緊固件（螺栓）熱處理工藝研究 

緊固件在市場上也稱為標準件，是將兩個或兩個以上的零件（或構件）緊固連接成為一見整體時所采用的一類機械零件的總稱。在各種機械、設備、車輛、船舶、鐵路、橋梁、建筑、結構、工具、儀器、儀表和用品等上面，都可以看到各式各樣的緊固件。它的特點是品種規格繁多，性能用途各異，而且標準化、系列化、通用化的種度也極高。作為結構材料使用，它的性能在很高的層面上決定了產品的質量，因此其性能的提升具有重要的意義。本論文主要研究的是緊固件螺栓的熱處理工藝。

無論緊固件的組織性能還是力學性能都與熱處理工藝有關，緊固件性能的關鍵在于熱處理工藝，熱處理對緊固件的影響很大。通過熱處理可以使緊固件獲得良好的綜合性能。

關鍵詞：緊固件，螺栓，熱處理，45鋼，調質，淬火，回火

第一部分：緊固件的研究現狀

第二部分：原材料的選擇

第三部分：加熱設備的選擇

第四部分：熱處理工藝

第五部分：熱處理后效果分析

一、緊固件的研究現狀

隨著我國制造業發展，緊固件產業作為制造業生產鏈上不可或缺的基礎件。整體來看，我國緊固件生產專用設備與先進工業國的專用設備相比，無論是設備的制造精度，結構的先進程度，工藝的適用范圍，構建的材質選擇，制造和更新速度，計算機的應用等方面人有相當大的差距，高強度緊固件不僅要滿足產品的力學性能，而且要滿足裝配的工藝要求，對生產裝配過程中嚴格控制扭矩，螺栓嚴格控制摩擦系數保證軸向力這方面的研究還相當薄弱，任重而道遠。

（1）原材料的選擇，主要是根據螺栓的性能要求選擇合適的原材料。

（2）觀察原材料的組織，磨制金相，分析材料組織。

（3）最終熱處理工藝。主要從原材料的性能和相圖出發確定熱處理方法。

（4）檢驗試樣的性能，測試樣的硬度。

（5）觀察熱處理后的組織，磨制金相，分析組織結構。

二、原材料的選擇

1、選用聯接件和聯接件的材料

選用聯接件和聯接件的材料是一項非常重要的工作，因為大多數機器的損壞，毛病都是出現在聯接的地方，尤其是某些場合中，聯接件往往起著非常重要的作用，如果聯接件在機器運轉中一旦遭到破壞，就會造成不堪設想的嚴重事故。所以對與設計和選用聯接件（包括材料）既要經濟，同時又要按照工作條件的要求，具有足夠的強度、剛度及緊密性，不可忽視。

2、 螺栓聯接的特點

螺栓聯接的特點是螺栓貫穿兩個或兩個以上被聯接件的通孔，在其另一端擰上螺釘、母；這種聯接由于無需在被聯接件上切制螺紋，構造簡單，裝拆方便，而且他的使用不受被聯接材料的限制，所以應用最廣。按加工的不同，螺栓可分為粗制和精制兩種；精制的用于重要的、裝配精度高的、以及承受較大沖擊，震動或變載荷的地方。按頭部形狀及用途的不同，又可分為：六角頭螺栓、方頭螺栓、沉頭螺栓、半圓頭螺栓、T型槽用螺栓、鉸鏈用活節螺栓和地腳螺栓等多種形式，其中以六角頭螺栓應用最為廣泛。

3、 螺栓受載及主要損壞形式

螺栓是螺紋緊固件中主要的受力零件，它在工作過程中受載情況和主要損壞形式，主要有以下三種類型：

（1）受拉螺栓連接：這類螺栓在工作，中主要承受拉伸力（間或有彎曲應力），同時由于其形狀上的特點（存在螺紋），零件內部往往存在應力集中傾向；故其損壞形式，在靜載荷下多為螺紋部分的塑性變形和斷裂，在變載荷作用下則多為螺桿部分的疲勞斷裂（主要發生在有應力集中處的螺紋部分），如果螺紋精度低或聯接經常裝拆，則螺紋牙的滑扣現象也用可能發生。

