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标準與技術

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

發布時間:2019-04-08   來源:賢集網  

  高強度螺栓在生產上全稱叫高強度螺栓連接副,一般不簡稱為高強度螺栓。根據安裝特點分為:大六角頭螺栓和扭剪型螺栓。其中扭剪型隻在10.9級中使用。根據高強度螺栓的性能等級分為8.8級和10.9級。其中8.8級僅有大六角型高強度螺栓,在标示方法上,小數點前數字表示熱處理後的抗拉強度;小數點後的數字表示屈強比即屈服強度實測值與極限抗拉強度實測值之比。8.8級的意思就是螺栓杆的抗拉強度不小于800MPa,屈強比為0.8;10.9級的意思就是螺栓杆的抗拉強度不小于1000MPa,屈強比為0.9。對于高強度螺栓的知識,大家是否想要了解更多呢?

  高強度螺栓的制造工藝流程步驟

  一、高強度螺栓原料的選用

  在緊固件制造中正确選用緊固件材料是重要一環,因為緊固件的性能和其材料有着密切的關系。冷镦鋼是采用冷镦成型工藝生產的互換性較高的緊固件用鋼,由于它是常溫下利用金屬塑性加工成型,每個零件的變形量很大,承受的變形速度也高,因此對冷镦鋼原料的性能要求十分嚴格。

  (1)碳含量過高冷成形性能将降低,太低則無法滿足零件機械性能的要求。

  (2)錳能提高鋼的滲透性,但添加過多則會強化基體組織而影響冷成形性能。

  (3)矽能強化鐵素體促使冷成形性能降低,材料延伸率下降。

  (4)因為硼元素雖然具有顯著提高鋼材滲透性等作用,但同時會導緻鋼材脆性增加。含硼量過高,對螺栓,螺釘和螺柱這類需要良好綜合機械性能的工件是十分不利的。

  (5)其他雜質元素,它們的存在會沿晶界產生偏析導緻晶界脆化,損害鋼材的機械性能應盡可能降低。

  二、高強度螺栓球化退火

  内六角圓柱頭螺栓采用冷镦工藝生產時,鋼材的原始組織會直接影響着冷镦加工時的成形能力,為此要求鋼材必須具有良好的塑性。當鋼材的化學成分一定時,金相組織就是決定塑性優劣的關鍵性因素,通常認為粗大片狀珠光體不利于冷镦成形,而細小的球狀珠光體可顯著地提高鋼材塑性變形的能力。 對高強度緊固件用量較多的中碳鋼和中碳合金鋼,在冷镦前進行球化退火,以便獲得均勻細緻的球化珠光體,以更好地滿足實際生產需要。

  三、高強度螺栓剝殼除鱗

  冷镦鋼盤條去除氧化鐵闆工序為剝亮除鱗,有機械除鱗和化學酸洗兩種方法。用機械除鱗取代盤條的化學酸洗工序,既提高了生產率又減少了環境污染。此除鱗過程包括彎曲法、噴九法等,除鱗效果較好,但不能使殘餘鐵鱗去淨。尤其是氧化鐵皮粘附性很強時,因此機械除鱗受鐵皮厚度,結構和應力狀态的影響,使用于低強度緊固件用的碳鋼盤條。高強度緊固件用盤條在機械除鱗後,為除淨所有的氧化鐵皮再經化學酸洗工序即複合除鱗。 對低碳鋼盤條而言,機械除鱗殘留的鐵皮容易造成粒拔模不均勻磨損。當粒拔模孔由于盤條鋼絲摩擦外溫時粘附上鐵皮,使盤條鋼絲表面產生縱向粒痕,盤條鋼絲冷镦凸緣螺栓或圓柱頭螺釘時,頭部出現微裂紋的原因。

  四、高強度螺栓拉拔

  拉拔工序的目的一是改制原材料的尺寸,二是通過變形強化作用使緊固件獲得基本的機械性能。如果各道次的減面率分配不合适,也會使盤條鋼絲在拉拔過程中產生扭轉裂紋,這種沿鋼絲縱向分布周期一定的裂紋在鋼絲冷镦過程中暴露。此外拉拔過程中如潤滑不好,也可造成冷拔盤條鋼絲有規律地出現橫裂紋。盤條鋼絲出出粒絲模口上卷同時的切線方向與拉絲模不同心,會造成拉絲模單邊孔型的磨損加劇,使内孔失圓造成鋼絲圓周方向的拉拔變形不均勻,使鋼絲的圓度超差,在冷镦過程中鋼絲橫截面應力不均勻而影響冷镦合格率。

