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冷水江天寶實(shí)業(yè)股份有限公司 湖南婁底 417505

網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線(xiàn)具有生產(chǎn)效率高、設(shè)備自動(dòng)化程度高、質(zhì)量穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在碳素鋼與合金鋼小件熱處理中應(yīng)用十分廣泛，特別是緊固件熱處理時(shí)，網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線(xiàn)更是首選爐型。

緊固件作為最常見(jiàn)的通用零部件，包括螺栓、螺柱、螺釘、螺母、自攻螺釘、木螺釘、墊圈、擋圈、銷(xiāo)、鉚釘、組合件和連接副及其他（如焊釘、螺套）等十二類(lèi)，因?yàn)槠湓诠I(yè)領(lǐng)域無(wú)處不在、無(wú)處不有，而被稱(chēng)為“工業(yè)之米”。目前，雖然我國(guó)緊固件產(chǎn)量很大，但高強(qiáng)度、高性能緊固件仍需大量進(jìn)口，特別是8.8級(jí)以上螺栓、螺釘、螺柱的進(jìn)口量幾乎占了緊固件進(jìn)口總量的50%，8.8級(jí)以上螺栓、螺釘、螺柱的進(jìn)口單價(jià)更是我國(guó)同類(lèi)產(chǎn)品出口單價(jià)的6倍。由此可見(jiàn)，我國(guó)在高性能的高強(qiáng)度緊固件技術(shù)上與世界先進(jìn)水平相比仍有一定差距。

1 問(wèn)題的提出

熱處理工序是高強(qiáng)度、高性能類(lèi)緊固件的關(guān)鍵加工工序，而淬火加熱時(shí)間又是其中的關(guān)鍵參數(shù)。為合理設(shè)置好淬火加熱時(shí)間，避免由于加熱時(shí)間不足而欠熱或由于加熱時(shí)間太長(zhǎng)缺乏經(jīng)濟(jì)性甚至過(guò)熱，鋼件加熱時(shí)間通常按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算[1]。加熱時(shí)間計(jì)算公式為：

式中 t——加熱時(shí)間（min）；

ɑ——加熱系數(shù)（min/mm）；

D——工件有效厚度（mm）；

k——工件裝爐條件修正系數(shù)，通常取1.0～1.5。

緊固件淬火用的網(wǎng)帶爐屬于可控氣氛，高強(qiáng)度、高性能螺栓都是采用合金鋼生產(chǎn)，最常用的有鉻鋼、鉻鉬鋼等。高強(qiáng)度緊固件淬火時(shí)按這個(gè)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式時(shí)，ɑ取1.3～1.6min/mm，k取1.0～1.5。但是該經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法公式對(duì)指導(dǎo)緊固件熱處理時(shí)存在一定局限性，例如，GB/T 70.1—2000規(guī)定M8×80螺釘在網(wǎng)帶爐平鋪一層淬火時(shí)，按式（1）加熱時(shí)間t=1.6×1.5×8min=19.2min（系數(shù)都按最大值?。８鶕?jù)計(jì)算結(jié)果可明顯看出，該經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際不符。高性能的高強(qiáng)度緊固件在網(wǎng)帶爐上淬火時(shí)，其加熱時(shí)間的選取需要重新研究，并根據(jù)研究成果形成新的經(jīng)驗(yàn)公式。

2 淬火加熱時(shí)間測(cè)試試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

在符合JB/T 10897—2008《網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線(xiàn)熱處理技術(shù)要求》規(guī)定的電熱型網(wǎng)帶淬火爐上進(jìn)行測(cè)試，淬火爐最高使用溫度950℃，有效加熱區(qū)分別是100cm×1200cm×10cm、80cm×1200cm×10cm兩種爐型，氮基可控氣氛，淬火冷卻介質(zhì)是快速淬火油。

2.2 測(cè)試器材

校驗(yàn)合格的鎧裝熱電偶三根（型號(hào)為WRNK-131，φ5mm×13 000mm）、校驗(yàn)合格的溫度表三塊（型號(hào)為GH402）、40角鋼（900mm和700mm各1根）、卷尺等。

2.3 測(cè)試方法

由于網(wǎng)帶爐的測(cè)溫點(diǎn)都是設(shè)置在爐頂中間，測(cè)溫點(diǎn)和網(wǎng)帶之間還隔有一層輻射管。有效加熱區(qū)是100cm×1200cm×10cm和80cm×1200cm×10cm的兩種爐子上有7根熱電偶，每根熱電偶控制一個(gè)電加熱區(qū)，其中加熱1區(qū)到加熱3區(qū)屬于功率翻倍的加熱區(qū)。有效加熱區(qū)前有個(gè)預(yù)熱區(qū)，長(zhǎng)度2300mm。

緊固件的頭型、直徑、長(zhǎng)度等差別比較大，為了盡可能地模擬產(chǎn)品的加熱特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種測(cè)試方法：一種是將熱電偶埋在工件下，隨工件一起進(jìn)爐，測(cè)量工件升溫速度、到溫時(shí)間、到溫位置等，主要是針對(duì)M24以下、生產(chǎn)時(shí)網(wǎng)帶上平鋪多層的工件；另一種是將熱電偶端部埋在工件中，后面用工件蓋起來(lái)，測(cè)量工件升溫速度、到溫時(shí)間、到溫位置等，主要是針對(duì)M27～M56、生產(chǎn)時(shí)網(wǎng)帶上只平鋪1層的工件。測(cè)試的3根熱電偶用角鋼定位，將網(wǎng)帶鋪料寬度均勻四等份，在熱電偶進(jìn)爐過(guò)程中，每間隔1m記錄溫度數(shù)據(jù)一次。

