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紧固件科普篇(一)
 
紧固件科普篇(一)

        紧固件是机械、冶金、电器、仪表、石油、化工、纺织、建筑、交通、五金、能源等等几乎所有行业门类中都离不开的通用基础零部件。主要种类有螺纹紧固件、垫圈、销钉和铆钉。随着工业技术的不断进步,新型紧固件不断出现,性能和精度要求越来越高,因而其热处理的重要性就越来越突出。

      由于紧固件涵盖行业广泛,不同使用场合就会有不同的要求,所以,国标GB/T3098 紧固件机械性能,共有22个分组。详列于下:

GB/T3098.1-2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱

GB/T3098.2-2000 紧固件机械性能 螺母、粗牙螺纹

GB/T3098.3-2000 紧固件机械性能 紧定螺钉

GB/T3098.4-2000 紧固件机械性能 螺母、细牙螺纹

GB/T3098.5-2000 紧固件机械性能 自攻螺钉    

GB/T3098.6-2014 紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱

GB/T3098.7-2000 紧固件机械性能 自挤螺钉

GB/T3098.8-2010 紧固件机械性能 -200℃~+700℃使用的螺栓连接零件

GB/T3098.10-1993 紧固件机械性能 有色金属制造的螺栓、螺钉、螺柱和螺母

GB/T3098.11-2002 紧固件机械性能 自钻自攻螺钉

GB/T3098.12-1996 紧固件机械性能 螺母锥形载荷试验

GB/T3098.13-1996 紧固件机械性能 螺母与螺钉的扭矩试验和破坏扭矩

GB/T3098.14-2000 紧固件机械性能 螺母扩孔试验

GB/T3098.15-2014 紧固件机械性能 不锈钢螺母

GB/T3098.16-2014 紧固件机械性能 不锈钢紧定螺钉

GB/T3098.17-2000 紧固件机械性能 检查氢脆用载荷试验  平行支承面法

GB/T3098.18-2004 紧固件机械性能 盲铆钉试验方法

GB/T3098.19-2004 紧固件机械性能 抽芯铆钉

GB/T3098.20-2004 紧固件机械性能 蝶形螺母 保证扭矩

GB/T3098.21-2014 紧固件机械性能 不锈钢自攻螺钉

GB/T3098.22-2009 紧固件机械性能 细晶非调质钢螺栓、螺钉和螺柱

 

1  螺纹紧固件的几何及精度构成要素

     在介绍螺纹紧固件热处理之前,有必要先了解一下螺纹紧固件的基本牙型、直径与螺距、基本尺寸和螺纹公差。因为螺纹紧固件热处理后几何精度不能丧失。螺纹紧固件制造之前,先要结合材料特性和使用要求合理选材,热处理时需要结合材料特性了解螺纹几何要素会发生哪些变化?需要采取什么措施来控制热处理变形?螺纹的这些几何及精度构成要素国标都给出了规范。标准号如下所列:

GBT192-2003普通螺纹 基本牙型

GBT193-1981普通螺纹 直径与螺距系列

GBT196-2003普通螺纹 基本尺寸

GBT197-2003普通螺纹 公差

1.1 普通螺纹的基本牙型:见图1。

 

 图1  普通螺纹基本牙型

普通螺纹的基本牙型尺寸按下列公式计算:

 

       国标GB/T192-2003中,按照上述公式列表给出了各个螺距的上述尺寸。

1.2 普通螺纹的直径与螺距系列

      螺纹的直径与螺距不是随意搭配的,小直径大螺距、大直径小螺距很显然都是不合理的。因此,国标GB/T193中规定了公称直径1-600mm普通螺纹的直径与螺距选择范围。公称直径有优选第一系列,次选第二系列和尽可能不用的第三系列以及各自对应的螺距。普通螺纹的螺距有粗牙和细牙之分,直径≤68mm的普通螺纹,每一个直径对应一个粗牙螺距,细牙螺距有一个或多个可选。

      螺纹紧固件在图样或文件中用“螺纹代号”表示其几何属性:

      粗牙普通螺纹用字母“M”及“公称直径”表示。

      细牙普通螺纹用字母“M”及“公称直径×螺距”表示。

      左旋螺纹,在其代号后加“左”字。

例如:

