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張先鳴老師根據(jù);金相檢驗技術(shù)與緊固件失效案例、;熱處理工藝與金相檢驗技術(shù)的關(guān)系、;緊固件原材料綜合選材與熱處理工藝 等金蜘蛛培訓(xùn)會上學(xué)員的提問，總結(jié)出以下內(nèi)容，供業(yè)內(nèi)同行參考，不當(dāng)之處請批評指正。

張先鳴老師

一、網(wǎng)帶爐怎樣防止緊固件增或脫碳?

8.8級以上高強度緊固件多采用SWRCH35K、35CrMo、40Cr鋼制造，采用冷鐓成形時，原材料的脫碳層不但仍然存在，而且被擠壓到螺紋的頂部，造成螺紋強度大大降低，使用時發(fā)生脫扣現(xiàn)象，使螺栓失去緊固作用。因此，除在淬火加熱時要保護螺紋牙尖不脫碳，還要對原材料已脫碳的螺栓進行適度的復(fù)碳。

把網(wǎng)帶爐中的保護氣氛的碳勢調(diào)到和被復(fù)碳的螺栓原始含碳量基本相等，使已脫碳的螺栓慢慢恢復(fù)到原來的含碳量，碳勢設(shè)定在鋼材含碳量的上限約0.35%～0.48%，復(fù)碳溫度與淬火基本相同，不能在高溫下進行，以免晶粒粗大，影響機械性能。

在使用網(wǎng)帶爐進行調(diào)質(zhì)工藝時，雖然采用了氧探頭進行碳勢精準控制，并不是設(shè)定好了參數(shù)，整個過程都可以自動完成的，至于通入富化劑的流量、通入時間等都是自動調(diào)節(jié)的。富化劑又稱滲碳介質(zhì)不采用任何限制裝置，只要閥門打開，介質(zhì)呈最大量輸入爐內(nèi)，這些錯誤的使用方法往往會短時間內(nèi)造成爐內(nèi)嚴重積碳，從而影響氧探頭的毫伏值正常輸出，以至爐內(nèi)碳勢值實際偏差，造成螺栓表面增碳。

進料之前，必須先將工件表面層上的油脂清洗干凈，工件有良好潔凈的表面，必然對爐內(nèi)的碳勢氣氛控制有非常重要的影響。氧探頭上的碳黑污染和氣氛的滲透都會給探頭的毫伏指示造成誤差，氧探頭前緣延伸至端部設(shè)有一可感測爐內(nèi)氧含量的測氧探頭，其材質(zhì)是敏感度極高的氧化鋯所制成，在高溫工作爐內(nèi)，如覆蓋有積碳時，使得偵測電極頭附近的氧含量減少，此時氧探頭反應(yīng)的是附近的氣氛，碳控儀自動控制下的富化劑流量減少，以至爐內(nèi)實際碳勢下降;反之，碳控儀自動控制下的富化劑流量增加，以至爐內(nèi)實際碳勢上升。

用氧探頭進行碳勢控制，實際上是對爐氣中的氧含量作單因素控制，而在爐氣中，還存在CO、CO2、CH4、H2等多種組份，如果希望能自動精確控制碳勢，僅靠氧探頭，從理論上講，還是有一定的難度的。

網(wǎng)帶爐爐口和爐膛落料口都設(shè)有用不銹鋼箔或片制成的多層氣簾，是為了提高爐內(nèi)氣壓，且防止空氣竄入爐內(nèi)，以提高爐內(nèi)氣氛穩(wěn)定性，這一點很重要。氣簾因受高溫氣體侵蝕容易變脆而損壞，損壞部位應(yīng)及時修補，否則將影響爐內(nèi)氣密性，則碳勢也將受到波動;需增大富化劑流量才能保證碳勢穩(wěn)定。

因為氧探頭工作環(huán)境十分惡劣，應(yīng)特別注意保養(yǎng)。氧探頭的氧化鋯陶瓷脆性很大，且耐急熱急冷性差，安裝時切忌碰撞和快捷安裝。新造的網(wǎng)帶爐一定要經(jīng)過烘爐和對爐膛預(yù)滲碳以后才可插入氧探頭，探頭最好在冷爐時裝卸。如必須在工作溫度下進行裝卸，則應(yīng)該緩慢插入或拔出。尤其是在高溫工作狀態(tài)下的安裝，必須緩慢插入，一般應(yīng)以10～20mm/min的速度緩慢插入，否則會因探頭核心部位爆裂而導(dǎo)致?lián)p壞。