  五、高強度螺栓冷镦成形

  通常螺栓頭部的成形采用冷镦塑性加工,冷镦成形工藝包括切料與成形,分單工位單擊,雙擊冷镦和多工位自動冷镦。一台自動冷镦機分别在幾個成型凹模裏進行沖壓、镦鍛、擠壓和縮徑等多工位工藝。

  (1)用半封閉切料工具切割毛坯,最簡單的方法是采用套筒式切料工具。

  (2)短尺寸毛坯在由上一個工位向下一個成型工位傳遞過程中,加工結構複雜的緊固件提高零件精度。

  (3)在各個成型工位上都應該裝有沖頭退料裝置,凹模均應帶有套筒式頂料裝置。

  (4)在有效使用期内主滑塊導軌和工藝部件的結構都能保證沖頭和凹模的定位精度。

  (5)在控制選料的擋闆上必須安裝終端限位開關,必須注意镦鍛力的控制。

  六、高強度螺栓螺紋加工

  螺栓螺紋一般采用冷加工,它受螺紋精度,材料有無鍍層等因素限制。 滾壓螺紋是指利用塑性變形使螺紋牙成形的加工方法。它是用帶有和被加工的螺紋同樣螺距和牙形的滾壓模具,一邊擠壓圓柱形螺坯,一邊使螺坯轉動,最終将滾壓模具上的牙形轉移到螺坯上使螺紋成形。 滾壓螺紋加工的共同點是滾動轉數不必太多,如果過多則效率低,螺紋牙表面容易產生分離現象或者亂扣現象。反之如果轉數太少,螺紋直徑容易失圓,滾壓初期壓力異常增高,造成模具壽命縮短。

  七、高強度螺栓熱處理

  高強度緊固件根據技術要求都要進行調質處理。熱處理調質是為了提高緊固件的綜合機械性能,以滿足產品規定的抗拉強度值和屈強比。 熱處理工藝對高強度緊固件尤其是它的内在質量有着至關重要的影響,因此要想生產出優質的高強度緊固件,必須要有先進的熱處理技術裝備。

  高強度螺栓技術要求

  用高強度鋼制造的,或者需要施以較大預緊力的螺栓,皆可稱為高強度螺栓。高強度螺栓多用于橋梁、鋼軌、高壓及超高壓設備的連接。這種螺栓的斷裂多為脆性斷裂。應用于超高壓設備上的高強度螺栓,為了保證容器的密封,需要施以較大的預應力。

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

      1、主題内容與适用範圍

  本技術要求規定了移動機械設備的鋼結構高強度螺栓副連接件在制造、安裝和檢驗過程中的技術要求。本技術要求未規定的内容,按有關國家标準執行。本技術要求适用于需要應用高強度螺栓連接的移動機械鋼結構。本技術要求應用于制造廠内和現場安裝的質量控制和施工方法。

  2、結合面處理

  (1)摩擦型高強度螺栓連接,要求接頭處的結合面密貼,并具有足夠的摩擦系數。當設計圖樣對該結合面的處理要求未作規定時,按以下規定進行處理:對高強度螺栓結合面進行噴砂或抛丸處理,清除表面上鐵鏽、油污等雜質,達到Sa2.5級标準,粗糙度50~75μm,其摩擦系數不得低于0.40。圖紙有規定時,按圖紙規定執行。

  (2)經處理後的高強度螺栓連接處摩擦面,應采取保護措施,防止沾染髒物和油污。嚴禁在高強度螺栓連接處摩擦面上作任何标記。在廠内存放,或在運輸,到安裝現場保管中要特别防止連接表面的污染。安裝單位要特别注意保護好高強度螺栓的連接闆和母體的連接表面的清潔度摩擦表面的特性。不允許随意使用砂輪機打磨連接闆連接面和母體連接表面。

  3、高強度螺栓摩擦面的抗滑移系數檢驗

  抗滑移系數檢驗應以鋼結構制造批為單位,以單項工程每2000t為一制造批,不足2000t者視作一批,單項工程的構件摩擦面選用兩種及兩種以上表面處理工藝時,則每種表面處理工藝均需檢驗。每批三組試件。若連接處為擴散到外部企業時,相應的每個企業都應做抗滑移系數檢驗。

  (1)抗滑移系數試驗用的試件應由廠内或擴散企業加工,試件與所代表的鋼結構構件應為同一材質、同批制作、采用同一摩擦面處理工藝和具有相同的表面狀态,并應用同批同一性能等級的高強度螺栓連接副,在同一環境條件下存放。抗滑移系數試驗按GB50205《鋼結構工程施工質量驗收規範》試驗方法進行。

