42CrMoVNb钢研制1300MPa级高强度螺栓
发布时间:2017-10-11 06:07
作者:互联网
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1、引言高
强度螺栓在
汽车上的使用十分普遍,国内目前使用的最高强度级别为1200MPa,即12.9级。近年来,国内外对12.9级以上高强度螺栓和高强度螺栓用
钢进行了多方面的研究[1,2],国外已有1300MPa级高强度螺栓的使用实例,国内也因优化
产品设计和提高产
品质量而对高强度螺栓提出了更高的要求。作者应用国内最新开发的
42CrMoVNb(ADF1)高强度螺栓钢,研制了1300MPa级高强度螺栓,对其
工艺和力学性能进行了试验研究。2、试验用钢及力学性能试验用钢为
工业化试
生产42CrMoVNb钢,其化学成分见表1。
标准试样经920-930℃
淬火+(600-610℃)*1.5h
回火的
调质处理后,其力学性能(表2)优于传统的12.9级42CrMo高强度螺栓钢。另外,其耐延迟断裂性能、
缺口敏感性和
疲劳性能也都优于42CrMo钢[1]。表1试验用钢的化学成分(质量分数,%)CMnSiPSCrMoVNbAl0.430.300.140.0030.0011.100.520.330.040.01表2试验用钢的力学性能
钢号σb/MPaσb/MPaδ5,%ψ,%Akv/J42CrMoVNb1350129014595642CrMo1080930124563(Aku)3、生产工艺及试验条件3.1工艺条件1300MPa高强度螺栓的生产工艺
流程:下料→加工毛坯→
退火→
冷镦成型→机加工→调质处理→精加工→头部
滚压强化→
探伤→滚丝→表面处理→探伤。冷镦成型前经750℃*6h退火,炉冷至500℃出炉空冷。冷镦成型在160t闭式单点压力机上分二次完成,中间不进行
再结晶退火,成型后进行六角头切边;头部滚压强化在自制的滚压机上进行;滚丝采用国产滚丝机(名义压力62kN),滚丝模为Cr12MoV钢,
硬度62HRC。3.2试验条件试制的1300MPa级高强度螺栓有M12*1.25和M10*1.25两种
规格,长度为30-110mm。
拉伸试验采用实物螺栓和标准拉伸试样(l0=5d0,d0=5mm),在WE-600型液压万能试验机和CSS-44100型电子万能试验机上按GB/T3098.1进行。螺栓的疲劳试验在AmslerHP5100高频疲劳试验机上进行,频率为100Hz。螺栓表面的残余
应力测试在X-350A型X射线应力测定仪上进行。在光学显微镜下观察栓的
热处理组织形貌。4、试验结果及分析4.1
热处理工艺和组织由于图1可见,42CrMoVNb钢在600℃左右产生了二次硬化现象,并且随着淬火温度的提高,二次硬化的“平台”上移,强度提高,但淬火温度的提高将使得
奥氏体晶粒粗大,
韧性和塑性降低[1]。因此,试制螺栓的淬火温度为920-930℃,回火温度为600-610℃。经上述热处理工艺处理后,其显微组织为回火
索氏体,
晶粒度为10级。4.2工艺对抗拉强度的影响通常,高强度螺栓的滚丝是在热处理后进行,可使
螺纹处获得滚丝压应力,以提高螺栓的强度,特别是疲劳强度,但因螺栓的硬度高,对滚丝模要求较高,而热处理前因螺栓的硬度低,则滚丝容易实现。表3给出了1300MPa级螺栓热处理后的硬度和热处理前、后滚丝抗拉强度。可见,热处理前滚丝的螺栓抗拉强度低于热处理后滚丝的螺栓,其原因是,热处理前滚丝的螺栓,在后续进行热处理时,螺纹处的滚丝压应力被部分消除所致,另外,螺纹表面减
碳也会影响螺栓强度。高强度螺栓最新表面处理方法是
锌铝铬涂层(Dacrotized、Dacronet)又称“达克罗”处理,其耐盐雾
腐蚀性能高达500h以上,并且涂层不会引起