      M24,表示公称直径2为4mm的粗牙螺纹。

      M24×1.5,表示公称直径为24mm,螺距为1.5mm的细牙螺纹。

      M24×1.5左,表示公称直径为24mm,螺距为1.5mm的细牙左旋螺纹。

      螺纹件的公称长度,在其代号后加“×长度”,公称长度不是总长度,而是指与螺纹公称直径相近的那部分长度,用字母l 表示。 

例如:

      M24×1.5左×80,表示公称直径24mm,螺距1.5mm,螺纹左旋的细牙螺纹,公称长度为80。

1.3 普通螺纹的基本尺寸

      图1中已表示出了普通螺纹的基本尺寸。其中螺纹的中径和小径数值是按下列公式计算的,计算数值保留小数点后三位。

 

      国标GB/T196中,列出了公称直径1-300mm范围螺纹的各个对应螺距的基本尺寸。

1.4 普通螺纹的公差

      普通螺纹的旋合副(例如螺栓和螺帽)需要由各自的几何精度来保证螺纹连接或紧固的性能要求,过紧或过松都是不允许的。国标GB/T197 规范了内、外螺纹的公差要求。

      内螺纹的公差位置为:

          G——其基本偏差(EI)为正值,见图2 a)

          H——其基本偏差(EI)为零,见图2 b)

      这表示内螺纹的各实际直径比理论计算尺寸都要偏大,与理论尺寸相同时是极小尺寸(H),最大实体。

 

图2 内螺纹公差带的位置

       外螺纹的公差带位置为:

         e、f、g——其基本偏差(es)为负值,见图3 a)

                   h——其基本偏差(es)为零,见图3 b)

      这表示外螺纹的各实际直径比理论计算尺寸都要偏小,与理论尺寸相同时是最大尺寸(h),最大实体。

 

图3 外螺纹公差带的位置

      图2、图3中的阴影区域,就是紧固件螺纹部分几何尺寸不允许超出的范围。

      国标GB/T197 里的表1给出了各个螺距的内、外螺纹的基本偏差数值。第4.2条对内螺纹的小径D1、外螺纹的大径d、内螺纹的中径D2、外螺纹的小径d2给出了各自的公差等级:

 

      国标GB/T197的表2至表5,分别给出了各个螺距的各个公差等级的公差(代号TD1、Td、TD2、Td2)带宽。

      标准第6条对精度、公差带的选用、公差带组选择合等都做了详细说明。

      生产中常根据螺纹的最大尺寸和最小尺寸做止通规进行产品检验。

      其他规定这里不再赘述。有兴趣详见标准。

          

2  螺纹紧固件的热处理

2.1 通用螺纹紧固件

      通用螺纹紧固件是指国标GB/T3098.1、GB/T3098.2、GB/T3098.4所对应的螺栓、螺钉、螺柱和螺母。这类紧固件的用量最大,适用范围也最广。同样是使用场合不同,性能要求也不同。下面先介绍螺纹紧固件的力学性能等级。

2.1.1 力学性能分级

      根据GB/T3098.1,螺栓类外螺纹紧固件力学性能见表1。

表1  螺栓、螺钉和螺柱的力学性能

 

 

 

 

      根据GB/T3098.2,粗牙螺母的件力学性能见表2。 

表2  粗牙螺母力学性能

 

 

 

      螺纹紧固件力学性能的一些技术术语说明如下:

      保证应力(Sp)值  螺栓或螺母应保证的承载能力。测试时,用螺纹夹具在实验机上对试件施加轴向载荷,载荷加到试件要求的应力时保持15s,卸载后螺栓的永久伸长量≤12.5μm为合格;螺母用手可以拧下,或用扳手旋松不超过半圈后,用手可以拧下为合格。

      楔载荷强度  用规定斜度的垫片垫着螺栓头部进行拉力试验,拉力试验持续到发生断裂。断裂应在未旋合的螺纹长度内,不应发生在头部和头杆角接处。沉头螺钉不做楔载荷试验。

      头部坚固性试验  对d≤10mm、且长度太短而不能进行楔载荷试验的螺栓,要求做这项试验。

 

图4  头部坚固性示意图

      把螺栓插到支撑平面和孔轴线成一定角度的孔板中(板厚>两倍螺栓直径),用锤打击螺栓头部,使头部支撑面和孔板支撑面贴合,取下螺栓在头杆结合处放大8-10倍观察,不能有任何裂缝。见图4.

