紧固件（螺栓）热处理工艺研究 

紧固件在市场上也称为标准件，是将两个或两个以上的零件（或构件）紧固连接成为一见整体时所采用的一类机械零件的总称。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、通用化的种度也极高。作为结构材料使用，它的性能在很高的层面上决定了产品的质量，因此其性能的提升具有重要的意义。本论文主要研究的是紧固件螺栓的热处理工艺。

无论紧固件的组织性能还是力学性能都与热处理工艺有关，紧固件性能的关键在于热处理工艺，热处理对紧固件的影响很大。通过热处理可以使紧固件获得良好的综合性能。

关键词：紧固件，螺栓，热处理，45钢，调质，淬火，回火

部分：紧固件的研究现状

第二部分：原材料的选择

第三部分：加热设备的选择

第四部分：热处理工艺

第五部分：热处理后效果分析

一、紧固件的研究现状

随着我国制造业发展，紧固件产业作为制造业生产链上不可或缺的基础件。整体来看，我国紧固件生产专用设备与 工业国的专用设备相比，无论是设备的制造精度，结构的 程度，工艺的适用范围，构建的材质选择，制造和更新速度，计算机的应用等方面人有相当大的差距，高强度紧固件不仅要满足产品的力学性能，而且要满足装配的工艺要求，对生产装配过程中严格控制扭矩，螺栓严格控制摩擦系数保证轴向力这方面的研究还相当薄弱，任重而道远。

（1）原材料的选择，主要是根据螺栓的性能要求选择合适的原材料。

（2）观察原材料的组织，磨制金相，分析材料组织。

（3）最终热处理工艺。主要从原材料的性能和相图出发确定热处理方法。

（4）检验试样的性能，测试样的硬度。

（5）观察热处理后的组织，磨制金相，分析组织结构。

二、原材料的选择

1、选用联接件和联接件的材料

选用联接件和联接件的材料是一项非常重要的工作，因为大多数机器的损坏，毛病都是出现在联接的地方，尤其是某些场合中，联接件往往起着非常重要的作用，如果联接件在机器运转中一旦遭到破坏，就会造成不堪设想的严重事故。所以对与设计和选用联接件（包括材料）既要经济，同时又要按照工作条件的要求，具有足够的强度、刚度及紧密性，不可忽视。

2、 螺栓联接的特点

螺栓联接的特点是螺栓贯穿两个或两个以上被联接件的通孔，在其另一端拧上螺钉、母；这种联接由于无需在被联接件上切制螺纹，构造简单，装拆方便，而且他的使用不受被联接材料的限制，所以应用最广。按加工的不同，螺栓可分为粗制和精制两种；精制的用于重要的、装配精度高的、以及承受较大冲击，震动或变载荷的地方。按头部形状及用途的不同，又可分为：六角头螺栓、方头螺栓、沉头螺栓、半圆头螺栓、T型槽用螺栓、铰链用活节螺栓和地脚螺栓等多种形式，其中以六角头螺栓应用最为广泛。

3、 螺栓受载及主要损坏形式

螺栓是螺纹紧固件中主要的受力零件，它在工作过程中受载情况和主要损坏形式，主要有以下三种类型：

（1）受拉螺栓连接：这类螺栓在工作，中主要承受拉伸力（间或有弯曲应力），同时由于其形状上的特点（存在螺纹），零件内部往往存在应力集中倾向；故其损坏形式，在静载荷下多为螺纹部分的塑性变形和断裂，在变载荷作用下则多为螺杆部分的疲劳断裂（主要发生在有应力集中处的螺纹部分），如果螺纹精度低或联接经常装拆，则螺纹牙的滑扣现象也用可能发生。

（2）受剪螺栓联接：这类螺栓在工作中主要承受剪切应力，并与被联接件孔壁互压，此外栓杆还承受一定的弯曲应力（但在个结合面切紧情况下可不考虑），联接的可能损坏形式有：螺栓被剪断，栓杆和孔壁中弱者被压溃，如螺栓兼做销轴并与孔壁相对滑动，则为弱者被磨损。

（3）受拉、受剪螺栓联接：这种联接大多都是拧紧的，在拉伸力和剪切复合力的作用下，其可能发生的损坏形式是：螺栓在抗剪面处断裂，螺纹部分断裂以及栓杆和孔壁中的弱者被压溃。

