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高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

发布时间:2019-04-08   来源:贤集网  

  高强度螺栓在生产上全称叫高强度螺栓连接副,一般不简称为高强度螺栓。根据安装特点分为:大六角头螺栓和扭剪型螺栓。其中扭剪型只在10.9级中使用。根据高强度螺栓的性能等级分为8.8级和10.9级。其中8.8级仅有大六角型高强度螺栓,在标示方法上,小数点前数字表示热处理后的抗拉强度;小数点后的数字表示屈强比即屈服强度实测值与极限抗拉强度实测值之比。8.8级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于800MPa,屈强比为0.8;10.9级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于1000MPa,屈强比为0.9。对于高强度螺栓的知识,大家是否想要了解更多呢?

  高强度螺栓的制造工艺流程步骤

  一、高强度螺栓原料的选用

  在紧固件制造中正确选用紧固件材料是重要一环,因为紧固件的性能和其材料有着密切的关系。冷镦钢是采用冷镦成型工艺生产的互换性较高的紧固件用钢,由于它是常温下利用金属塑性加工成型,每个零件的变形量很大,承受的变形速度也高,因此对冷镦钢原料的性能要求十分严格。

  (1)碳含量过高冷成形性能将降低,太低则无法满足零件机械性能的要求。

  (2)锰能提高钢的渗透性,但添加过多则会强化基体组织而影响冷成形性能。

  (3)硅能强化铁素体促使冷成形性能降低,材料延伸率下降。

  (4)因为硼元素虽然具有显著提高钢材渗透性等作用,但同时会导致钢材脆性增加。含硼量过高,对螺栓,螺钉和螺柱这类需要良好综合机械性能的工件是十分不利的。

  (5)其他杂质元素,它们的存在会沿晶界产生偏析导致晶界脆化,损害钢材的机械性能应尽可能降低。

  二、高强度螺栓球化退火

  内六角圆柱头螺栓采用冷镦工艺生产时,钢材的原始组织会直接影响着冷镦加工时的成形能力,为此要求钢材必须具有良好的塑性。当钢材的化学成分一定时,金相组织就是决定塑性优劣的关键性因素,通常认为粗大片状珠光体不利于冷镦成形,而细小的球状珠光体可显著地提高钢材塑性变形的能力。 对高强度紧固件用量较多的中碳钢和中碳合金钢,在冷镦前进行球化退火,以便获得均匀细致的球化珠光体,以更好地满足实际生产需要。

  三、高强度螺栓剥壳除鳞

  冷镦钢盘条去除氧化铁板工序为剥亮除鳞,有机械除鳞和化学酸洗两种方法。用机械除鳞取代盘条的化学酸洗工序,既提高了生产率又减少了环境污染。此除鳞过程包括弯曲法、喷九法等,除鳞效果较好,但不能使残余铁鳞去净。尤其是氧化铁皮粘附性很强时,因此机械除鳞受铁皮厚度,结构和应力状态的影响,使用于低强度紧固件用的碳钢盘条。高强度紧固件用盘条在机械除鳞后,为除净所有的氧化铁皮再经化学酸洗工序即复合除鳞。 对低碳钢盘条而言,机械除鳞残留的铁皮容易造成粒拔模不均匀磨损。当粒拔模孔由于盘条钢丝摩擦外温时粘附上铁皮,使盘条钢丝表面产生纵向粒痕,盘条钢丝冷镦凸缘螺栓或圆柱头螺钉时,头部出现微裂纹的原因。

  四、高强度螺栓拉拔

  拉拔工序的目的一是改制原材料的尺寸,二是通过变形强化作用使紧固件获得基本的机械性能。如果各道次的减面率分配不合适,也会使盘条钢丝在拉拔过程中产生扭转裂纹,这种沿钢丝纵向分布周期一定的裂纹在钢丝冷镦过程中暴露。此外拉拔过程中如润滑不好,也可造成冷拔盘条钢丝有规律地出现横裂纹。盘条钢丝出出粒丝模口上卷同时的切线方向与拉丝模不同心,会造成拉丝模单边孔型的磨损加剧,使内孔失圆造成钢丝圆周方向的拉拔变形不均匀,使钢丝的圆度超差,在冷镦过程中钢丝横截面应力不均匀而影响冷镦合格率。