（2）受剪螺栓聯接：這類螺栓在工作中主要承受剪切應力，并與被聯接件孔壁互壓，此外栓桿還承受一定的彎曲應力（但在個結合面切緊情況下可不考慮），聯接的可能損壞形式有：螺栓被剪斷，栓桿和孔壁中弱者被壓潰，如螺栓兼做銷軸并與孔壁相對滑動，則為弱者被磨損。

（3）受拉、受剪螺栓聯接：這種聯接大多都是擰緊的，在拉伸力和剪切復合力的作用下，其可能發生的損壞形式是：螺栓在抗剪面處斷裂，螺紋部分斷裂以及栓桿和孔壁中的弱者被壓潰。

4、 螺栓材料的性能要求

材料的性能要求：

（1）應該有足夠強的抗拉強度、屈服強度和疲勞強度以及適當的硬度，以保證其在正常工作條件下。不致遭到破壞。

（2）應該有良好的塑性和可切削加工性，以便于進行冷鐓和切削加工。

 對于重要的高強度螺栓，則要求材料應具有較高的抗拉強度、韌性和良好的淬透性、低的缺口敏感度以及較高的抗彎強度和疲勞強度，以免產生松弛現象和過早失效。

對于高溫螺紋緊固件，要求材料具有高的抗松弛型、足夠的強度、低的缺口敏感度，一定的高溫持久強度，小的蠕變脆化傾向和良好的抗氧化性。

對于低溫緊固件，當工作溫度低于某一臨界值時，材料本身的韌性便會急劇下降，極易產生脆斷；所以，要求材料應有較好的低溫脆性。

對于在腐蝕介質中工作的螺紋緊固件，則要求材料應有良好的耐腐蝕性。

  材料的選用

根據材料的性能要求選擇合適的材料，現在制造螺栓常用的原材料主要有35鋼、45鋼、40Cr等。分別對它們進行分析：

35鋼：（1）化學成分：含碳量C%=0.32～0.40%，含硅量Si%=i0.17～0.37%，含錳量Mn%=0.50～0.80%，含磷量P%≤0.040%，含硫量S%≤0.04%。

（2）主要特征：含碳量較高，已不適于滲碳，鋼的硬度、強度均較高，且有較好的塑性，切削性好，焊接性中等，淬透性仍低，一般在正火或調質狀態下使用；機械性能要求不高時也可以在熱軋供應狀態下使用。

（3）用途：用作截面較小，受力較大的機械零件，如：螺釘、絲桿、拉桿、齒輪等，以及在自動機床上加工的緊固件，但不用作焊接件。

（4）機械性能：抗拉強度σ_b=540N/mm²，屈服極限σ_s=320N/mm²，彎曲疲勞極限σ_-1=220～300N/mm²，抗壓疲勞極限σ_-1I=170～220N/mm²。

45鋼：（1）化學成分：含碳量C%=0.42～0.50%，含硅量Si%=i0.17～0.37%，含錳量Mn%=0.50～0.80%，含磷量P%≤0.040%，含硫量S%≤0.04%。

（2）主要特征：45鋼是應用最廣的一種鋼，為高強度中碳鋼。其特點是強度較高，塑性及韌性尚好，切削性優良，經調質處理后能獲得較好的綜合力學性能，無回火脆性；但焊接性能不還，淬透性較低，水淬是且有裂紋形成傾向。當直徑較大時（60～80mm），調質狀態和正火狀態的機械性能相近，因此，大截面零件常以正火作為最終熱處理。