4、 螺栓材料的性能要求

材料的性能要求：

（1）应该有足够强的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度以及适当的硬度，以保证其在正常工作条件下。不致遭到破坏。

（2）应该有良好的塑性和可切削加工性，以便于进行冷镦和切削加工。

 对于重要的高强度螺栓，则要求材料应具有较高的抗拉强度、韧性和良好的淬透性、低的缺口敏感度以及较高的抗弯强度和疲劳强度，以免产生松弛现象和过早失效。

对于高温螺纹紧固件，要求材料具有高的抗松弛型、足够的强度、低的缺口敏感度，一定的高温持久强度，小的蠕变脆化倾向和良好的抗氧化性。

对于低温紧固件，当工作温度低于某一临界值时，材料本身的韧性便会急剧下降，极易产生脆断；所以，要求材料应有较好的低温脆性。

对于在腐蚀介质中工作的螺纹紧固件，则要求材料应有良好的耐腐蚀性。

  材料的选用

根据材料的性能要求选择合适的材料，现在制造螺栓常用的原材料主要有35钢、45钢、40Cr等。分别对它们进行分析：

35钢：（1）化学成分：含碳量C%=0.32～0.40%，含硅量Si%=i0.17～0.37%，含锰量Mn%=0.50～0.80%，含磷量P%≤0.040%，含硫量S%≤0.04%。

（2）主要特征：含碳量较高，已不适于渗碳，钢的硬度、强度均较高，且有较好的塑性，切削性好，焊接性中等，淬透性仍低，一般在正火或调质状态下使用；机械性能要求不高时也可以在热轧供应状态下使用。

（3）用途：用作截面较小，受力较大的机械零件，如：螺钉、丝杆、拉杆、齿轮等，以及在自动机床上加工的紧固件，但不用作焊接件。

（4）机械性能：抗拉强度σ_b=540N/mm²，屈服极限σ_s=320N/mm²，弯曲疲劳极限σ_-1=220～300N/mm²，抗压疲劳极限σ_-1I=170～220N/mm²。

45钢：（1）化学成分：含碳量C%=0.42～0.50%，含硅量Si%=i0.17～0.37%，含锰量Mn%=0.50～0.80%，含磷量P%≤0.040%，含硫量S%≤0.04%。

（2）主要特征：45钢是应用最广的一种钢，为高强度中碳钢。其特点是强度较高，塑性及韧性尚好，切削性优良，经调质处理后能获得较好的综合力学性能，无回火脆性；但焊接性能不还，淬透性较低，水淬是且有裂纹形成倾向。当直径较大时（60～80mm），调质状态和正火状态的机械性能相近，因此，大截面零件常以正火作为最终热处理。

（3）用途：一般在正火或调质，或高频表面淬火状态下使用，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件以及对心部强度要求不高的表面淬火件。一般不做焊接件，如需焊接，则焊接前需进行预热，焊后要进行消除焊接应力退火处理。

（4）机械性能：抗拉强度σ_b=610N/mm²，屈服极限σ_s=360N/mm²，弯曲疲劳极限σ_-1=250～340N/mm²，抗压疲劳极限σ_-1I=190～250N/mm²。

40Cr：（1）化学成分：含碳量C%=0.32～0.44%，含硅量Si%=0.17～0.37%，含铬量Cr%=0.80～1.10%。

（2）用途：一种最常用的合金调质结构钢，用于制造承受中等负荷和中等速度工作条件下的机械零件，如汽车的转向节、后半轴及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、 套等，也可经调质并高频表面淬火后用于制作具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆螺钉、进气阀等。也可经淬火，中温或低温回火，制造承受重负荷的零件，又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和要求低温韧性好的齿轮和轴。

（3）机械性能：抗拉强度σ_b=750～1000N/mm²，屈服极限σ_s=650～900 N/mm²；疲劳极限：弯曲σ_-1=320～440N/mm²，抗压σ_-1I=240～340N/mm²。

综合比较，最终选择45钢，因为45钢是工业生产中应用最广的一种钢，为高强度中碳钢。强度较高，塑性及韧性尚好，切削性优良，经调质处理后能获得较好的综合力学性能，无回火脆性。它的使用性能可以满足产品零件工作条件的要求，工艺性能适应产品零件的加工要求，且从经济角度考虑，45钢的成本较40Cr低。因此最终选择45钢作为原材料。