  五、高强度螺栓冷镦成形

  通常螺栓头部的成形采用冷镦塑性加工,冷镦成形工艺包括切料与成形,分单工位单击,双击冷镦和多工位自动冷镦。一台自动冷镦机分别在几个成型凹模里进行冲压、镦锻、挤压和缩径等多工位工艺。

  (1)用半封闭切料工具切割毛坯,最简单的方法是采用套筒式切料工具。

  (2)短尺寸毛坯在由上一个工位向下一个成型工位传递过程中,加工结构复杂的紧固件提高零件精度。

  (3)在各个成型工位上都应该装有冲头退料装置,凹模均应带有套筒式顶料装置。

  (4)在有效使用期内主滑块导轨和工艺部件的结构都能保证冲头和凹模的定位精度。

  (5)在控制选料的挡板上必须安装终端限位开关,必须注意镦锻力的控制。

  六、高强度螺栓螺纹加工

  螺栓螺纹一般采用冷加工,它受螺纹精度,材料有无镀层等因素限制。 滚压螺纹是指利用塑性变形使螺纹牙成形的加工方法。它是用带有和被加工的螺纹同样螺距和牙形的滚压模具,一边挤压圆柱形螺坯,一边使螺坯转动,最终将滚压模具上的牙形转移到螺坯上使螺纹成形。 滚压螺纹加工的共同点是滚动转数不必太多,如果过多则效率低,螺纹牙表面容易产生分离现象或者乱扣现象。反之如果转数太少,螺纹直径容易失圆,滚压初期压力异常增高,造成模具寿命缩短。

  七、高强度螺栓热处理

  高强度紧固件根据技术要求都要进行调质处理。热处理调质是为了提高紧固件的综合机械性能,以满足产品规定的抗拉强度值和屈强比。 热处理工艺对高强度紧固件尤其是它的内在质量有着至关重要的影响,因此要想生产出优质的高强度紧固件,必须要有先进的热处理技术装备。

  高强度螺栓技术要求

  用高强度钢制造的,或者需要施以较大预紧力的螺栓,皆可称为高强度螺栓。高强度螺栓多用于桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接。这种螺栓的断裂多为脆性断裂。应用于超高压设备上的高强度螺栓,为了保证容器的密封,需要施以较大的预应力。

高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

      1、主题内容与适用范围

  本技术要求规定了移动机械设备的钢结构高强度螺栓副连接件在制造、安装和检验过程中的技术要求。本技术要求未规定的内容,按有关国家标准执行。本技术要求适用于需要应用高强度螺栓连接的移动机械钢结构。本技术要求应用于制造厂内和现场安装的质量控制和施工方法。

  2、结合面处理

  (1)摩擦型高强度螺栓连接,要求接头处的结合面密贴,并具有足够的摩擦系数。当设计图样对该结合面的处理要求未作规定时,按以下规定进行处理:对高强度螺栓结合面进行喷砂或抛丸处理,清除表面上铁锈、油污等杂质,达到Sa2.5级标准,粗糙度50~75μm,其摩擦系数不得低于0.40。图纸有规定时,按图纸规定执行。

  (2)经处理后的高强度螺栓连接处摩擦面,应采取保护措施,防止沾染脏物和油污。严禁在高强度螺栓连接处摩擦面上作任何标记。在厂内存放,或在运输,到安装现场保管中要特别防止连接表面的污染。安装单位要特别注意保护好高强度螺栓的连接板和母体的连接表面的清洁度摩擦表面的特性。不允许随意使用砂轮机打磨连接板连接面和母体连接表面。

  3、高强度螺栓摩擦面的抗滑移系数检验

  抗滑移系数检验应以钢结构制造批为单位,以单项工程每2000t为一制造批,不足2000t者视作一批,单项工程的构件摩擦面选用两种及两种以上表面处理工艺时,则每种表面处理工艺均需检验。每批三组试件。若连接处为扩散到外部企业时,相应的每个企业都应做抗滑移系数检验。

  (1)抗滑移系数试验用的试件应由厂内或扩散企业加工,试件与所代表的钢结构构件应为同一材质、同批制作、采用同一摩擦面处理工艺和具有相同的表面状态,并应用同批同一性能等级的高强度螺栓连接副,在同一环境条件下存放。抗滑移系数试验按GB50205《钢结构工程施工质量验收规范》试验方法进行。