（3）用途：一般在正火或調質，或高頻表面淬火狀態下使用，用于制作承受負荷較大的小截面調質件和應力較小的大型正火零件以及對心部強度要求不高的表面淬火件。一般不做焊接件，如需焊接，則焊接前需進行預熱，焊后要進行消除焊接應力退火處理。

（4）機械性能：抗拉強度σ_b=610N/mm²，屈服極限σ_s=360N/mm²，彎曲疲勞極限σ_-1=250～340N/mm²，抗壓疲勞極限σ_-1I=190～250N/mm²。

40Cr：（1）化學成分：含碳量C%=0.32～0.44%，含硅量Si%=0.17～0.37%，含鉻量Cr%=0.80～1.10%。

（2）用途：一種最常用的合金調質結構鋼，用于制造承受中等負荷和中等速度工作條件下的機械零件，如汽車的轉向節、后半軸及機床上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等，也可經調質并高頻表面淬火后用于制作具有高的表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零件，如齒輪、套筒、軸、主軸、曲軸、心軸、銷子、連桿螺釘、進氣閥等。也可經淬火，中溫或低溫回火，制造承受重負荷的零件，又適于制造進行碳氮共滲處理的各種傳動零件，如直徑較大和要求低溫韌性好的齒輪和軸。

（3）機械性能：抗拉強度σ_b=750～1000N/mm²，屈服極限σ_s=650～900 N/mm²；疲勞極限：彎曲σ_-1=320～440N/mm²，抗壓σ_-1I=240～340N/mm²。

綜合比較，最終選擇45鋼，因為45鋼是工業生產中應用最廣的一種鋼，為高強度中碳鋼。強度較高，塑性及韌性尚好，切削性優良，經調質處理后能獲得較好的綜合力學性能，無回火脆性。它的使用性能可以滿足產品零件工作條件的要求，工藝性能適應產品零件的加工要求，且從經濟角度考慮，45鋼的成本較40Cr低。因此最終選擇45鋼作為原材料。

三、熱處理加熱設備的選擇

1、  熱處理設備概論

在機械制造過程中熱處理占重要地位，它對保證產品質量，提高機器工作效能和延長機器使用壽命都起著重要的作用，任何一種熱處理工藝，只有通過相應的設備才能實現。

目前，熱處理設備的種類已十分繁多，根據它們在熱處理生產過程中所完成的任務，通常將熱處理設備分為主要設備和輔助設備兩大類。威力增加產量、提高質量和改善勞動條件，推行流水生產和自動化生產，又組合成了許多綜合熱處理設備——熱處理聯合機。

主要設備是完成主要熱處理工序所用的設備，包括加熱設備和冷卻設備。這類設備對熱處理效果和產品質量起到決定性的作用，兩者之間又以加熱設備為主要，包括各種熱處理爐和加熱設備。

輔助設備是完成各種輔助工序及主要工序中的輔助動作所用的設備及各種工夾具。主要包括清洗設備、校正設備、起重運輸設備、控制氣氛設備及各種工夾具等。

熱處理爐是最主要的熱處理設備。為了便于選擇使用和分析比較，常依一下幾種特征進行分類：

（1）按熱能來源分類：電阻爐、燃燒爐。

（2）按工作溫度分類：低溫爐（≤650℃）、中溫爐（650～1000℃）、高溫爐（>1000℃）。

（3）按爐膛介質分類：自然介質爐、浴爐、可控氣氛爐、真空爐。

（4）按作業規程分類：周期作業爐、連續作業爐。

2、 電阻爐的選擇

熱處理電阻爐的基本工作原理，是電流通過電熱元件是由于電流的熱效應而產生熱能，借輻射或對流作用，將熱量傳至加熱工件表面，使工件加熱。熱處理電阻爐又可分為箱式電阻爐和井式電阻爐。

