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自攻锁紧螺钉的热处理
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:455

 轻量化是未来汽车、摩托车重要的发展方向之一,这是由于国际性的资源和能源紧缺问题促使集约化、节省资源化日益成为重要的课题。因此,在汽车、摩托车组装不可缺少的螺栓联接上,势必追求更加合理的紧固件技术。是为了减少紧固工时而研制的,广泛应用于汽车、摩托车等各类机械领域。  

  一般的螺钉需要在紧固物上预先加工出内螺纹或者使用螺母,而自攻锁紧螺钉,其螺纹部分横截面为三棱圆形,螺纹牙型与普通螺纹相同,但其有效直径较普通螺纹大,配以螺钉前端的锥形引导部,螺钉以通常的拧入方式,可在具有塑性变形能力的机体预制光孔上挤压出内螺纹,从而实现有过盈的联接。此种螺钉既具有防松,又可免去机体上预制螺孔的程序,是技术、经济性俱佳的新品种,国外已广泛采用。随着10余年技术引进,自攻锁紧螺钉在国内汽车、摩托车行业亦已可批量生产,只是螺钉本身的价格较普通螺钉高,下面浅述自攻锁紧螺钉的材料的与热处理。  

  自攻锁紧螺钉种类  

  自攻锁紧螺钉为粗牙普通螺纹系列,螺纹规格为m3~m12的螺钉。自攻锁紧螺钉的螺具有弧形三角截面的螺纹,该螺钉经表面淬硬,可拧入黑色或有色金属材料的预制孔(可由钻削、冲切或压铸制成)内,挤压形成内螺纹。当螺杆上不全部制出螺纹时,其无螺纹杆部可制成直径等于或小于外接圆直径的圆柱形或三棱形。  

  自攻锁螺钉具有低拧入力矩、高锁紧性能。自攻锁紧螺钉根据国家标准分为五大类:十字槽盘头(gb/t6560)、十字槽沉头(gb/t6561)、十字槽半沉头(gb/t6562)、六角头(gb/t6563)、内六角花形圆柱头(gb/t6564)自攻锁紧螺钉。自攻锁紧螺钉一般用气动或电动改锥紧固,多数使用为紧固件效率较高的六角头。  

  材料和工艺要求  

  1.材料和化学成分  

  自攻锁紧螺钉应由高质量渗碳钢冷镦制造,一般不大于m12,成品料在冷镦制造的前须进行高减面率的拉拔,为利于冷镦性必须进行软化退火。为了增强表面硬度及心部韧性,大部分采用低碳钢制造,标准中材料化学成分的规定仅仅是指导性,wc为0.13%~0.27%,wmn为0.64%~1.7%,wb可达到0.005%。常用钢材内含s、p、si、mn元素一般要比同类牌号的普通螺栓用钢低,铸锭和材料的表面质量控制比较严格,以减小变形抗力和防止变形开裂。常用牌号为20mn、15mnb、sorm10、、swrm15、swrch22a和中碳、中碳合金钢swrch35k、scm435、scr435。  

  2.工艺要求  

  自攻锁紧螺钉由于要求具备能自攻低碳钢板的性能,因此要求高硬度的表面,以实现切削和挤压能力。与此同时还必须有足够的心部强度和韧性的配合,以防止在工作中发生扭曲或扭断。这类螺钉的渗碳属于浅层渗碳,因此,国内外大都选用网带炉或震底炉连续生产线。  

  自攻锁紧螺不论低碳钢还是中碳钢、中碳合金钢都要施行渗碳淬火、。硬化层深度过浅,表面硬度和扭转强度不足,拧入时,螺纹牙或变形或滑扣;相反,硬化层太深,容易变脆,不是掉头就是折断。氢脆的敏感性也高,这种趋势与回火条件和材料有密切的关系。自攻锁紧螺钉在标准中规定渗碳有效硬化层深度的范围较广,应考虑自攻锁紧螺钉的用途、尺寸材质和回火条件,在规定的范围内适当地增减目标值。自攻锁紧螺钉碳有效硬化层深度见表1。  

    

  自攻锁紧螺钉不但要求具有较高强度,同时还要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,经过渗碳淬火处理以达到设计和使用的需要。  

  自攻锁紧螺钉心部硬度为290~370hv10(28~38hrc),高频淬火螺纹表面最小硬度应为45hrc。  

  1.影响渗碳工艺的主要因素  

  (1)温度和时间当螺钉的材质、渗碳温度和碳势确定后,渗碳时间将根据渗碳层深度确定,一般浅层渗碳约1~2.5h。  

  (2)渗碳气氛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。为了评价气氛的渗碳能力,把在设定温度下,钢件表面碳含量(奥氏体状态)与炉中气氛达到平衡时,钢件表面的实际碳含量称为碳势,并通过控制碳势来控制气氛的渗碳能力。在旋转滚筒炉内渗碳,碳势为0.90%~1.00%;在连续式网带炉内渗碳,碳势为0.85%~0.90%。  