三、热处理加热设备的选择

1、  热处理设备概论

在机械制造过程中热处理占重要地位，它对保证产品质量，提高机器工作效能和延长机器使用寿命都起着重要的作用，任何一种热处理工艺，只有通过相应的设备才能实现。

目前，热处理设备的种类已十分繁多，根据它们在热处理生产过程中所完成的任务，通常将热处理设备分为主要设备和辅助设备两大类。威力增加产量、提高质量和改善劳动条件，推行流水生产和自动化生产，又组合成了许多综合热处理设备——热处理联合机。

主要设备是完成主要热处理工序所用的设备，包括加热设备和冷却设备。这类设备对热处理效果和产品质量起到决定性的作用，两者之间又以加热设备为主要，包括各种热处理炉和加热设备。

辅助设备是完成各种辅助工序及主要工序中的辅助动作所用的设备及各种工夹具。主要包括清洗设备、校正设备、起重运输设备、控制气氛设备及各种工夹具等。

热处理炉是最主要的热处理设备。为了便于选择使用和分析比较，常依一下几种特征进行分类：

（1）按热能来源分类：电阻炉、燃烧炉。

（2）按工作温度分类：低温炉（≤650℃）、中温炉（650～1000℃）、高温炉（>1000℃）。

（3）按炉膛介质分类：自然介质炉、浴炉、可控气氛炉、真空炉。

（4）按作业规程分类：周期作业炉、连续作业炉。

2、 电阻炉的选择

热处理电阻炉的基本工作原理，是电流通过电热元件是由于电流的热效应而产生热能，借辐射或对流作用，将热量传至加热工件表面，使工件加热。热处理电阻炉又可分为箱式电阻炉和井式电阻炉。

热处理燃烧炉的基本工作原理：是通过燃料在燃烧室燃烧后，进入炉膛内，借辐射、对流或传导的作用加热工件。热处理燃烧炉可分为：固体燃烧炉、液体燃烧炉和气体燃烧炉。

热处理电阻炉与燃料炉相比，具有结构简单、体积小、操作方便、炉温分布均匀以及温度控制准确等特点，在热处理生产上得到了十分广泛的应用。因此选用电阻炉，又因为加热小型零件，所以最终选用中温箱式电阻炉作为此次的热处理设备。

四、热处理工艺

1、原始组织

45钢试样的市场供应状态为热轧状态，就相当于45钢的正火处理。将该试样在砂轮机和砂纸上进行打磨，根据砂纸粒度的不同从粗到细依次打磨，打磨的时候用力要均匀，换砂纸的标准是试样上的划痕全为一个方向，试样在砂纸上打磨好后，在抛光机上抛光，抛光完成后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，观察组织。所得到的室温金相组织形貌图如图2-1所示。

图2-1

试样：45钢

状态：正火状态

放大倍数：500倍

腐蚀剂：4%硝酸酒精

组织：铁素体+珠光体

硬度：13HRC

说明：白色块状物为铁素体，黑色的层片状组织为珠光体

2、45钢的淬火

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。

钢的淬火是热处理工艺中最重要的也是再广泛的工序。淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度，淬火后为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧度的配合，需要配以不同温度的回火，所以淬火和回火是不可分割的、紧密联系的两种热处理工艺。

下面主要讨论钢的淬火情况：

淬火温度：45钢为亚共析钢，淬火温度应该为Ac3+（30～50℃），最终取加热温度为840℃。

淬火加热时间：根据淬火加热时间经验公式可得τ=α*κ*D（单位为分钟）。

α为加热系数，试样为碳钢，在800～900℃箱式炉中加热，直径小于50mm，所以α取1.0～1.2。κ为装炉量修正系数，根据装炉量κ取1.0。D为工件的有效厚度，圆柱体试样的有效厚度取工件直径， 所以D取8mm。