根據(jù)經(jīng)驗，氧探頭故障主要是探頭內(nèi)炭黑過多、探頭失靈，不同生產(chǎn)廠家氧探頭產(chǎn)品的質(zhì)量不同，絕大部門探頭因內(nèi)外電極脫落、氧化，造成漏氣而報廢。

二、網(wǎng)帶爐網(wǎng)帶壽命低的原因是什么?

一般的企業(yè)都是使用連續(xù)式網(wǎng)帶爐，主要用于低、中碳結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)，SWRCH35K、SWRCH25K、40Cr、10B21、10B33、SCM435等鋼材的產(chǎn)品，碳勢控制在0.25%～0.35%左右，可是淬火爐的網(wǎng)帶最長有的使用不到6個月，有時只能用1個月就發(fā)生脆斷。網(wǎng)帶材質(zhì)為SUS310S不銹耐熱鋼絲，一直以來認為是網(wǎng)帶材質(zhì)有問題，后來直接使用日本進口材質(zhì)，使用壽命仍沒有提高。

將脆斷的網(wǎng)帶絲進行金相檢驗，網(wǎng)絲的最外表層有硫化物層，生成了脆性的FeS2，次表層是增碳層，使網(wǎng)帶變脆，實際上表面相當(dāng)于滲碳和滲硫，表層極易脫落;網(wǎng)絲的心部組織中有碳化鉻析出，產(chǎn)生了敏化現(xiàn)象，出現(xiàn)了脆性。

使用后的網(wǎng)帶脆性大，輕輕一掰就斷裂，無法進行修補。將脆斷的網(wǎng)絲經(jīng)900℃×4h空氣爐中保溫后空冷至室溫，同樣用手掰，沒有斷裂，且有一定韌性。金相檢驗顯微組織網(wǎng)絲表面的硫化物大部分消失了，滲碳層有所減少，其主要發(fā)生了以下化學(xué)反應(yīng)：

4FeS2+11O2→2Fe2O3+8SO2，F(xiàn)e3C+3O2→Fe3O4+CO2;同時經(jīng)過900℃保溫后，網(wǎng)絲中心的碳化鉻大部分溶解。這說明脆性網(wǎng)絲，經(jīng)高溫正火后，表面的脆性FeS2和中心敏化現(xiàn)象明顯減少，恢復(fù)了部分韌性。

影響網(wǎng)帶壽命有3個因素。①增碳;②滲硫;③網(wǎng)帶產(chǎn)生敏化。增碳是因為由生產(chǎn)緊固件產(chǎn)品必須的保護碳勢引起的，這個無法避免;網(wǎng)帶長期處于高溫加熱狀態(tài)，所以敏化也不可能避免;但這兩個因素可以通過定期停爐燒碳進行部分消除。針對滲硫，可從源頭上加以控制，硫的來源主要在于爐內(nèi)的保護氣氛，當(dāng)采用液化氣和甲醇作保護氣氛時，液化氣中的硫含量較高是造成滲硫的主因。從液化氣和甲苯標準中硫含量最大值比對看，液化氣是343mg/m3，換算成169.8mg/kg，而甲苯是2.0mg/kg，把液化氣換成甲苯，這樣從源頭上避免了滲硫。加上定期停爐燒碳網(wǎng)帶爐設(shè)備維護制度的落實，網(wǎng)帶的壽命可以延長至18個月以上。

三、42CrMo鋼U型螺栓斷裂的原因有哪些?