（1）測(cè)試分組 根據(jù)緊固件的典型特點(diǎn)進(jìn)行分組，共分5組。A組1層主要是測(cè)試工件在爐內(nèi)的升溫過(guò)程，其他各組都是以爐子的額定產(chǎn)能進(jìn)料，平鋪在淬火網(wǎng)帶上，以保證測(cè)試環(huán)境的一致性。5組測(cè)試分別按字母A～E進(jìn)行標(biāo)記。每種爐子上都測(cè)一遍，具體測(cè)試分組見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試試驗(yàn)分組

（2）測(cè)試數(shù)據(jù)分析 緊固件在網(wǎng)帶爐內(nèi)加熱的時(shí)間包括工件從室溫到設(shè)定工藝溫度的升溫時(shí)間（t升溫）、工件表面和心部的均熱時(shí)間（t均熱1）、網(wǎng)帶不同位置上工件的均熱時(shí)間（t均熱2）以及為了完成奧氏體均勻化和碳化物溶解所需的保溫時(shí)間（ t保溫）[1]，即

按照式（2），將測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到表2。

從表2可以看出，從工件進(jìn)入淬火爐預(yù)熱區(qū)開(kāi)始到加熱三區(qū)的范圍都是t升溫階段，基本占了全部加熱時(shí)間的60%。

t均熱階段會(huì)因?yàn)楣ぜ拇笮?、長(zhǎng)度和進(jìn)料厚度等因素影響而變化，長(zhǎng)徑比≤1.5∶1的螺栓因?yàn)楣ぜg間隙小、層數(shù)多等原因?qū)е戮鶡釙r(shí)間明顯增加，說(shuō)明進(jìn)料層數(shù)和工件之間的間隙對(duì)均熱時(shí)間影響最明顯。

t保溫階段實(shí)質(zhì)上也屬于均熱階段，因?yàn)榫o固件鋪在網(wǎng)帶爐上時(shí)，所鋪厚度是不均勻，而測(cè)試熱電偶所測(cè)數(shù)據(jù)只是一個(gè)點(diǎn)，并不能代表生產(chǎn)時(shí)網(wǎng)帶上所有工件都能準(zhǔn)時(shí)達(dá)到工藝溫度，而是需要一個(gè)保溫過(guò)程來(lái)進(jìn)一步達(dá)到均熱效果，實(shí)際時(shí)間在25min比較適宜。

表2 分組測(cè)試時(shí)間與位置數(shù)據(jù)

2.4 測(cè)試數(shù)據(jù)運(yùn)用

（1）網(wǎng)帶爐加熱時(shí)間計(jì)算公式 通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，我們對(duì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法式（1）進(jìn)行完善，總結(jié)出了高性能的高強(qiáng)度緊固件淬火加熱時(shí)間經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法公式，以滿(mǎn)足高性能高強(qiáng)度緊固件的熱處理要求。

修改后的加熱時(shí)間計(jì)算公式為：

式中 t——加熱時(shí)間（min），工件進(jìn)入預(yù)熱區(qū)加熱到掉入淬火槽的時(shí)間，不包括工件在淬火爐進(jìn)料口網(wǎng)帶上的運(yùn)行時(shí)間；

ɑ——加熱系數(shù)（min/mm）；

D——單個(gè)工件直徑（mm）；

F——工件層數(shù)；

k——工件裝爐系數(shù)。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可看出，式（3）只適用于t ≥6 0 m i n 的情況，當(dāng)按式（3）計(jì)算出的結(jié)果≤60min時(shí)，也按60min取值。

（2）確定各系數(shù) 加熱系數(shù)ɑ在經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法式（1）的取值范圍上進(jìn)行調(diào)整，得到表3。工件裝爐修正系數(shù)k根據(jù)緊固件的頭型、長(zhǎng)徑比等進(jìn)行調(diào)整，得到表4。

表3 碳素鋼和合金鋼螺栓、螺柱、螺釘加熱系數(shù)

表4 碳素鋼和合金鋼螺栓、螺柱、螺釘網(wǎng)帶爐裝爐系數(shù)

2.5 測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在8.8級(jí)及以上高強(qiáng)度螺栓、螺柱、螺釘熱處理中，對(duì)SWRCH35K、45鋼、20MnTiB、10B33、35VB、35CrMo、42CrMo和40Cr等常用材料的淬火加熱時(shí)間按緊固件淬火加熱經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式（3）進(jìn)行計(jì)算，在網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，取得了較好效果。對(duì)淬火工件按JB/T 9211—2008《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼馬氏體等級(jí)》進(jìn)行金相評(píng)級(jí)[2]，工件的馬氏體級(jí)別可以穩(wěn)定地控制在4～6級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在網(wǎng)帶爐淬火時(shí)加熱時(shí)間的選取研究中所總結(jié)出的緊固件淬火加熱經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式“t=ɑ kDF+25”可以很好的指導(dǎo)生產(chǎn)，有效預(yù)防了淬火加熱時(shí)間過(guò)短而出現(xiàn)欠熱或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而缺乏經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題。再同合理的加熱溫度、碳勢(shì)、淬火冷卻速度等熱處理工藝參數(shù)配合，實(shí)際生產(chǎn)中8.8級(jí)及以上高強(qiáng)度緊固件的力學(xué)性能指標(biāo)穩(wěn)定性明顯提高。