氢脆,其成膜温度在约300℃左右,厚度约几个微米[3]。试验结果表明,螺栓经表面“达克罗”处理后,抗拉强度无明显变化,见表3。表3不同工艺状态下实物螺栓的抗拉强度和硬度序号抗拉强度/MPa热处理后硬度/HRC热处理前滚丝热处理后滚丝热处理后滚丝经“达克罗”处理1#13481413141543.32#13241397139543.13#13071405141043.44#1340139843.3平均值13301403140743.34.3工艺对楔拉性能的影响螺栓作为多缺口零件,要求具有较低的缺口敏感性。螺栓的楔拉试验不仅可以反映其缺口敏感性的高低,还能较好地显示静载缺口敏感性的差异[4]。楔拉试验分别以0°、4°和6°的偏斜角度进行,试验结果见图2。可见,热处理后滚丝的螺栓,经“达克罗”和磷化表面处理后,随偏斜角度的增加,抗拉强度几乎没有变化,并且抗拉强度相当。而热处理前滚丝的螺栓,随偏斜角度的增加,抗拉强度则明显降低。这表明,热处理后滚丝的螺栓缺口敏感性很低,热处理前滚丝的螺栓缺口敏感性较高,“达克罗”和磷化表面处理对缺口敏感性没有影响。4.4疲劳性能及其残余应力通
过热处理后滚丝螺纹和滚压螺栓头根部,使这些部件获得表面残余应力,以减小此处应力集中的不利影响,提高螺栓的疲劳性能。“达克罗”处理和磷化处理是高强度螺栓最常用的表面处理方法,对经过这两种表面处理的螺栓进行了疲劳性能试验,螺栓规格为M10*1.25。螺栓服役时通常承受拉-拉疲劳负荷,并有初始装配预紧力,为
模拟其服役特征,采用恒定最小拉伸负荷改变最大拉伸负荷以升降法进行疲劳试验,其中最小拉伸负荷即为螺栓的初始装配预紧力。试验的最小拉伸应力为451MPa,试验结果见表4。可见,经磷化表面处理和“达克罗”表面处理后螺栓疲劳性能存在明显的差异,表明经过这两种表面处理后螺栓的残余应力发生了不同的变化。为此,对螺栓的残余应力进行了测试分析。在表面处理膜之下,螺栓滚压部件的残余应力测试结果见图3、4。可见经两种表面处理后的螺栓在基体表面处的残余压应力,无论是环向应力,还是轴向应力,均比未经表面处理的螺栓要小,而经“达克罗”表面处理的螺栓残余压应力最小。随着测试深度的增大,在0.05mm处环向和轴向残余压应力分别达到最大,三种表面状态的残余压应力基本趋于同一
水平。当测试深度继续增大,三种表面状态的环向和轴向残余应力均逐渐降低。显然,螺栓表面残余压应力的下降对疲劳性能不利,而“达克罗”表面处理与磷化表面处理
相比,使得螺栓基体表面的残余压应力下降更多,因此其疲劳性能也就更差。与未经表面处理的螺栓相比,磷化表面处理和“达克罗”表面处理的螺栓,除了基体表面的残余应力减小外,对一定深度下的残余应力没有产生影响,这说明,在磷化处理的温度下(90-98℃或更低[5])以及在“达克罗”处理的温度下(300℃左右[3])不会引起螺栓残余压应力的变化,螺栓基体表面残余压应力的降低另有原因。表面处理时,因心表比容差会在表面处理层产生内应力。磷化处理和“达克罗”处理在表面均有几个微米的膜层,两者膜层的比容均比螺栓基体的比容大[3,5],其成膜时,相对于螺栓基体会在平面上产生一定的膨胀,在螺栓基体的约束作用下,膜层将生产一定的压应力,同时给螺栓基体带来拉应力。由于膜层很薄,其拉应力仅在螺栓基体表面产生了明显作用,并与螺栓基体原有的滚压残余压应力相互抵消一部分,造成螺栓基体表面残余压应力降低。表4螺栓的疲劳极限σγ及标准
方差S表面处理方法标准方差S/MPa50%成活率下的疲劳极限σγ/MPa磷化处理13.3632“达克罗”处理12.45505、结论(1)42CrMoVNb钢可满足高强度螺栓的生产要求,其1300MPa级高强度螺栓的热处理工艺为920-930℃油淬+(600-610℃)*1.5h回火。(2)热处理后滚丝比热处理前滚丝螺栓抗拉强度高,缺口敏感性低。(3)磷化处理和“达克罗”处理对1300MPa级高强度螺栓的抗拉强度和缺口敏感性无明显影响,但降低了螺栓滚压或滚丝的残余压应力。磷化处理的螺栓疲劳性能高于“达克罗”处理的。(来源:
钢铁产业)
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