42CrMo鋼U型螺栓在使用中發(fā)生斷裂。該螺栓的加工工藝為φ24mm的棒料，酸洗→拉拔至φ23.5mm→退火→酸洗→拉拔至φ22.87mm→冷鐓→搓絲→熱彎→淬火回火→包裝。通過化學(xué)成分分析、調(diào)質(zhì)后的硬度及組織檢測均符合技術(shù)要求;非金屬夾雜物含量較低，表面也未發(fā)現(xiàn)缺陷。因此，U型螺栓斷裂與材料本身無關(guān)。

42CrMo鋼具有較高的碳和鉻含量，淬透性較好，如果軋制后冷卻較快，軋材組織中常存在塑性很差的帶狀馬氏體組織，直接拉拔加工后，極易在馬氏體條帶上產(chǎn)生橫向裂紋。

工藝驗證：按原工藝進行拉拔模擬實驗，拉拔尺寸從φ22.40mm拉拔至φ21.70mm，拉拔量和U型螺栓第一次拉拔量相近;拉拔后從試樣中部縱向取樣，磨制浸蝕后金相檢驗，觀察組織為粒狀貝氏體+少量馬氏體，在馬氏體帶上發(fā)現(xiàn)許多平行分布的橫向小裂紋。這種橫向小裂紋與U型螺栓中的裂紋類似。結(jié)合加工工藝分析，第二次拉拔之前材料經(jīng)過退火工藝處理，塑性得到很大提高，出現(xiàn)開裂的可能性較小，因此推斷第一次拉拔加工后材料內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了內(nèi)部裂紋。通過掃描電鏡觀察也表明，斷口為解理面和撕裂棱均很平滑，與撕裂后產(chǎn)生的尖銳、棱角分明的斷口形貌有明顯區(qū)別。這主要是由于螺栓熱處理前存在內(nèi)裂紋，裂紋面的能量分布不均勻，表面發(fā)生遷移現(xiàn)象，表面的尖銳曲率基本消失，低凹處被彌平，形成平滑的斷口形貌。

由此得知，42CrMo熱軋鋼材心部往往含有帶狀馬氏體組織，該類組織硬度高，塑性差，在未經(jīng)退火的情況下進行拉拔，容易造成心部馬氏體組織處出現(xiàn)橫向裂紋，后續(xù)再次拉拔后裂紋擴大，安裝使用時裂紋進一步擴展，造成螺栓斷裂失效。建議使用退火態(tài)42CrMo鋼材或拉拔前進行球化退火處理。

四、SCM435鋼冷鐓開裂的原因是什么?

SCM435鋼在加工12.9級內(nèi)六角螺釘時，出現(xiàn)大量冷鐓開裂現(xiàn)象，有時還出現(xiàn)螺釘?shù)纛^現(xiàn)象，請對開裂原因查找分析。通過化學(xué)成份分析、檢測原材料的硬度及組織基本為珠光體+鐵素體+馬氏體均符合技術(shù)要求;非金屬夾雜物含量較低，脫碳層深度符合標準要求，抗拉強度范圍740～860Mpa;面縮率范圍48%～63%，表面也未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，盤條性能優(yōu)良。

球化退火處理是SCM435鋼冷鐓加工過程中關(guān)鍵的工序，其主要目的是為了降低材料硬度，使具有足夠的塑性變形能力，以得到良好的拉拔和冷鐓效果。

經(jīng)檢驗分析，盤條完全脫碳層在退火過程中出現(xiàn)，深度范圍為20～30μm，在脫碳層區(qū)域有大量沿晶微裂紋，內(nèi)有Cr、Mn等合金元素偏析。脫碳層的產(chǎn)生主要是在退火過程中保護氣氛不良，造成爐氣氧化性強、碳勢低，氧化性氣體與材料表面接觸反應(yīng)導(dǎo)致碳原子從高碳勢的鋼表面向低碳勢的爐氣擴散。鋼表面失去碳，鐵素體晶界抗氧化性降低，同時Cr和Mn元素不以碳化物形式存在，固溶于鐵素體內(nèi)，在長時間的退火保溫下，合金元素在鐵素體晶界上富集。在隨后的冷卻中，由于溫度變化造成組織應(yīng)力集中，加之晶界脆化，產(chǎn)生沿晶裂紋。

在退火爐中，常用的保護氣氛為氮--甲醇氣氛，采用一定純度的氮氣和甲醇在爐內(nèi)混合后形成的可控氣氛。氮氣是惰性氣體，在爐內(nèi)不參與反應(yīng)，它的作用主要是維持爐內(nèi)的正壓;而甲醇的作用是保證爐內(nèi)具有一定的碳勢，維持爐內(nèi)的還原氣氛，爐內(nèi)主要發(fā)生以下反應(yīng)。

