热处理工艺的技术分析及确认

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一  热处理工艺的技术分析
① 分析紧固件的制造工艺路线及热处理工序的具体位置，了解紧固件的制造工艺路线及热处理工序的具体位置，可以掌控热处理前序的加工特点及其质量对热处理后序的影响和热处理后序对热处理工序的要求。有利于工序与工序之间冷、热加工之间的沟通和协调，有利于确定热处理生产所在的场所和紧固件周转所需要的装备、时间等。如同样的10.9级、12.9级高强度螺栓可以安排在连续式网带炉上生产，有利于减少紧固件的周转，适合于大批量的生产；也可以安排在多用途加热炉内，减少长杆件变形或人员配置，适合于单件小批量试产件。
② 分析紧固件结构、形状和尺寸，以及图样规定材料和热处理技术要求，此分析内容是热处理工艺设计的主要依据，并是热处理工艺设计质量的前提条件。否则，热处理工艺设计无的放矢，难以满足紧固件性能要求、材料选择和热处理工艺性三者的一致性和正确性。如当紧固件形状很复杂时，要求10.9级或12.9级螺栓而所选择SCM435，当≥M30规格时，淬火必须选择采用水溶液，极易产生变形和开裂敏感性。同样的紧固件如选SCM440，淬火采用快速淬火油，则可以减少淬火变形和开裂风险性。
③ 分析所选定的具体材料的特性及其供应状态，同一种材料因其规格和原始状态不同，则力学性能及热处理工艺性等有很多差异，如直径30毫米以上35CrMo材料，带状组织严重3级，甚至更高级别。直接加工M30高强度螺栓，淬火后虽然力学性能强度、硬度可以达标，可金相组织中未溶铁素体呈团絮状或块状分布，极易造成冲击性能下降或断后伸长率偏低。如用SWRCH35K因淬透性较差，由于组织的不均匀性和带状组织的级别偏高，当加工成8.8级M16以上高强度螺栓淬火后组织不均匀，易形成早期失效的缺陷。
④ 分析相关的热处理工艺标准，由于标准层次不同（国家标准、行业标准、团体标准和企业标准），体现的技术档次也有一定的差别。为此，热处理工艺设计选择标准时，应在客观条件具备的情况下，尽量采用更高一级的标准。
⑤ 分析热处理前序的加工特点，为了防止因热处理前序加工特点对热处理工艺性的不良影响，在热处理工艺性审查过程如有异议问题，则应与工艺路线编制者及时沟通，经冷、热加工协商确定可否更改。

例如：a、各序间的变形允差和预留的加工余量。
b、为了改善热处理工艺性，在不影响紧固件使用性能的情况下，在热处理前的半成品上增加工艺孔、槽和加强肋等，并在前序工艺文件中作出明确规定。
c、外观和表面质量的要求。对于淬火裂纹敏感性较强碳素钢的紧固件，如M10、M12螺栓，加工杆部及端面R角尽量大于0.5mm、表面粗糙度不得大于Ra3.2μm；且各倒角和棱角需倒钝，头标和等级刻字深度不得大于0.25mm，需字根倒圆等等。 
⑥ 分析企业条件及外委外协热处理的可能性，通过掌握本企业或（委外的热处理企业）所具有的热处理实际条件，包括热处理生产的设备条件、人员结构及专业素养、质量管理水平和企业的热处理核心技术（专利技术、专有技术）以及热处理的生产类型（大批量生产、成批生产、单件多品种的小批量生产）和专业化程度、专业特色等，并在工艺设计时加以合理运用，所设计的热处理工艺才是合理可行的。如需要外委外协热处理，应与紧固件设计者或前序工艺设计者协商，按企业规定的技术沟通控制程序进行。

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 二  热处理工艺方案的制定
       热处理工艺方案的制定，即根据紧固件图样、标准和技术要求，以及紧固件制造的工艺路线来确定热处理工序和工艺方法。
1、热处理工序位置的安排在紧固件的制造工艺路线中，热处理工序位置安排大致可以归纳为四种类型。
① 安排在机械切削加工前的热处理工序有：退火、正火、调质、固溶和人工时效。
② 安排在粗加工后和半精加工前的热处理工序有：时效、退火、淬火和回火。
③ 安排在半精加工后和精加工前的热处理工序有：渗碳、碳氮共渗、淬火回火、表面感应加热淬火，去应力退火等。
④ 安排在精加工后的热处理工序有：渗碳、碳氮共渗、淬火回火、激光淬火、表面感应加热淬火，去应力退火以及渗金属和沉积碳化物、氮化物等。
2、紧固件制造工艺路线编制由于紧固件的结构、选材和技术要求的繁简程度不同，使其制造工艺很复杂，概括起来大致可以分为三类：
① 一般的普通产品基本加工工艺：拉拔→冷镦→滚牙（攻牙）→热处理→表色。
② 汽标类六角头螺栓、六角头部带孔等螺栓基本加工工艺（8.8级及以上）：球化退火→拉拔→球化退火→拉拔→冷镦→车（钻孔）加工→去毛刺→热处理→磨外园→滚（搓）牙→表色。
③ 风电类六角头螺栓、内六角圆柱头螺钉基本加工工艺（10.9级及以上）：球化退火→拉拔→冷镦（热锻）→去毛刺→车加工（倒角）→热处理→圆角强化→磨外园→滚（搓）牙→表色。
3、注意事项在以上的热处理工序位置安排和紧固件加工工艺路线确定的基础上，还要注意以下的几点内容。① 热处理工序和冷镦加工工艺的安排要合理。一般原材料盘条进行球化退火后，拉拔、冷镦，再淬火并回火。对于要求比较高的螺栓，还要在热处理后，增加车削或磨削加工，后滚牙（搓丝）工序。
② 采用先进可控气氛热处理技术和表面硬化处理。在保证紧固件力学性能和组织的条件下，尽量使不同工序能互相结合。如渗碳或碳氮共渗后直接淬火工艺；或利用锻造余热进行淬火、后回火；以及贝氏体等温淬火简化或缩短回火时间等等。对易变形的长杆件螺栓淬火后利用相变不完全时及时校直，再回火。
③ 尽量缩短生产周期。如碳素钢盘条退火，可以采用软化退火或减少退火时间，节约能源。对于长杆件螺栓或者薄壁异型件，可以采用冷作硬化非调质钢不热处理，或应该在淬火前增加结构强度，或增加后序加工余量、给予后续车、磨加工。
④ 为了减少延迟断裂氢脆和提高产品质量以及延长使用寿命，需要增加热处理工序。对于渗碳、碳氮共渗件，可以采用二次或多次回火，减少回火脆性；增加回火时间减少应力。
⑤ 对于复杂异型件或易变形件，为了达到更高的精度要求。可以在热处理后增加车、磨加工工序，或多次往复循环加工等。