  (2)抗滑移系数检验的最小值必须等于或大于设计规定值。当不符合上述规定值时,构件摩擦面应重新处理。处理后的构件摩擦面重新检验。

  4、钢结构用摩擦型高强度螺栓的连接安装

  (1)安装前的准备工作

  (2)选用检验合格的螺栓、螺母和垫圈。其连接副扭矩系数保证期为自出厂之日起六个月。

  (3)螺栓、螺母、垫圈有下列情况为不合格品,禁止使用。

  a、来源(制造厂)不明者;

  b、机械性能不明者;

  c、扭矩系数k不明者;

  d、有裂纹、伤痕 、毛刺、弯曲、铁锈、螺纹磨损、油污、被水淋湿过或有缺陷者;

  e、未附带性能试验报告者;

  f、与其它批号螺栓混合者;

  g、长度不够的螺栓,即拧紧后螺栓头露不出螺母端面者。一般取伸出螺母端面的长度以2~3扣螺纹为宜。

  h、连接副扭矩系数超过保证期的。

  在运输和保管中要特别注意防水。

  (4)大六角头高强度螺栓施工前,应按出厂批复验高强度螺栓连接副的扭矩系数,每批复验8套,8套扭矩系数的平均值应在0.110~0.150范围之内,其标准偏差应小于或等于0.010。其扭矩系数复检方法按GB50205《钢结构工程施工质量验收规范》规定进行。试验后应在较短的时间内进行高强度螺栓的安装。

  高强度螺栓断裂分析

  一、理化检验

  1、宏观检验

  该螺栓断裂于杆部,其断口宏观形貌如图1所示。螺栓断口与轴线垂直,整个断口宏观上可分为3个区:断裂源区、放射区和剪切唇区。断裂源区处于断口的中心部位,该区面积很小;放射区为快速的脆性断裂区,呈现明显的放射状条纹特征,放射状条纹的收敛于断口中心,即为断裂源,放射区面积较大,占断口总面积的70%~80%;剪切唇区处于断口的四周边缘,为最终断裂区,并与断口面约呈45°。这些特征表明该螺栓断口为典型的在拉伸载荷作用下发生的混合型断裂,以脆性断裂为主。

高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

      2、化学成分分析

  运用Labspark750型火花光谱仪对螺栓进行化学成分分析,结果见表1,由表1可以看出螺栓的化学成分满足协议对B7钢的技术要求。

高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

      3、断口分析

  采用日本J SM - 6 4 8 0型扫描电镜及牛津INCA-350型能谱仪,对螺栓断口微观形貌及微区成分进行观察。断口为异常的沿晶或沿晶+局部穿晶解理断裂,该区域大小为400~550μm,断裂源区沿晶断口形貌如图2所示,沿晶+穿晶解理断裂特征如图3所示,断裂源区局部脆性穿晶解理断口形貌如图4所示,准解理断裂特征如图5所示。放射区断口面积较大,占整个断口的70%~80%,其微观特征为典型的脆性解理断裂。断口周围是最后断裂的剪切唇区,其微观特征为大量的撕裂韧窝(图6)。

高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

      4、金相检验

  (1)非金属夹杂物

  对断口进行磨制、抛光后,制成金相试样在光学显微镜下观察,按GB/T10561—2005标准评级图对钢中非金属夹杂物进行评级。断裂螺栓钢中非金属夹杂物如图7所示,断裂螺栓钢中表面层与心部非金属夹杂物无明显差别,D类环状氧化物夹杂物级别约为粗D2~D2.5级。

高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

      (2)螺栓表面和心部金相组织

  经体积分数为3%硝酸酒精溶液浸蚀后,用光学显微镜及扫描电镜观察分析断裂螺栓的金相组织。螺栓杆部横截面试样经浸蚀后,在光学显微镜下观察螺栓表层金相组织如图8所示,为细小、均匀的回火索氏体组织。在距表面约15mm处,局部区域有较多的点状、小块状的铁素体组织,并有沿晶分布呈深黑色组织,有未完全淬透的痕迹,浅灰色区为细小、均匀的仍保留针状马氏体形态特征的回火索氏体组织。

高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

  螺栓心部金相组织如图9所示,由图9可以看出螺栓心部金相组织不均匀现象较为明显,点状、小块状铁素体量较多,并有条状或针状魏氏组织特征。在扫描电镜下,螺栓表层金相组织为针状特征的正常均匀的回火索氏体组织(图10)。在螺栓心部呈黑色(在金相显微镜下呈白色)的小块状铁素体,金相组织也多呈板条状特征,局部可见呈针状特征(图11)。