综上所述τ=α*κ*D=1.2*1.0*8=9.6分钟≈10分钟。

淬火介质：冷却是淬火的关键工序，它关系到淬火质量的好坏，同时冷却也是淬火当中最容易出问题的的一道工序。淬火技术的高低，主要以冷却操作的优劣来体现。

一般的淬火都需要快速冷却。快速冷却是为了防止过冷奥氏体在Ms点以上发生任何分解。根据连续冷却C曲线可知，过冷奥氏体在大约650～400℃之间分解最快，因此，只需要在这一温度区间内快冷，而在这以上和以下的温度区间内，并不要求快冷。在Ms点以下反而希望冷却缓慢些，以防止淬火变形和开裂。所以，钢在淬火时，最理想的冷却方式，就是对冷却介质的要求。

根据淬火介质的冷却特性，可分为两大类： 类、各种水质淬火剂和油质淬火剂；冷却曲线是先慢后快又变慢。第二类、各种低温盐浴、碱浴、金属浴等；当工件淬入这类介质后，由于工件和介质间温差很大，很快达到 的冷却速度，而随着温差的减小，冷却速度及迅速减小。

由45钢的性能特征可知：45钢强度较高，塑性及韧性尚好，切削性优良，经调质处理后能获得较好的综合力学性能，无回火脆性；但焊接性能不还，淬透性较低，水淬是且有裂纹形成倾向。水淬和有淬相比：油的冷却能力比水小，但有的冷却特性比水好的多。所以最终选择油做淬火介质。

淬火方式：钢的淬火方式有4种，单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等，选择单液淬火。

将热处理炉加热到840℃，把试样放入炉中，保温10分钟，取出油淬。再对淬完火的试样，经打磨、抛光，并用4%的硝酸酒精腐蚀，观察组织。所得到的室温金相组织形貌图如图2-2所示。

图2-2

试样：45钢

状态：840℃淬火状态

放大倍数：500倍

冷却介质：油

腐蚀剂：4%硝酸酒精

加热设备：中温箱式电阻炉

组织：铁素体+托氏体+马氏体

硬度：25HRC

说明：白色块状物为铁素体，托氏体是极细珠光体，易侵蚀成黑色团絮状，以及灰白色块状马氏体。

3、   45钢的回火

将淬火后的工件加热到低于（A1）临界温度的某一温度，保温一定时间，然后以适当的冷却方式冷至室温的工艺，即为回火。回火是紧接淬火的一道热处理工序。除某些特殊情况外，钢在淬火以后都要进行回火。回火决定着钢在使用状态的组织和性能，因此，回火是很关键的工序。回火不足还可以再次回火，但一旦回火过度，就使前功尽弃，必须重新淬火才可以。

在生产中实际采用的回火有4种：

低温回火（150～250℃），得到回火马氏体组织，工件硬度高，耐磨性好，疲劳抗力大。多用于刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承、精密偶件以及超高强度钢构件。

中温回火（350～500℃），得到回火屈氏体组织，屈强比（σ_s/σ_b）高，弹性好。多用于各种弹簧的热处理。

高温回火（500～650℃），得到回火索氏体组织，强度和韧性的综合性能高。多用于轴类、连杆、连接件等。调质处理即为淬火加高温回火。

45钢是应用最广的一种钢，为高强度中碳钢。其特点是强度较高，塑性及韧性尚好，切削性优良，经调质处理后能获得较好的综合力学性能，无回火脆性。所以进行高温回火。

回火温度：因为是调质处理（淬火+高温回火），所以选择高温回火，温度范围为500～650℃之间，最终确定600℃回火。

回火时间：根据回火保温时间参数表，回火类型为高温回火，加热炉为空气炉，工件有效厚度<25mm，所以最终选择保温时间τ=50分钟。

回火冷却：因为不用担心工件开裂，和第二类回火脆，所以选择空冷。

将热处理炉加热到600℃，把试样放入炉中，保温50分钟，取出空冷。对试样打磨、抛光，并用4%的硝酸酒精腐蚀，观察组织。所得到的室温金相组织形貌图如图2-3所示。

图2-3

试样：45钢

状态：600℃高温回火

放大倍数：500倍

冷却介质：空气

加热设备：高温电阻炉

腐蚀剂：4%硝酸酒精

组织：回火索氏体

硬度：20HRC

说明：铁素体与粒状碳化物的混合物

五、热处理后结果分析

    我们知道随着45钢热处理方式的不同，热处理后的组织和性能具有很大的差异，现在我们主要分析热处理后组织性能。

1、金相组织分析依据

经过多年的发展，对于钢的热处理知识，我们研究的越来越深，从前人的研究成果中我们知道为使钢件经热处理后能获得所要求的组织和性能，大多数的热处理工艺都需要先将钢件加热至临界点以上，使之转变为奥氏体，及奥氏体化，然后再以一定的方式冷却使之转变为所需的组织。钢加热时形成的奥氏体组织形态对热处理后的组织和性能有很大的影响。因此加热转变是钢进行各种热处理的基础。