      E、G、H1 值的含义  是金相发测量脱碳层时的表示方法,见图4。

 

图5  脱碳层

E-基体金属  G-全脱碳层深度  H1-螺纹牙高度

螺母级别数字的意义  标准GB/T3098.2里螺母的级别中,04、05表示螺母公称高度为螺纹公称直径的0.5-0.8倍之间的螺母。前面不带“0”的级别,表示螺母公称高度≥螺母公称直径的0.8倍

2.1.2  螺纹紧固件常用材料

      根据螺纹紧固件成形方法不同,对材料的要求和选择也不同。

      冷镦或冷挤压成形的,要求材料塑性好,冷变形抗力小,表面质量高,以保证冷作成形不会开裂,所以选用冷镦用钢。

      热压、热锻成形的 ,要求材料具有良好的热塑性,保证热作成形不产生裂纹,要选用热加工用钢。

      切削成形的,要求材料为片状珠光体组织,甚至要求易切削钢。

      1)用于冷作成形的钢。

      国标GB/T715中给出了标准件用碳素热轧圆钢。

      国标GB/T6478中给出了冷镦用钢(牌号仍沿用铆螺拼音首字母ML表示,如ML10,ML40Cr,ML15MnVB等)

      用于冷作成形的钢,S、P、Si、Mn含量要求比同类牌号的一般用钢低,铸锭和材料表面质量控制比较严格,以减小变形抗力,防止变形开裂。表3、表4、表5分别列出了这些钢的化学成分和力学性能。

表3  普通碳素铆螺用钢的化学成分和力学性能

 

表4  冷镦用钢的化学成分

 

 

表5  冷镦用钢的力学性能

 

 

     2)用于切削和热压成型的钢材。

      国标中所列各种牌号的普通碳素钢、碳素结构钢和合金结构钢都可以用于切削形成。为了提高切削速度,≤6.8级的螺栓以及4、5、6、04级螺母允许使用易切削钢。

      热压、热锻成形时应选用保证顶锻性能的热作用钢。

      3)材料的选择和力学性能的关系。

      GB/T3098.1、GB/T3098.2、GB/T3098.4当中都推荐了各种强度级别的螺栓、螺母用钢的成分范围,可详见标准。为了选择方便,表6给出了不同强度级别、不同直径的螺栓推荐选用的常用钢号。

表6  不同强度等级、不同直径的螺栓所对应的钢号

 

①选用这些材料时,应先做淬透性试验,按相同材料、相近规格的螺栓按同一热处理工艺淬火回火,然后在距试杆端头一倍直径处切开,在其横截面上自表面向心部1/4直径处测量硬度,三点都能达到GB/T3098.1 规定的硬度范围时,才可以入选制造表6所列的螺栓材料如果只是表面达到,1/4直径处达不到规定硬度,这批材料只能改做比表6所列直径小一级,或强度等级低一级的螺栓使用。

2.1.3 预备热处理

      坯料预备热处理的目的是为以后的加工成形做好显微组织准备。成形的方法不同,要求的组织也不同,因而热处理工艺也不同。

      1)球化退火

      冷作用钢要求球化退火,以得到铁素体基体上均匀分布的球状碳化物组织。球化硬度低、塑性好、冷作成形时不易产生裂纹。表7列出了一些钢材的常用球化退火工艺。

表7  常用钢材球化退火工艺

 

 

     2)改善切削性能的热处理。

      为了改善切削性能,要求钢材具有片状珠光体组织,这种组织易断屑、不粘刀,表面光洁。低碳钢、低碳合金钢一般采用正火,而中碳合金钢要求完全退火,详见表8。

表8  切削用钢正火或退火工艺

 

 

