。
如果双相区退火温度过高或保温时间过长，形成的碳化物就全部溶解于奥氏体，从而利于形成珠光体组织，而不是球化组织。
相反，如果加热温度太低，则渗碳体溶解慢，甚至可能使珠光体中的部分片状渗碳体被保留下来，使线材退火后硬度偏高。
另外，等温温度及等温时间也是影响球化效果的重要因素，等温温度偏高或等温时间偏长，渗碳体颗粒会长大，过度长大或过小的渗碳体颗粒均不利于冷镦变形。
根据文献[2]中的研究选择如图5.1所示的球化退火工艺。
5.2除磷工艺
目的：
表面磷化膜对紧固件的热处理是一大危害。
如热处理前不将磷化膜去除，热处理时表层的磷化膜会烧结在表面，给后期表面处理带来困难，甚至磷会渗入钢表层组织中形成磷化聚集层。
因白色磷化聚集层硬度极高，极容易产生微小的裂纹，简称“磷脆”。
磷脆会严重影响到紧固件产品的疲劳寿命，故经磷化的钢材制的高强度紧固件在淬火前需除磷处理。
国家标准中规定：
对12.9级螺栓表面不允许有金相能检测出的磷化物聚集层，去除磷化物聚集层应在热处理前进行。
通用汽车标准规定：
汽车髙强度螺栓表面不能有金相能检测出的磷化物聚集层。
所以热处理前磷化层必须清除干净。
网带炉碱性除磷法方案：
该方案使用在热处理连续式网带上，可以达到较好的清除效果，该方法的主要成份为片碱和脱脂剂，利用片碱可以与磷化物反应的特点来达到除磷的效果。
利用镀锌中的碱性清洗法并防止有片碱进入到淬火炉影响网带炉网带的使用寿命。
设计工艺如下：
除油——清洗一清洗防锈剂
除油：
主要目的为清除紧固件表面的油脂物质。
清洗：
片碱与紧固件表面的磷化膜反应来去除磷化膜。
清洗防锈剂：
清洗紧固件表面的碱并加水性防锈剂，防止紧固件在进入淬火炉之前生锈。
各工序要求如图5.2：
图5.2各工序要求
5.3淬火
5.3.1淬火加热
保护气氛的选择和控制及碳势的控制：
连续式网带炉在淬火过程中，其进料口为敞开式连续进料。
所以在连续式网带炉的淬火过程中必须有适当的气氛保护并保持炉内为正压状态，以保证在淬火过程中因为气氛的影响而产生渗碳和脱碳。
采用吸热式保护气氛：
1.甲苯+甲醇裂解气+空气的保护气氛
2.氮气（99.5%）+甲醇+丙烷（富化气）裂解+空气的保护气氛（俗称氮-甲醇保护气氛）
前者：
甲苯和甲醇用量较大，成本高，有毒，故此处选用后者。
氮-甲醇气氛是将氮气和甲醇按一定比例（40%氮气+60%甲醇）并与氮气充分混合，最终分解后炉气的基本组分为40%/40%/20%（N2/H2/CO），以达到炉内保护气氛的目的。
通入保护气氛的目的主要是保持淬火炉内的气氛与紧固件的材料中的碳含量保持平衡状态，气氛过低会造成材料中的碳原子与氧气反应而产生脱碳，气氛过高会造成原子进入材料中产生渗碳。
所以保护气氛的碳式主要是根据原材料中的含碳量来控制。
SCM435材料的含碳量为0.33～0.38。
根据上述标准要求其碳势控制在0.35～0.40。
5.3.2淬火介质的选择
热处理过程中常用的淬火介质有淬火油和水基淬火介质。
淬火油主要分三大类：
普通淬火油、快速淬火油、超速淬火油。
水基淬火介质主要分四大类：
水、无机物的水溶液（无机淬火剂）、有机聚合物淬火剂（有机淬火剂）、无机物加有机聚合物的水溶液。
而在紧固件行业中常用的淬火介质有水、有机聚合物淬火剂、快速淬火油三种，这三种的冷却速度依次降低，有机聚合物淬火剂淬火性能处于水与快速淬火油之间。
有机聚合物淬火剂主要是通过与水配比后的浓度来控制淬火性能，使用过程中成本较低但浓度的控制有较高的难度；快速淬火油直接使用不需配比操作简单、控制容易，所以选择快速淬火油。
5.3.3淬火温度和时间的选择
在淬火后回火前获得的马氏体组织不低于90%，根据上述标准中规定的含碳量与马
氏体最低淬火硬度的对照如图5.3：
图5.3不同C含量淬火后的硬度
SCM435材质的含碳量在0.33～0.38因而我们在淬火后的芯部硬度应该在HRC47及以上。
板条型马氏体组织是奥氏体化组织迅速冷却得到，所以在淬火加热过程中需得到完全奥氏体化组织，为得到理想的奥氏体组织需设定合理的淬火温度和淬火时间，温度过低和时间过短都会造成奥氏体组织转变不充分，温度过高和时间过长会造成奥氏体组织晶粒粗大化和零件的变形。
所以需确定合理的淬火温度和时间。
SCM435材料为亚共析钢，材料AC3值约800℃而理论奥氏体化温度为AC3+（30～50）℃。
所以SCM435材料的奥氏体化温度最低温度为830℃。