CH3OH→CO+2H2 ………… ⑴

CO+H2→[C]+H2O ………… ⑵

2CO→[C]+CO2 ………… ⑶

若只采用純度較低的甲醇作為保護氣氛，在沒有氮氣維持爐內(nèi)正壓，在外界壓強大于爐內(nèi)的情況下，外界氣體大量進入退火爐內(nèi)，爐內(nèi)無法維持還原性保護氣氛，盤條表面在高溫下嚴重氧化脫碳，同時在冷卻過程中產(chǎn)生微裂紋。為此，在后續(xù)的冷鐓加工或調(diào)質(zhì)過程中，發(fā)生開裂。

SCM435鋼冷鐓開裂的主要原因是退火過程中保護氣氛不當(dāng)，導(dǎo)致材料表面嚴重脫碳，鐵素體晶界抗氧化性降低，同時Cr、Mn等元素在晶界偏析，在冷卻過程中產(chǎn)生大量沿晶裂紋。

五、哪些是影響緊固件品質(zhì)的原材料關(guān)鍵缺陷?

當(dāng)鋼中有害元素P、S增加時，如S含量為0.04%時淬火后易產(chǎn)生裂紋。高強度螺栓應(yīng)選擇高級優(yōu)質(zhì)鋼材，P、S含量在標準中限制量為≤0.025%。針對化學(xué)成分特殊要求應(yīng)對P、S兩項相加不大于0.025%為優(yōu)。

有些元素雖然是微量元素，但使鋼的熱處理規(guī)范大不相同，如煉鋼時脫氧劑用Al則其微粒溶點高，在鋼中起細化晶粒的作用，降低了過熱敏感性，使鋼成為細晶粒鋼，提高熱處理工藝性能。反之，用Si之類脫氧劑則會使鋼的成為粗晶粒鋼，使淬火過熱敏感性增大。煉鋼時每爐所含微量元素不同，其熱處理工藝性能也不同，如含B很微量≤0.0005%時，淬透性也會增加。

非金屬夾雜物的存在隔斷了金屬的連續(xù)性，剝落后就成凹坑或裂紋，在冷鐓成形時極易形成裂紋源，在熱處理時造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生淬火裂縫。因此，高強度螺栓對夾雜物須嚴格控制，一般鋼材標準中對夾雜物未做明確要求。C類和D類對熱處理的影響最大，硅酸鹽夾雜物應(yīng)不大于1.5級，球狀氧化物夾雜應(yīng)不大于2級為佳;對A類硫化物和B類氧化鋁夾雜物之和不大于3級。

非金屬夾雜物在鋼中主要以氧化物和硫化物的形式存在。

根據(jù)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》標準，建議用最惡劣視場評定。氧化物類夾雜物壓力加工后，它們往往沿鋼材延伸方向呈不規(guī)則的點狀或細小碎塊狀聚集成帶狀分布，導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起疲勞斷裂。硫化物的危害其一就是降低鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能，硫和硫化物數(shù)量或長度的增加會明顯降低鋼的韌性指標;其二是降低鋼的耐蝕性，特別是降低點蝕腐蝕性能。一旦受到拉應(yīng)力或切應(yīng)力的作用，就會沿夾雜物方向產(chǎn)生破裂;斷面收縮率隨夾雜物總量和帶狀夾雜物數(shù)量的增加而顯著降低。

六、水溶性淬火冷卻介質(zhì)不同溫度的冷卻特性對緊固件淬火有影響嗎?

水溶性淬火冷卻介質(zhì)屬于聚氧化烷撐的PAG型介質(zhì)，在使用時根據(jù)需要加水稀釋成不同濃度的溶液，配成適量的防腐和防銹劑，可以獲得水--油之間或比油更慢的冷卻能力。

眾所周知，濃度.溫度和攪拌對水溶性淬火冷卻介質(zhì)PAG淬火劑的冷卻能力影響很大。對緊固件產(chǎn)品濃度控制范圍2.5%～5%，液溫對冷卻特性很敏感，溫度越高在300℃左右的冷卻速度不會降低，反而提高，這是造成淬火開裂的原因之一，控制在30～40℃，攪拌和流動，既能提高冷卻速度，又能均勻液溫。