     3)再结晶退火。

      在冷拔过程中,由于加工硬化,需要进行中间退火,即再结晶退火,以恢复材料冷拔前的性能。退火应考虑到变形量与再结晶时晶粒度之间的关系,防止晶粒粗大,再结晶退火工艺见表9。

表9  压缩比20%-40%的钢材的再结晶退火工艺

 

 2.1.4 成品或半成品的最终热处理

      1)一般热处理要求。

      力学性能≥8.8级的螺栓和05、6(>M16的I型粗牙螺母)、10、12级的细牙螺母,一般都要进行调质处理才能达到国标规定的各种力学性能要求。

      实践中要根据螺栓、螺母的精度、硬度、加工方法、工艺路线和用户具体要求,合理确定做成品热处理,或半成品热处理。

      成品热处理是在零件全部加工成形(含螺纹)后进行淬火回火。螺纹精度为6H*、6g*的一般规格的螺栓和螺母,可以进行成品热处理,以减小滚丝轮、搓丝板、丝锥等工具的消耗量,提高生产率和降低成本。

      半成品热处理是在加工螺纹之前或下料后的坯料状态下进行淬火回火。螺纹精度高于6H、6g或加工工艺、表面粗糙度和畸变等有特殊要求的螺栓和螺母以及切削加工的小批零件常进行这种方式的热处理。

      切削成形的螺栓和螺母在加工时原材料表面的脱碳层已基本切除,可以在脱氧良好的盐浴炉中或一般保护气氛炉中加热淬火。但是采用冷镦成形时,原材料的脱碳层不但存在,而且被挤向牙尖。见前述图4。尽管在严格脱氧的盐浴炉或一般保护气氛炉中加热不会再脱碳,可原材料已经存在的脱碳还留在工件表面。因此,图4中E和G值往往超过超过标准中规定范围。只有采用可以严格控制碳势的可控气氛炉才可以在加热的同时对脱碳的表面进行适度的复碳,以保证E和G值都在合格范围内。

     *6H为内螺纹公差6级,公差带位置H, ——GB/T2156-2004

      *6g为外螺纹公差6级,公差带位置g , ——GB/T2156-2004

      2)热处理设备的选择

      通用螺纹紧固件产量大、价格低、利润薄,但螺纹部分又是比较细微相对精密的结构。因此要求热处理设备必须具备生产能力大、自动化程度高、热处理质量稳定的能力。同时,要求设备造价和运行费用尽可能低。如今,带有保护气氛的热处理生产线已占主导地位。如振底炉、网带炉、链板式炉等。其中以振底炉设备造价最低、热效率最高,维修费用最低。因此热处理成本也最低。网带炉居中,链板式炉最高。在网带炉中,无马弗式炉又优于有马弗式炉。振底炉适用于中小规格紧固件,链板式适用于较大规格的紧固件。

      3)热处理工艺的确定

      各种材料制造的螺栓和螺母的热处理规范可参考表10、表11、表12。具体编制热处理工艺时,还应根据所使用的设备、装载方式、零件的尺寸和结构特点结合工艺试验来制定。一般来说,淬火加热的保温时间,盐浴炉中工件装筐的为0.4分钟/mm,单件吊装的为0.3分钟/mm(按有效厚度),气体加热炉堆装时按料层计算为1.2-1.5分钟/mm,散装的为1-1.2分钟/mm(按散装零件的有效厚度)。在连续式淬火炉的额定生产率下,零件在炉内有效加热区中通过的时间一般为20~60分钟。直径小或料层薄的取下限,直径大或料层厚的取上限。振底炉热效率比网带炉、链板炉高,加热时间可以短些。需要复碳的零件可根据气氛的类型、炉子性能、原材料脱碳层深度等情况确定合适的加热时间,一般可以等于或略长于正常淬火加热时间。

表10  35钢、45钢螺栓和螺母热处理规范

 

 表11 螺栓和螺母用部分合金钢热处理规范和力学性能

 

 表12 螺栓和螺母低碳合金钢的热处理规范和力学性能

 

      淬火介质的选择首先应保证足够的冷却能力。冷镦用钢的淬透性一般低于相同牌号的非冷镦钢,因此淬火介质的冷却能力应选用高一些的。还应考虑畸变和开裂,碳含量大于0.4%(wt)的碳素钢,开裂倾向严重。特别是淬火介质的冷却能力和零件直径(厚度)达到最不利的配合的时候,开裂特别严重。