  (3)钢的化学成分钢中的合金无素对钢的吸收碳的能力和碳向内部扩散都有很大影响。mn、b、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、适当的渗透性的条件下,自攻锁紧螺钉常有15mnvb、20mntib、scm435和swrch35k钢制造。  

  随着表面碳含量增加,螺钉的抗弯强度及冲击韧底降低,而抗扭强度及疲劳强度提高,当碳的质量分数为0.85%~0.9%时达到最大值。当碳的质量分数低于0.70%时,耐磨性强度不足;当高于1.0%时,则因淬火后表面碳化物及余奥氏体量增加而损害钢的性能。  

  2.热处理工艺方案的选定  

  对低碳钢20mn、swrch22a、20mntib或中碳钢、中碳合金钢swrch35k、scm435、40cr钢制螺钉,必须在可控气氛炉中进行渗碳淬火,表面的碳还原应超过心部,渗碳层应根据螺钉规格选择,对于合金钢可渗碳直接淬火,而对碳素应渗碳后空冷,再次加热淬火,见表2。  

  自攻锁紧螺钉淬火后,心部硬度必须保证在28~38hrc范围内和不低于最小拉力载荷930mpa,根据材质不同,最低淬火温度为420℃。  

  为了保证自攻锁紧螺钉能顺利拧入预制的圆柱孔,螺钉未端应通过高频淬火保证至少三个完整螺纹牙淬硬,最小表面硬度为45hrc,高频淬火后,螺钉应在280~290℃回火2~4h。  

  测试检验方法  

  1.金相与硬度试验  

  (1)常规检验时,表面硬度可在螺钉的末端、杆部或头部测定(只要表面渗碳有效硬化层深度和螺钉的几何形状允许)。对螺纹公称直径不小于m4的螺钉,应使用显微维氏硬度计(试验力0.3hv)测定表面硬度。在纵向截面试样的形轮廓上,距试样边缘距离至少0.05mm的部位上进行,对螺纹公称直径小于m4的螺钉应在平面上,并优先在头部进行。心部硬度应在距螺钉末端有足够距离(应有完整的螺纹小径)的横载面的1/2半径进行。  

  (2)在金相显微镜下观察显微组织,在渗碳有效硬化层与心部间不应呈现带状亚共析铁素体。渗碳有效硬化层深度试验应在螺纹侧面上进行,测点应在牙顶与牙底的距离一半处。但对不大于m4的螺钉,则应在牙底上进行试验。当用试验力为3n的显微维氏硬度计进行测定时,渗碳在有效硬化层深度应自超过实际心部硬度30hv0..3.的试验点起计算。  

  2.力学性能试验  

  (1)拧入性能试验是将螺钉试样拧入试验板内,直至一扣完整螺纹完全通过试验扳,而不损折。  

  (2)破坏性扭矩试验是将螺钉试件的杆部夹紧在与螺钉螺纹相匹配的、开合的螺纹模具或其他装置内,用经标定的扭矩—测量装置,对螺钉加扭矩直至断裂,断裂不应发生在被夹紧的螺纹部分。  

  (3)对螺钉试样进行拉力试验,检验破坏最小拉力载荷,断裂应在杆部或未旋合的螺纹长度内,而不应发生在钉头与杆的交接处,试样断裂前,应能达到相应性能等级规定的最小拉力载荷。  

  (4)氢脆性是自攻锁紧螺钉在表面处理工序时必须严格注意的问题。在酸洗工序,螺钉放在稀盐酸中搅动,酸洗中钢吸收的氢量随时间的平方根而成线性增长达到饱和值,当电镀、磷化工序(电镀、电解除油)阴极电流效率达不到100%,会产生大量的氢原子,附在螺钉表面,从而产生渗氢,钢因吸收氢而变脆。  

  自攻锁紧螺钉驱氢时间6~8h,温度选择160~200℃(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、酸浓度等诸多生产条件,确定驱氢时间。最好在钝化处理前、刚刚电镀之后进行。  

  抗氢脆性试验应严格规定,一旦发生氢脆,则必须改进驱氢工艺。  

  结语  

  随着自攻锁紧螺钉生产的快速发展,对其品质要求不断提升,只有从材料、热处理、研发、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品牌产品。

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