  (2)抗滑移系數檢驗的最小值必須等于或大于設計規定值。當不符合上述規定值時,構件摩擦面應重新處理。處理後的構件摩擦面重新檢驗。

  4、鋼結構用摩擦型高強度螺栓的連接安裝

  (1)安裝前的準備工作

  (2)選用檢驗合格的螺栓、螺母和墊圈。其連接副扭矩系數保證期為自出廠之日起六個月。

  (3)螺栓、螺母、墊圈有下列情況為不合格品,禁止使用。

  a、來源(制造廠)不明者;

  b、機械性能不明者;

  c、扭矩系數k不明者;

  d、有裂紋、傷痕 、毛刺、彎曲、鐵鏽、螺紋磨損、油污、被水淋濕過或有缺陷者;

  e、未附帶性能試驗報告者;

  f、與其它批号螺栓混合者;

  g、長度不夠的螺栓,即擰緊後螺栓頭露不出螺母端面者。一般取伸出螺母端面的長度以2~3扣螺紋為宜。

  h、連接副扭矩系數超過保證期的。

  在運輸和保管中要特别注意防水。

  (4)大六角頭高強度螺栓施工前,應按出廠批複驗高強度螺栓連接副的扭矩系數,每批複驗8套,8套扭矩系數的平均值應在0.110~0.150範圍之内,其标準偏差應小于或等于0.010。其扭矩系數複檢方法按GB50205《鋼結構工程施工質量驗收規範》規定進行。試驗後應在較短的時間内進行高強度螺栓的安裝。

  高強度螺栓斷裂分析

  一、理化檢驗

  1、宏觀檢驗

  該螺栓斷裂于杆部,其斷口宏觀形貌如圖1所示。螺栓斷口與軸線垂直,整個斷口宏觀上可分為3個區:斷裂源區、放射區和剪切唇區。斷裂源區處于斷口的中心部位,該區面積很小;放射區為快速的脆性斷裂區,呈現明顯的放射狀條紋特征,放射狀條紋的收斂于斷口中心,即為斷裂源,放射區面積較大,占斷口總面積的70%~80%;剪切唇區處于斷口的四周邊緣,為最終斷裂區,并與斷口面約呈45°。這些特征表明該螺栓斷口為典型的在拉伸載荷作用下發生的混合型斷裂,以脆性斷裂為主。

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

      2、化學成分分析

  運用Labspark750型火花光譜儀對螺栓進行化學成分分析,結果見表1,由表1可以看出螺栓的化學成分滿足協議對B7鋼的技術要求。

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

      3、斷口分析

  采用日本J SM - 6 4 8 0型掃描電鏡及牛津INCA-350型能譜儀,對螺栓斷口微觀形貌及微區成分進行觀察。斷口為異常的沿晶或沿晶+局部穿晶解理斷裂,該區域大小為400~550μm,斷裂源區沿晶斷口形貌如圖2所示,沿晶+穿晶解理斷裂特征如圖3所示,斷裂源區局部脆性穿晶解理斷口形貌如圖4所示,準解理斷裂特征如圖5所示。放射區斷口面積較大,占整個斷口的70%~80%,其微觀特征為典型的脆性解理斷裂。斷口周圍是最後斷裂的剪切唇區,其微觀特征為大量的撕裂韌窩(圖6)。

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

      4、金相檢驗

  (1)非金屬夾雜物

  對斷口進行磨制、抛光後,制成金相試樣在光學顯微鏡下觀察,按GB/T10561—2005标準評級圖對鋼中非金屬夾雜物進行評級。斷裂螺栓鋼中非金屬夾雜物如圖7所示,斷裂螺栓鋼中表面層與心部非金屬夾雜物無明顯差别,D類環狀氧化物夾雜物級别約為粗D2~D2.5級。

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

      (2)螺栓表面和心部金相組織

  經體積分數為3%硝酸酒精溶液浸蝕後,用光學顯微鏡及掃描電鏡觀察分析斷裂螺栓的金相組織。螺栓杆部橫截面試樣經浸蝕後,在光學顯微鏡下觀察螺栓表層金相組織如圖8所示,為細小、均勻的回火索氏體組織。在距表面約15mm處,局部區域有較多的點狀、小塊狀的鐵素體組織,并有沿晶分布呈深黑色組織,有未完全淬透的痕迹,淺灰色區為細小、均勻的仍保留針狀馬氏體形态特征的回火索氏體組織。