珠光体是钢铁材料热处理过程中出现的另一种重要组织。珠光体转变发生在过冷奥氏体转变的高温区，又称为高温转变，属于扩散型相变。钢铁材料在退火和正火中都要求发生珠光体转变，而淬火时则力求避免发生珠光体转变。

我们知道碳在钢铁中可以有四种形式存在：碳原子溶于α—Fe形成的固溶体，称为铁素体；碳原子溶于γ—Fe形成的固溶体，称为奥氏体；碳原子与Fe原子形成的复杂结构的化合物Fe₃C，称为渗碳体；或者是游离态的石墨，其中Fe₃C是亚稳态，一定条件下会分解为铁和石墨。所以研究钢热处理后的组织将参照于Fe、Fe₃C和C的分布情况相关的铁碳相图。如图3-1所示。  

1.1、45钢淬火组织分析

45钢的含碳量为C%=0.42～0.50%，从铁碳相图我们可以看出加热温度在750℃～930℃之间时45钢会与GS线有交点，该点即为其临界点Ac₃，从图中我们可以看出Ac₃点的温度约为780℃。所以可知在840℃和930℃加热温度下45钢均完全奥氏体化，而加热温度在低于这个温度时，45钢当中还残存有α相。这一点正好说明了图2—2中出现铁素体以及硬度不够的原因。图2—2为45钢840℃在中温箱式电阻炉加热后油淬得到的金相组织。按理论知识，应用这个热处理工艺得到的组织应该为托氏体+马氏体，可是出现了铁素体组织。淬火组织中出现铁素体组织的原因有两个： 、淬火时，淬火介质的冷速不足；主要是淬火介质选择不合理，淬火介质油的冷却速度比较小，应该选用较大冷却速度的介质。冷却速度比油快的有水、盐水和碱水等。水、盐水、碱水三者相比较，盐水和碱水的冷却速度比水的高，但是碱水对工件有腐蚀，所以选择盐水，而盐水的浓度在10%时冷却能力 ，所以选择10%的盐水作为淬火介质。第二、淬火时加热温度不足。淬火时使用的加热炉是中温箱式电阻炉，主要靠辐射传热，且加热方式是到温入炉，在装入工件过程中，空气对流，炉内温度下降，使加热温度不足。所以加热温度应该取45钢淬火的上限，即加热温度升为860℃，保温10分钟。这样就可以消除块状铁素体，得到所需的性能。

1.2、45钢回火组织分析

45钢淬火后回火，得到的组织为回火索氏体，硬度达到要求，因此回火的工艺是合理的。

热处理工艺对钢铁材料物理和化学性能有很大的影响，因此控制热处理工艺对钢铁材料性能的提升具有重大意义。在本次设计中我们通过不同的热处理方式来探讨热处理工艺对45钢组织和性能的影响。对实验结果分析得到以下规律：45钢热处理过程中加热温度和冷却速度的改变对其组织性能有很大的影响，加热速度不宜过高，也不能过低。温度过高容易使工件过烧，导致工件报废；而温度过低又达不到预期的目的。冷却速度对其组织性能的影响更大，冷却速度的改变直接引起其组织结构的改变，进而大幅度影响材料的性能。

在经济全球化的 ，产品的更新换代速度，应经达到我们无法想象的地步，要想在竞争中占得先机，必须研发性能优越的原材料，原材料的质量是产品质量的基本保证。纵观整个 ，钢铁材料是应用最为广泛的。也是与国名经济联系最密切的，45钢是最重要的钢铁材料之一，所以研究与45钢性能相关的热处理工艺具有重大意义。通过热处理工艺的改进因其的产品质量的提升必将对中国乃至 经济的发展做出相当重要的贡献。