熱處理燃燒爐的基本工作原理：是通過燃料在燃燒室燃燒后，進入爐膛內，借輻射、對流或傳導的作用加熱工件。熱處理燃燒爐可分為：固體燃燒爐、液體燃燒爐和氣體燃燒爐。

熱處理電阻爐與燃料爐相比，具有結構簡單、體積小、操作方便、爐溫分布均勻以及溫度控制準確等特點，在熱處理生產上得到了十分廣泛的應用。因此選用電阻爐，又因為加熱小型零件，所以最終選用中溫箱式電阻爐作為此次的熱處理設備。

四、熱處理工藝

1、原始組織

45鋼試樣的市場供應狀態為熱軋狀態，就相當于45鋼的正火處理。將該試樣在砂輪機和砂紙上進行打磨，根據砂紙粒度的不同從粗到細依次打磨，打磨的時候用力要均勻，換砂紙的標準是試樣上的劃痕全為一個方向，試樣在砂紙上打磨好后，在拋光機上拋光，拋光完成后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察組織。所得到的室溫金相組織形貌圖如圖2-1所示。

圖2-1

試樣：45鋼

狀態：正火狀態

放大倍數：500倍

腐蝕劑：4%硝酸酒精

組織：鐵素體+珠光體

硬度：13HRC

說明：白色塊狀物為鐵素體，黑色的層片狀組織為珠光體

2、45鋼的淬火

鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。

鋼的淬火是熱處理工藝中最重要的也是再廣泛的工序。淬火可以大幅度提高鋼的強度與硬度，淬火后為了消除淬火鋼的殘余內應力，得到不同強度、硬度與韌度的配合，需要配以不同溫度的回火，所以淬火和回火是不可分割的、緊密聯系的兩種熱處理工藝。

下面主要討論鋼的淬火情況：

淬火溫度：45鋼為亞共析鋼，淬火溫度應該為Ac3+（30～50℃），最終取加熱溫度為840℃。

淬火加熱時間：根據淬火加熱時間經驗公式可得τ=α*κ*D（單位為分鐘）。

α為加熱系數，試樣為碳鋼，在800～900℃箱式爐中加熱，直徑小于50mm，所以α取1.0～1.2。κ為裝爐量修正系數，根據裝爐量κ取1.0。D為工件的有效厚度，圓柱體試樣的有效厚度取工件直徑， 所以D取8mm。

綜上所述τ=α*κ*D=1.2*1.0*8=9.6分鐘≈10分鐘。

淬火介質：冷卻是淬火的關鍵工序，它關系到淬火質量的好壞，同時冷卻也是淬火當中最容易出問題的的一道工序。淬火技術的高低，主要以冷卻操作的優劣來體現。

一般的淬火都需要快速冷卻。快速冷卻是為了防止過冷奧氏體在Ms點以上發生任何分解。根據連續冷卻C曲線可知，過冷奧氏體在大約650～400℃之間分解最快，因此，只需要在這一溫度區間內快冷，而在這以上和以下的溫度區間內，并不要求快冷。在Ms點以下反而希望冷卻緩慢些，以防止淬火變形和開裂。所以，鋼在淬火時，最理想的冷卻方式，就是對冷卻介質的要求。

根據淬火介質的冷卻特性，可分為兩大類：第一類、各種水質淬火劑和油質淬火劑；冷卻曲線是先慢后快又變慢。第二類、各種低溫鹽浴、堿浴、金屬浴等；當工件淬入這類介質后，由于工件和介質間溫差很大，很快達到最高的冷卻速度，而隨著溫差的減小，冷卻速度及迅速減小。

由45鋼的性能特征可知：45鋼強度較高，塑性及韌性尚好，切削性優良，經調質處理后能獲得較好的綜合力學性能，無回火脆性；但焊接性能不還，淬透性較低，水淬是且有裂紋形成傾向。水淬和有淬相比：油的冷卻能力比水小，但有的冷卻特性比水好的多。所以最終選擇油做淬火介質。