      有这样的事例,45钢制造的M10螺栓,按正常温度加热淬火,无论是盐水或清水,都产生相当比例的裂纹,当直径增大到M16时,用同批钢材制造的零件,以相同条件淬火,则没有裂纹产生。当把上述淬火介质换成25%氢氧化钠(wt)水溶液时,M10的螺栓也不出现裂纹。这实际上就是M10螺栓尺寸落在了45钢的开裂危险尺寸范围里(7-16mm)了。有一种可以解决这种危险尺寸效应的方法就是“强烈淬火”。(待后续介绍)

      长杆零件应当注意弯曲问题,必要时可增加校直工序。螺母淬火后容易出现内径胀大,应根据淬火后内径胀大的统计数据在螺母加工时相应减小内径尺寸。零件的回火温度应按力学性能要求适当选择。表10至表12已经给出一些参考数据。但不能低于表13给出的最低回火温度。特别是低碳合金钢。

表13  各级螺栓用钢成分范围及最低回火温度

       对于允许表面较粗糙的螺栓,如电杆螺栓和建筑上使用的螺栓,在可控气氛炉中加热后可直接落入热浸镀锌槽中进行贝氏体等温淬火,同时完成热镀锌工序,省去回火工序。对性能优良的可控气氛热处理生产线,螺栓或螺母的氧化(发黑)工序可在回火炉中与回火工序一道完成,省去化学氧化(发蓝、发黑)工序。也可以配制一定成分的氧化(发黑)液,从回火炉中出来的零件直接落入这种氧化液中完成氧化(发黑)处理工序。这种发黑液市场有售,但防腐效果有限。

      4)炉气及气氛控制

      吸热式气氛、滴注式气氛和氮基气氛(包括空分氮、氨燃烧气氛、净化放热式气氛等)都可以用于紧固件淬火加热的保护气氛或复碳气氛。

      甲醇滴注或炉外裂解形成的气氛,理论氢含量为(H2)为66.7%,对处理件有产生氢脆的危险,易爆炸,成本高,应尽量不用。

      吸热式气氛使用的历史较长,也比较普遍,但不适合回火保护,因为700℃以下,一氧化碳不稳定,将析出大量炭黑。

      氮基气氛氢含量低,没有氢脆和爆炸危险,低温下也不析出炭黑,不但可以作为淬火加热时的保护气氛,还可以用于回火的保护加热,原料来源广。

      淬火加热和气体渗碳相比,加热周期短,温度低。尤其是连续炉、零件不停地进入炉中,空气和水分也随之带入炉中,增加了气氛的氧化和脱碳趋势。炉气和零件的碳含量根本无法建立平衡状态。为了防止零件脱碳,必须增加碳氢化合物的加入量。

      螺纹的脱碳会导致未达到力学性能要求的拉力时先发生脱丝,使螺纹紧固件失效。因此国标规定了各个级别的E和G值,参见图4。前面已经谈到原材料的脱碳,如果退火保护不当,还会使原材料进一步脱碳。另外,如果淬火加热炉气控制不当,也会造成螺纹脱碳超差。对于E和G值超差的脱碳螺纹件,在淬火加热的同时,必须采取复碳工艺。复碳一项比较复杂的热处理工艺,不能照搬常规渗碳思路制炉内气氛。实际生产过程中,常借助随炉金相分析结果与炉气中对应的碳势值建立经验曲线,确定合理的碳势范围。图5,代表在非平衡条件下复碳过程的示意图。

 

图6  复碳过程示意图

      图中  a)表示螺纹牙的原始脱碳状态,E和G值均已超差;b)表示一般渗碳过程。复碳就是再给脱碳层渗碳。c)表示经过时间t1后的结果,复碳不足;图d)表示经过时间t2后的结果,复碳适当;e)表示经过时间t3的结果,复碳过渡。大量的生产实践证明,E和G值超差,都可以在最终热处理时依靠正确的复碳工艺,使其都达到合格范围。

 

 

 
 
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