根据淬火保温时间的经验公式：
τ=a*K*D
式中：
τ为加热时间，min；
A为加热系数，min/mm；
K为装炉量修正系数；
D为工件有效厚度，mm。
查表得a=1.2～1.5，K由装炉量确定取3。
D应该取工件在网带上的厚度而非单个工件的直径，该厚度在20mm，因而最小保温时间τmin为：
τmin=（1.2～1.5）×3*D=（1.2～1.5）×3×20=72～90min。
根据要求和上述公式，淬火工艺设计如下：
淬火温度：
830～850℃
淬火时间：
70～90min
淬火硬度：
≥HRC47
淬火工艺示意图见图5.4：
图5.4淬火工艺示意图
5.4清洗：
用油淬火的零件在进入回火炉前必须清洗，除去表面油污。
淬火油通常被认为是缓和污物，可使用中性清洗剂来祛除（一种ph7左右的的水多元醇基混合物）。
5.5回火温度和时间的确定
回火温度的确定：
依据文献选择高温回火温度500～540℃。
回火时间的确定：
回火过程为材料马氏体组织转变为索氏体组织的过程，是决定着产品的最终机械性能的过程。
根据经验公式：
τh=（1.2～1.5）*τmin（τmin取30分钟）
τh=（1.2～1.5）*30=36～45分钟
根据网带炉的保温时间Th与淬火加热均温时间T3的经验公式：
τh=1/2τ3
根据上述公式计算：
τ3=2τh=72～90min
回火总时间：
τc=τ2+τmin=108～13min
回火工艺设计如下：
回火温度：
500～540oC
回火时间：
110～140min
冷却方式：
水冷
回火工艺示意图见图5.5
图5.5回火工艺示意图
5.6表面处理：
无铬锌铝涂覆层：
把铁工件浸入熔融的锌液，并在界面上形成锌与α铁（体心）固溶体，然后锌铁原子相互扩散形成核心，起到防锈目的。
5.7防氢脆处理:
氢脆：
氢脆是溶于钢中的氢聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。
处理措施方法：
表面处理后两个小时内必须经过4小时的204.5℃±13.5℃的烘烤，防止氢脆。
原理：
氢脆是由于在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹。
将工件加热至某一温度，保温一段时间，缓冷，使氢随溶解度逐渐变小，逐渐析出。
综上所述，总结整个制造工艺见图5.6。
图5.6总体制造工艺示意图
六、检测
6.1磷含量检测
依照探矿中查看矿石中是否含磷的检测方法原理，釆用配制的钼酸铵+硝酸溶液来检测螺栓表面有没有磷，以确定除磷效果，如产品表面还有残留的磷和磷化物，通过滴定产品表面溶液会呈现出蓝色，产品表面无残留的磷和磷化物，通过滴定产品表面溶液会呈现出原液的颜色。
检测方法如下：
①配制适当比例的销酸铵确酸溶液做为滴定溶液（微黄色）
②取待检测样品（从网带炉淬火进口出直接取样）
③在样品杆部和螺纹处滴定钼酸铵碑酸溶液，等待30秒钟，如产品表面药水呈蓝色，则表示产品表面还有磷化层，除磷不完全；如产品表面呈微黄色（原液颜色），则表示产品表面无磷化层，除磷完全。
6.2防锈性能检测
盐雾试验：
根据螺栓的服役环境，选取中性盐雾试验
中性盐雾试验：
采用5%的氯化钠盐水溶液，溶液PH值调在中性范围（6～7）作为喷雾用的溶液。
试验温度均取35℃，要求盐雾的沉降率在1～2ml/80cm·h之间。
要求：
最小480h出现红锈，颜色保持银色。
6.3常规检测
几何尺寸检测：
用游标卡尺测量螺栓的公称长度，螺纹长度等是否符合设计标准。
螺纹检测：
用螺纹千分尺，螺纹环规等工具直接测量大径，中径，小径，牙底圆弧，螺距等参数是否符合标准。
外观检测：
粗糙度仪器测表面粗糙度，目测颜色，碰伤，缺陷。
6.4无损检测
超声波检测：
用超声波检测原材料中材料的缺陷，如缩孔，松孔，夹杂等以及机械加工、淬火、回火等热处理后出现的拉痕，拉裂，磨削裂纹，折叠等。
6.5氢脆性检测
采用延迟破坏试验检测螺栓氢脆性。
延迟破坏试验：
将被试材料按相关标准制成缺口拉伸试棒（如图6.1所示），在规定条件下将试棒在持久试验机上施加未电镀试样抗拉强度75%的超载荷。
若在200h后未发生断裂，则证明氢脆性能合格。
延迟破坏试验灵敏度高，试用于测定高强度螺栓的氢脆性。
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