鋼從奧氏體狀態(tài)冷至Ms點以下所用的冷卻介質(zhì)叫做淬火冷卻介質(zhì)。淬火冷卻介質(zhì)冷卻能力越大，鋼的冷卻速度越快，越容易超過鋼的臨界冷卻速度，則緊固件越容易淬透，這是螺栓、螺母需要的特性，淬透層的深度越深，越能達到約90%馬氏體組織。但是，冷卻速度過大將產(chǎn)生巨大的淬火應(yīng)力，易使螺栓、螺母產(chǎn)生變形或開裂。因此，理想的淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力應(yīng)在650℃以上緩慢冷卻，以盡量降低淬火熱應(yīng)力。650～400℃之間應(yīng)當(dāng)快速冷卻，以通過過冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域，避免發(fā)生珠光體型或貝氏體型組織轉(zhuǎn)變。在350℃以下Ms點附近的溫度區(qū)域，應(yīng)當(dāng)緩慢冷卻以盡量減小馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力。

水的冷卻能力很大，但冷卻特性不好;油的冷卻特性較好，但冷卻能力又不夠。目前，常用水或水溶液作為淬火冷卻介質(zhì)，冷卻特性穩(wěn)定、價格適中。

試驗結(jié)果表明，水溫越高，其特性溫度越低，最大冷卻速度越小，冷卻時間越長。因為，螺栓、螺母表面和淬火介質(zhì)的溫度差越大，表面換熱系數(shù)越大，冷卻速度越快。而對于水，當(dāng)其溫度較高時，螺栓、螺母表面較快生成蒸氣膜層，且蒸氣膜的厚度增大，使螺栓、螺母向淬火液的傳熱速率降低，從而延長了蒸氣膜階段，降低了淬火液的冷卻速度。

水溫低于40℃時，對冷卻曲線的影響不十分明顯;當(dāng)水溫達到50℃時，冷卻性能明顯下降。這是由于當(dāng)水溫高時，淬火介質(zhì)與試樣表面存在溫度差減小，水吸收的熱量減少，試樣冷卻速度下降。同時，水溫較高時，螺栓、螺母表面較快較早形成隔熱的蒸氣膜，使蒸氣膜階段延長，冷卻特性溫度下降。當(dāng)蒸氣膜終于破裂而進入沸騰階段時，溫度高的淬火介質(zhì)與試樣的溫度差相對較小，冷卻速度變慢。

生產(chǎn)過程中，我們經(jīng)�？梢钥吹�，45#鋼8.8級M20～M27螺栓淬火的心部硬度為30～35HRC，而表面約為50～57HRC;表明螺栓水淬后的心部組織依然是鐵素體+珠光體，而表面則有大量針狀馬氏體+先共析鐵素體，所以45#鋼在水中淬火后表面硬度遠高于心部。

實際生產(chǎn)中，對于SWRCH35K、45#鋼8.8級M10～M24的螺栓，有時會采取提高水溫來防止其淬火開裂或減小變形。對于此類情況，應(yīng)考慮到水溫對其冷卻特性和螺栓、螺母淬火效果的影響。建議采用2.5%～4.5%PAG水溶液是最理想的淬火冷卻介質(zhì)，性價比較高。

七、30CrMnSi鋼高強度螺栓熱處理工藝，如何達到-20℃低溫沖擊功?

由相關(guān)資料可知，30CrMnSi鋼的Ac1為760℃、Ac3為830℃，在常規(guī)熱處理工藝即900～910℃淬火的條件下，由于淬火溫度超過了奧氏體相變溫度Ac3，其淬火后得到的是馬氏體+ 殘余奧氏體組織。

不同熱處理工藝對30CrMnSi鋼硬度和沖擊性能有較大影響。其中硬度的變化較明顯，在250℃回火時，常規(guī)工藝900℃ 淬火的硬度值為44～46HRC，如果在840℃亞溫淬火的硬度值為39～41.5HRC，稍低于常規(guī)淬火工藝的硬度，這是因為亞溫淬火的顯微組織中具有馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體，而鐵素體的硬度較低。隨著回火溫度的增加，硬度逐漸降低，兩種工藝的硬度曲線均呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢，出現(xiàn)這種變化的原因是: 在250℃回火時，馬氏體開始分解過飽和的碳原子沉淀析出彌散分布的ε碳化物，此時仍然具有較高的硬度; 隨著回火溫度的升高，淬火后的顯微組織要經(jīng)歷殘余奧氏體轉(zhuǎn)變、碳化物的轉(zhuǎn)變、碳化物的聚集與長大等幾個階段，隨著碳原子的析出，馬氏體的晶格畸變越來越小，基體硬度也隨著溫度升高而逐漸降低。在550℃回火時，得到回火索氏體組織，硬度值也逐漸降低到調(diào)質(zhì)硬度26～30HRC。在650℃回火時，常規(guī)淬火和亞溫淬火均具有硬度最小值23～25HRC 和21～23HRC。