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

  螺栓心部金相組織如圖9所示,由圖9可以看出螺栓心部金相組織不均勻現象較為明顯,點狀、小塊狀鐵素體量較多,并有條狀或針狀魏氏組織特征。在掃描電鏡下,螺栓表層金相組織為針狀特征的正常均勻的回火索氏體組織(圖10)。在螺栓心部呈黑色(在金相顯微鏡下呈白色)的小塊狀鐵素體,金相組織也多呈闆條狀特征,局部可見呈針狀特征(圖11)。

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

★圖11斷裂螺栓心部金相組織(浸蝕态、SEM)

  5、硬度測試

  采用HR-150A洛氏硬度計分别在螺栓斷口橫截面進行硬度測試,從螺栓表面至心部的硬度測試結果見表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。

高強度螺栓的制造工藝流程步驟及技術要求

      二、分析與讨論

  1、斷裂螺栓斷口分析表明,斷裂源位于螺栓中心處,斷裂源斷口呈沿晶或沿晶+局部穿晶解理斷裂,斷裂源區尺寸為400~550 μm,幾乎看不到韌窩特征的異常斷口。斷口放射區面積較大,占整個斷口的70%~80%,有明顯放射狀條紋,為裂紋快速擴展區,是典型的脆性解理斷裂。

  2、螺栓安裝時在拉伸載荷作用下,心部局部沿晶脆斷而引發的裂紋而快速擴展導緻的脆性斷裂。高強度螺栓經過調質處理,其強韌性配合良好,螺栓最終斷裂區有剪切唇,但心部的沿晶斷裂表明其晶界強度較低,這是由原材料軋制工藝控制不當,存在不良的組織缺陷所緻。

  3、螺栓斷口金相組織分析表明:表層金相組織為均勻的回火索氏體,從距表面約12~15mm處開始出現組織不均勻現象,有少量的點狀、小塊狀鐵素體及沿晶分布呈深黑色組織(有未完全淬透的特征),心部組織不均勻現象較為明顯,呈白亮色的小塊狀鐵素體增多,局部有條狀或針狀魏氏組織特征,這與螺栓原材料熱軋存在不良組織缺陷及調質熱處理加熱不足有關。螺栓在網帶爐中淬火加熱時因裝爐量大,網帶運動速度較快,造成螺栓加熱不足,心部奧氏體化不充分、不均勻,導緻螺栓未完全淬透。

  4、金相檢驗分析顯示在距表面12~15mm處出現點狀、小塊狀的鐵素體組織,表明螺栓心部并未完全淬透,高溫回火處理會掩蓋淬火未完全淬透的真相,經驗的方法應測定螺栓淬火态的心部硬度。

  5、高強度螺栓在淬火加熱不足的情況下,表面硬度可達到36~38 HRC的技術要求,且符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中的10.9級強度要求。在螺栓組織中非馬氏體數量較多時,會造成螺栓強韌性的降低,但不至于引起螺栓心部斷裂源區異常的沿晶斷裂。

  三、結論與建議

  1、該螺栓在安裝過程中出現螺栓杆部的早期斷裂,是異常的脆性斷裂。斷裂源區呈現的沿晶斷裂和解理斷口主要是螺栓熱軋原材料存在組織缺陷所緻。螺栓心部存在少量的小塊狀鐵素體及沿晶分布呈深黑色組織,表明螺栓在熱處理時存在加熱不足現象,但不是造成該螺栓脆斷的主要原因。

  2、該螺栓淬火加熱不足的原因,可能與網帶爐裝爐量過大、網帶運動速度快及螺栓裝爐不均勻等因素有關。建議每批螺栓熱處理時,每班抽檢一件淬火态螺栓,取杆部橫截面試樣,從表面到心部每隔3~4mm測定其硬度變化情況,同時配合金相檢驗分析其淬透情況,以确保高強度螺栓心部組織達到約90%馬氏體。

  3、螺栓B7鋼實物冶金質量一般,未發現有嚴重的非金屬夾雜物等缺陷。加強對螺栓B7鋼熱軋原材料組織的進廠檢驗,分析其帶狀組織及熱加工不良的缺陷組織情況。通過工藝試驗,确定合理的熱處理工藝。

  高強度螺栓施工主要采用的方法是扭矩法。高強度螺栓連接副扭矩系數是保證高強度螺栓預緊軸力準确的重要因素。對于目前的表面處理工藝而言,随着環境溫度和濕度的改變,高強度螺栓連接副的扭矩系數也會變化。因此,溫度和濕度變化會導緻扭矩系數離散,使得高強度螺栓的預緊軸力離散,這種離散現象在高強度螺栓施工中是很難控制的。因此研制出一種扭矩系數不受溫度和濕度影響的新表面處理工藝,是高強度螺栓未來的發展方向。

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