淬火方式：鋼的淬火方式有4種，單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火等，選擇單液淬火。

將熱處理爐加熱到840℃，把試樣放入爐中，保溫10分鐘，取出油淬。再對淬完火的試樣，經打磨、拋光，并用4%的硝酸酒精腐蝕，觀察組織。所得到的室溫金相組織形貌圖如圖2-2所示。

圖2-2

試樣：45鋼

狀態：840℃淬火狀態

放大倍數：500倍

冷卻介質：油

腐蝕劑：4%硝酸酒精

加熱設備：中溫箱式電阻爐

組織：鐵素體+托氏體+馬氏體

硬度：25HRC

說明：白色塊狀物為鐵素體，托氏體是極細珠光體，易侵蝕成黑色團絮狀，以及灰白色塊狀馬氏體。

3、   45鋼的回火

將淬火后的工件加熱到低于（A1）臨界溫度的某一溫度，保溫一定時間，然后以適當的冷卻方式冷至室溫的工藝，即為回火。回火是緊接淬火的一道熱處理工序。除某些特殊情況外，鋼在淬火以后都要進行回火。回火決定著鋼在使用狀態的組織和性能，因此，回火是很關鍵的工序。回火不足還可以再次回火，但一旦回火過度，就使前功盡棄，必須重新淬火才可以。

在生產中實際采用的回火有4種：

低溫回火（150～250℃），得到回火馬氏體組織，工件硬度高，耐磨性好，疲勞抗力大。多用于刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承、精密偶件以及超高強度鋼構件。

中溫回火（350～500℃），得到回火屈氏體組織，屈強比（σ_s/σ_b）高，彈性好。多用于各種彈簧的熱處理。

高溫回火（500～650℃），得到回火索氏體組織，強度和韌性的綜合性能高。多用于軸類、連桿、連接件等。調質處理即為淬火加高溫回火。

45鋼是應用最廣的一種鋼，為高強度中碳鋼。其特點是強度較高，塑性及韌性尚好，切削性優良，經調質處理后能獲得較好的綜合力學性能，無回火脆性。所以進行高溫回火。

回火溫度：因為是調質處理（淬火+高溫回火），所以選擇高溫回火，溫度范圍為500～650℃之間，最終確定600℃回火。

回火時間：根據回火保溫時間參數表，回火類型為高溫回火，加熱爐為空氣爐，工件有效厚度<25mm，所以最終選擇保溫時間τ=50分鐘。

回火冷卻：因為不用擔心工件開裂，和第二類回火脆，所以選擇空冷。

將熱處理爐加熱到600℃，把試樣放入爐中，保溫50分鐘，取出空冷。對試樣打磨、拋光，并用4%的硝酸酒精腐蝕，觀察組織。所得到的室溫金相組織形貌圖如圖2-3所示。

圖2-3

試樣：45鋼

狀態：600℃高溫回火

放大倍數：500倍

冷卻介質：空氣

加熱設備：高溫電阻爐

腐蝕劑：4%硝酸酒精

組織：回火索氏體

硬度：20HRC

說明：鐵素體與粒狀碳化物的混合物

五、熱處理后結果分析

    我們知道隨著45鋼熱處理方式的不同，熱處理后的組織和性能具有很大的差異，現在我們主要分析熱處理后組織性能。

1、金相組織分析依據

經過多年的發展，對于鋼的熱處理知識，我們研究的越來越深，從前人的研究成果中我們知道為使鋼件經熱處理后能獲得所要求的組織和性能，大多數的熱處理工藝都需要先將鋼件加熱至臨界點以上，使之轉變為奧氏體，及奧氏體化，然后再以一定的方式冷卻使之轉變為所需的組織。鋼加熱時形成的奧氏體組織形態對熱處理后的組織和性能有很大的影響。因此加熱轉變是鋼進行各種熱處理的基礎。