在不同工藝下沖擊性能的變化可看出，常規(guī)熱處理工藝在250℃回火時，其低溫沖擊功為44～45.5J，此時亞溫淬火的低溫沖擊功為28～30J; 隨著回火溫度升高到350℃，常規(guī)工藝進入第一類回火脆性區(qū)，低溫沖擊功降至25.5～27J，而亞溫淬火工藝的低溫沖擊功增加到33～34.5J，約為常規(guī)工藝1.3倍; 當(dāng)回火溫度升高到450℃進行中溫回火時，由于中溫回火的組織是回火托氏體，具有較高的塑韌性，常規(guī)工藝的低溫沖擊功為34.5～37J，而亞溫淬火的低溫沖擊功為54～55.5J，約為常規(guī)工藝的1.5倍; 當(dāng)回火溫度升高至550 ℃時，此時溫度屬于第二類回火脆性區(qū)，回火脆性異常明顯，常規(guī)淬火的低溫沖擊功降低至28～29.5J，通過回火快速冷卻低溫沖擊功可達到35～37.5J，而此時亞溫淬火的低溫沖擊功卻急劇增加至85.5～88J，約為常規(guī)工藝的3 倍;當(dāng)回火溫度達到調(diào)質(zhì)溫度650℃時，組織為回火索氏體，常規(guī)工藝的低溫沖擊功又增到59～61J，而亞溫淬火的則增加到117～119J。

從整個沖擊性能變化可以發(fā)現(xiàn)：① 常規(guī)工藝的低溫沖擊功隨回火溫度的升高，曲線呈現(xiàn);W形狀變化，而亞溫淬火的低溫沖擊功卻隨著回火溫度的升高而單調(diào)增加，② 常規(guī)工藝具有明顯的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，而亞溫淬火工藝則有效避免了回火脆性對沖擊性能的影響，顯著的提高了沖擊性能。

這是因為：一是在亞溫淬火的顯微組織中存在著鐵素體，由于加熱溫度低，這些鐵素體晶粒比較細小，并且均勻分布于整個基體組織上，這些鐵素體作為一種塑性相，能吸收較多的能量，提高材料的韌性;二是在回火過程中，As、Sn、Sb、P 等雜質(zhì)原子會從晶粒內(nèi)向奧氏體的邊界析出，聚集在邊界的雜質(zhì)原子不能和其它原子結(jié)合，從而減弱奧氏體晶界上原子的結(jié)合力，降低了晶界斷裂強度;三是顯微組織中有鐵素體存在時，Sn、P 等雜質(zhì)原子首先在鐵素體內(nèi)固溶，在強化鐵素體的同時，也可減少在奧氏體晶界處的析出和偏聚，從而降低了第二類回火脆性。

八、鋁合金2A11、2A12螺栓熱處理工藝對性能有影響?

汽車的輕量化實際就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整體質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。鋁合金具有強度高、抗腐蝕性好等優(yōu)點。鋁合金的比重是0.5，采用鋁合金緊固件與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼相比明顯的減輕了汽車或機器的自重，可為輕量化的最優(yōu)設(shè)計。鋁合金在螺栓沖鐓成型過程，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。根據(jù)鋁合金2A11、2A12沖鐓成型特性的要求，在退火爐內(nèi)進行325～340℃完全退火，保溫時間為2小時左右，然后隨爐冷卻，室溫出爐即可。