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 三  热处理工艺方法的确认
      热处理工序的安排和制造工艺路线的制订，一般是由综合技术工艺（统筹冷镦、热处理）部门确定的，对热处理工序不可能规定得很具体，往往只标明热处理的工序名称（如退火、淬火、渗碳等）。需要的热处理工艺设计，具体的确定由热处理工程师负责。在确定了工艺方法，才能进一步确定其工艺参数（如加热速度、加热温度、冷却介质、冷却温度等等）。
1、确定工艺方法的原则
① 慎重分析所处理零件的重要性（一般件、重要件、关键件）及其标准或图样中已经规定的热处理工艺方法的难易程度，或者企业内部实施的可行性。以尽量满足紧固件标准或图样中规定的技术要求为出发点，如果实在不可行要及时与产品设计部门沟通、协调，最终由产品设计部门决定取舍或更改，并按企业规定审批程序以文件形式反馈到工艺设计部门。
② 确定具体工艺方法，应以本企业所具备的条件为出发点，只有在产品及其紧固件技术条件不可更改的情况下，才考虑委外热处理的可行性。
③ 确定具体工艺方法时，就高不就低。如合金结构钢材料需采用球化退火，不易用普通退火工艺应付；淬火加热不得用普通加热炉，必须采用可控气氛保护网带炉或多用炉、真空加热炉；碳氮共渗工艺不能用渗碳代替等。如需代替，应按企业规定的审批程序处理，任何人不得擅自替代。
④ 确定工艺方法时，应兼顾技术先进性和技术经济性的统一，经济性与安全性的统一等，处理好各项确定原则之间的关系。
2、热处理工艺参数的确定
热处理工艺是为了达到产品的最终质量要求，结合热处理设备、工件材料的具体情况而制定的，热处理工艺包括进料方式、清洗方式、工件炉内摆放方式、加热温度、加热时间（含保温时间）、碳势、冷却介质类型、冷却介质浓度、冷却介质搅拌、冷却介质温度、冷却后清洗方式等内容，紧固件的调质工艺除上述参数外还包括回火温度、回火加热时间、发黑类型、发黑介质温度、发黑介质浓度、上油类型、烘干温度等。因此在编写热处理工艺前，首先要对工件的质量要求有个完整掌握，其次对工件的结构、材料、机加工类型有个完整的了解，其三是对所用设备的具体特点非常熟悉，第四是根据以上三个方面来编写适应设备、质量、材料等要求的完整工艺来。

a加热介质和冷却介质的确定
    热处理所用加热介质和冷却介质是其工艺设计时，必不可少的选项，是热处理工艺主要参数之一。工艺设计所选择的加热介质和冷却介质，在一定程度上可以反映该工艺的先进性，正确选择对热处理质量有着极重要的影响。
b加热速度的确定
   热处理加热速度的确定，与所处理的紧固件材料种类和所处理的牌号、规格、结构尺寸及装炉量有关。预先热处理退火、正火，对于低、中碳钢、低合金钢，其加热速度不限，即按炉子的有效功率升温即可。而对于高合金不锈钢、高温合金等，虽然有效厚度一般不大，但应力较大、热传导慢，因此加热速度不宜过快；加热速度控制在80～100℃/h即可。在500～650℃时停留2～4h，再升温至最高设定温度。最终热处理的加热速度，淬火、回火对于低、中碳钢，低合金钢，其加热速度不限，一般可以进行快速加热；也可将炉温升至淬火温度以上100～200℃装入工件，随之炉温在指定淬火温度进行保温。为了避免产生裂纹和减少变形，结构复杂和高合金不锈钢、高温合金工件，其淬火加热速度，一般采用分级加热（即1～2次预热后），再在淬火温度加热。