珠光體是鋼鐵材料熱處理過程中出現的另一種重要組織。珠光體轉變發生在過冷奧氏體轉變的高溫區，又稱為高溫轉變，屬于擴散型相變。鋼鐵材料在退火和正火中都要求發生珠光體轉變，而淬火時則力求避免發生珠光體轉變。

我們知道碳在鋼鐵中可以有四種形式存在：碳原子溶于α—Fe形成的固溶體，稱為鐵素體；碳原子溶于γ—Fe形成的固溶體，稱為奧氏體；碳原子與Fe原子形成的復雜結構的化合物Fe₃C，稱為滲碳體；或者是游離態的石墨，其中Fe₃C是亞穩態，一定條件下會分解為鐵和石墨。所以研究鋼熱處理后的組織將參照于Fe、Fe₃C和C的分布情況相關的鐵碳相圖。如圖3-1所示。  

1.1、45鋼淬火組織分析

45鋼的含碳量為C%=0.42～0.50%，從鐵碳相圖我們可以看出加熱溫度在750℃～930℃之間時45鋼會與GS線有交點，該點即為其臨界點Ac₃，從圖中我們可以看出Ac₃點的溫度約為780℃。所以可知在840℃和930℃加熱溫度下45鋼均完全奧氏體化，而加熱溫度在低于這個溫度時，45鋼當中還殘存有α相。這一點正好說明了圖2—2中出現鐵素體以及硬度不夠的原因。圖2—2為45鋼840℃在中溫箱式電阻爐加熱后油淬得到的金相組織。按理論知識，應用這個熱處理工藝得到的組織應該為托氏體+馬氏體，可是出現了鐵素體組織。淬火組織中出現鐵素體組織的原因有兩個：第一、淬火時，淬火介質的冷速不足；主要是淬火介質選擇不合理，淬火介質油的冷卻速度比較小，應該選用較大冷卻速度的介質。冷卻速度比油快的有水、鹽水和堿水等。水、鹽水、堿水三者相比較，鹽水和堿水的冷卻速度比水的高，但是堿水對工件有腐蝕，所以選擇鹽水，而鹽水的濃度在10%時冷卻能力最好，所以選擇10%的鹽水作為淬火介質。第二、淬火時加熱溫度不足。淬火時使用的加熱爐是中溫箱式電阻爐，主要靠輻射傳熱，且加熱方式是到溫入爐，在裝入工件過程中，空氣對流，爐內溫度下降，使加熱溫度不足。所以加熱溫度應該取45鋼淬火的上限，即加熱溫度升為860℃，保溫10分鐘。這樣就可以消除塊狀鐵素體，得到所需的性能。

1.2、45鋼回火組織分析

45鋼淬火后回火，得到的組織為回火索氏體，硬度達到要求，因此回火的工藝是合理的。

熱處理工藝對鋼鐵材料物理和化學性能有很大的影響，因此控制熱處理工藝對鋼鐵材料性能的提升具有重大意義。在本次設計中我們通過不同的熱處理方式來探討熱處理工藝對45鋼組織和性能的影響。對實驗結果分析得到以下規律：45鋼熱處理過程中加熱溫度和冷卻速度的改變對其組織性能有很大的影響，加熱速度不宜過高，也不能過低。溫度過高容易使工件過燒，導致工件報廢；而溫度過低又達不到預期的目的。冷卻速度對其組織性能的影響更大，冷卻速度的改變直接引起其組織結構的改變，進而大幅度影響材料的性能。

在經濟全球化的今天，產品的更新換代速度，應經達到我們無法想象的地步，要想在競爭中占得先機，必須研發性能優越的原材料，原材料的質量是產品質量的基本保證。縱觀整個世界，鋼鐵材料是應用最為廣泛的。也是與國名經濟聯系最密切的，45鋼是最重要的鋼鐵材料之一，所以研究與45鋼性能相關的熱處理工藝具有重大意義。通過熱處理工藝的改進因其的產品質量的提升必將對中國乃至世界經濟的發展做出相當重要的貢獻。