工藝要點：①加熱速度。加熱速度與再結(jié)晶后的晶粒度成反比，故應(yīng)選擇井式加熱爐來保證加熱速度。②加熱溫度、保溫時間。高溫短時加熱可獲得細小的晶粒，反之，保溫時間過長，由于晶粒的相互吞并而長大，形成聚合再結(jié)晶，會得到粗大的晶粒而影響性能。③沖鐓成型力變形率。5%～25%的變形率為臨界變形，因此，在退火前不做任何加工，否則，退火后會得到粗大晶粒。④原材料化學(xué)成分。鋁合金的化學(xué)成分不均勻、偏析等都可能導(dǎo)致晶粒長大。因此，要嚴格檢驗原材料化學(xué)成分的符合性。⑤爐溫均勻性。由于鋁合金導(dǎo)熱性良好、熔點低，保證工件在爐內(nèi)溫度的一致性和準確性，以獲得均勻的晶粒度。⑥操作規(guī)程。由于鋁合金熱處理范圍很窄，對加熱溫度、時間、出爐轉(zhuǎn)移時間及水溫等均嚴格控制，并做好原始記錄以供分析。

螺栓成型后，熱處理工藝還必須通過;固溶處理+時效強化，進一步提高其強度。當(dāng)鋁合金加熱到α相區(qū)，可在485～490℃保溫后水冷淬火，注意過燒溫度為505℃，可在室溫得到過飽和的α固溶體，其強度、硬度并不能立即升高，而塑性卻顯著改善，稱為固溶處理。再在185～195℃進行人工時效處理，固溶處理后在時效處理初始階段2小時，強度、硬度變化不大，這段時間成為孕育期，在此孕育期內(nèi)鋁合金塑性較好，當(dāng)在10～16小時后強度增加很快，基本可達到450～530MPa。

九、摩擦系數(shù)對螺栓裝配和使用的影響是什么?

螺紋連接是最常用的連接方式，它的質(zhì)量直接影響到裝配質(zhì)量和安全可靠性，而螺紋連接安全可靠性的主要因素有材料、摩擦系數(shù)、緊固件加工方法。

當(dāng)材料確定后，分別對鍍鋅不上油、鍍鋅上油、磷化上油和發(fā)黑上油的螺栓在德國制造的TesT摩擦系數(shù)試驗機上測試摩擦系數(shù)。試驗表明：

①相同螺栓，不同表面處理，摩擦系數(shù)相近，扭矩相同的，軸向力也相近。如表面鍍鋅上油和磷化上油的摩擦系數(shù)相近，其軸向力也相近。

②相同螺栓，不同表面處理，扭矩相同，摩擦系數(shù)越小，軸向力越大，即擰緊力越大。如表面磷化的摩擦系數(shù)最小，而軸向力最大。因摩擦系數(shù)不同，造成軸向力也不同，即擰緊力不同。

③相同螺栓，不同表面處理，相同軸向力，摩擦系數(shù)越大，扭矩越大。如表面發(fā)黑摩擦系數(shù)最大，其扭矩也最大。

④相同螺栓，相同表面處理，涂油和不涂油狀態(tài)，所產(chǎn)生的力是不同的。如表面鍍鋅上油和不上油狀態(tài)的扭矩和軸向力差異較大。

通過分析，結(jié)合常用表面處理螺栓在裝配、使用過程的情況，可以得到結(jié)論：螺栓不同的摩擦系數(shù)，扭矩相同，軸向力不同，即摩擦系數(shù)越大，軸向力越小;反之，摩擦系數(shù)越小，軸向力越大。也就是說，螺栓摩擦系數(shù)不同，相同的裝配扭矩，會產(chǎn)生不同的軸向力。就是說為什么在裝配、使用過程中，可能做得精致的螺栓會斷裂、失效;而做得粗糙的螺栓在交變載荷下會松動或松脫。裝配過程中，如偶然因素，個別螺栓沾到少量油漬后裝配，因摩擦系數(shù)變小，可能會出現(xiàn)在裝配或使用時，螺栓斷裂現(xiàn)象。螺栓摩擦系數(shù)會對裝配性能產(chǎn)生很大的影響。

當(dāng)前對螺紋連接設(shè)計時，因國標、行標均未對螺紋緊固件的摩擦性能做具體要求，通常采用的方法是依據(jù)經(jīng)驗公式、經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算扭緊力扭，當(dāng)螺紋緊固件與被連接件的表面狀態(tài)發(fā)生變化時，會引起軸向預(yù)緊力過大或過小，導(dǎo)致螺紋連接出現(xiàn)斷裂、松動等質(zhì)量問題。