高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

★图11断裂螺栓心部金相组织(浸蚀态、SEM)

  5、硬度测试

  采用HR-150A洛氏硬度计分别在螺栓断口横截面进行硬度测试,从螺栓表面至心部的硬度测试结果见表2。由表2可以看出表面硬度在35.1~38.3HRC,心部硬度在35.4~37.7 HRC。

高强度螺栓的制造工艺流程步骤及技术要求

      二、分析与讨论

  1、断裂螺栓断口分析表明,断裂源位于螺栓中心处,断裂源断口呈沿晶或沿晶+局部穿晶解理断裂,断裂源区尺寸为400~550 μm,几乎看不到韧窝特征的异常断口。断口放射区面积较大,占整个断口的70%~80%,有明显放射状条纹,为裂纹快速扩展区,是典型的脆性解理断裂。

  2、螺栓安装时在拉伸载荷作用下,心部局部沿晶脆断而引发的裂纹而快速扩展导致的脆性断裂。高强度螺栓经过调质处理,其强韧性配合良好,螺栓最终断裂区有剪切唇,但心部的沿晶断裂表明其晶界强度较低,这是由原材料轧制工艺控制不当,存在不良的组织缺陷所致。

  3、螺栓断口金相组织分析表明:表层金相组织为均匀的回火索氏体,从距表面约12~15mm处开始出现组织不均匀现象,有少量的点状、小块状铁素体及沿晶分布呈深黑色组织(有未完全淬透的特征),心部组织不均匀现象较为明显,呈白亮色的小块状铁素体增多,局部有条状或针状魏氏组织特征,这与螺栓原材料热轧存在不良组织缺陷及调质热处理加热不足有关。螺栓在网带炉中淬火加热时因装炉量大,网带运动速度较快,造成螺栓加热不足,心部奥氏体化不充分、不均匀,导致螺栓未完全淬透。

  4、金相检验分析显示在距表面12~15mm处出现点状、小块状的铁素体组织,表明螺栓心部并未完全淬透,高温回火处理会掩盖淬火未完全淬透的真相,经验的方法应测定螺栓淬火态的心部硬度。

  5、高强度螺栓在淬火加热不足的情况下,表面硬度可达到36~38 HRC的技术要求,且符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》中的10.9级强度要求。在螺栓组织中非马氏体数量较多时,会造成螺栓强韧性的降低,但不至于引起螺栓心部断裂源区异常的沿晶断裂。

  三、结论与建议

  1、该螺栓在安装过程中出现螺栓杆部的早期断裂,是异常的脆性断裂。断裂源区呈现的沿晶断裂和解理断口主要是螺栓热轧原材料存在组织缺陷所致。螺栓心部存在少量的小块状铁素体及沿晶分布呈深黑色组织,表明螺栓在热处理时存在加热不足现象,但不是造成该螺栓脆断的主要原因。

  2、该螺栓淬火加热不足的原因,可能与网带炉装炉量过大、网带运动速度快及螺栓装炉不均匀等因素有关。建议每批螺栓热处理时,每班抽检一件淬火态螺栓,取杆部横截面试样,从表面到心部每隔3~4mm测定其硬度变化情况,同时配合金相检验分析其淬透情况,以确保高强度螺栓心部组织达到约90%马氏体。

  3、螺栓B7钢实物冶金质量一般,未发现有严重的非金属夹杂物等缺陷。加强对螺栓B7钢热轧原材料组织的进厂检验,分析其带状组织及热加工不良的缺陷组织情况。通过工艺试验,确定合理的热处理工艺。

  高强度螺栓施工主要采用的方法是扭矩法。高强度螺栓连接副扭矩系数是保证高强度螺栓预紧轴力准确的重要因素。对于目前的表面处理工艺而言,随着环境温度和湿度的改变,高强度螺栓连接副的扭矩系数也会变化。因此,温度和湿度变化会导致扭矩系数离散,使得高强度螺栓的预紧轴力离散,这种离散现象在高强度螺栓施工中是很难控制的。因此研制出一种扭矩系数不受温度和湿度影响的新表面处理工艺,是高强度螺栓未来的发展方向。

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