螺紋緊固件摩擦系數(shù)分螺紋摩擦系數(shù)和支承面摩擦系數(shù)，主要取決于螺栓制造工藝和實際應(yīng)用時裝配工藝。經(jīng)長期工作實踐，10000次臺架試驗驗證，確認摩擦系數(shù)與下列因素密切相關(guān)。

①、螺紋精度。由螺紋公差帶和旋合長度組成，螺紋精度是螺紋加工質(zhì)量的綜合體現(xiàn)，同等條件下螺紋精度越高，摩擦系數(shù)越小。

②、緊固件表面粗糙度。包括螺紋表面粗糙度和支承面表面粗糙度，與緊固件生產(chǎn)中的冷鐓作業(yè)工藝參數(shù)、螺紋制造工藝有直接關(guān)系。

③、緊固件表面處理工藝。包括磷化、達克羅、三價鉻電鍍鋅、鋅鎳電鍍、鋅鋁涂層等，受表面處理層材料類型、局部厚度、轉(zhuǎn)化工藝等因素影響，不同表面處理工藝得到的緊固件摩擦系數(shù)相差較大。

為此，實際生產(chǎn)裝配中，應(yīng)根據(jù)被連接結(jié)構(gòu)需要，合理選擇緊固件的工藝參數(shù)，確保將摩擦系數(shù)的散差控制在較小范圍內(nèi)。設(shè)計螺紋連接時，應(yīng)首先依據(jù)實際試驗結(jié)果確定摩擦系數(shù)，然后利用此摩擦系數(shù)計算扭緊力矩，以保證軸向預(yù)緊力理論值與實際值的一致性，提高螺紋連接的可靠性和設(shè)計準確性。

十、42CrMoA鋼螺栓表面裂紋形成分析和工藝如何改進?

42CrMoA鋼調(diào)質(zhì)后具有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性優(yōu)良，被廣泛用于制造風(fēng)電機組高強度螺栓。但是在熱處理調(diào)質(zhì)淬火過程時常會發(fā)生淬火開裂現(xiàn)象，研究表明，42CrMo鋼調(diào)質(zhì)表面裂紋性質(zhì)為淬火裂紋，回火不足和內(nèi)部存在較嚴重的帶狀組織偏析是淬火裂紋產(chǎn)生的主要原因。

首先宏觀檢測，裂紋均位于端部小頭，為縱向裂紋，只有一小部分裂紋沿軸頸橫向開裂或縱向開裂。其次橫向低倍組織檢測，一般無明顯的冶金缺陷。再次金相檢驗，裂紋尾部尖銳、裂紋內(nèi)有氧化，裂紋兩側(cè)無脫碳，裂紋內(nèi)存在氧化，這是淬火裂紋的關(guān)鍵特征。

42CrMoA鋼的正常淬火組織為馬氏體組織，冷卻速度不足時會出現(xiàn)貝氏體型或珠光體型組織。裂紋螺栓的顯微組織為馬氏體位向的回火索氏體組織。因此，淬火溫度和淬火冷卻速度均滿足要求，淬火裂紋的產(chǎn)生與淬火因素?zé)o關(guān)。將試樣540℃重新回火后，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，這可以肯定，在調(diào)質(zhì)的回火過程中回火不足或者基本回火溫度未達到，回火不足則無法完全消除淬火過程中形成的應(yīng)力。回火不足是導(dǎo)致42CrMo鋼裂紋的關(guān)鍵原因之一。

42CrMoA鋼調(diào)質(zhì)螺栓的原材料檢測觀察，該材料帶狀組織級別為3級，超過了風(fēng)電機組高強度螺栓2級的技術(shù)要求，嚴重的帶狀組織的存在，無疑會增加淬火裂紋的可能性，且裂紋均產(chǎn)生在帶狀組織的區(qū)域內(nèi)。因此，半成品毛坯內(nèi)存在較嚴重的帶狀組織是螺栓淬火裂紋產(chǎn)生的另一個重要原因。

來源：原文刊登于第48期和第49期《緊固件》季刊，作者：金蜘蛛緊固件網(wǎng)顧問專家 張先鳴，轉(zhuǎn)載請注明來源和作者。