高性能高强度紧固件用网带炉淬火时加热时间的选取研究

付平安

冷水江天宝实业股份有限公司 湖南娄底 417505

网带炉生产线具有生产效率高、设备自动化程度高、质量稳定性高等优点，在碳素钢与合金钢小件热处理中应用十分广泛，特别是紧固件热处理时，网带炉生产线更是首选炉型。

紧固件作为最常见的通用零部件，包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、自攻螺钉、木螺钉、垫圈、挡圈、销、铆钉、组合件和连接副及其他（如焊钉、螺套）等十二类，因为其在工业领域无处不在、无处不有，而被称为“工业之米”。目前，虽然我国紧固件产量很大，但高强度、高性能紧固件仍需大量进口，特别是8.8级以上螺栓、螺钉、螺柱的进口量几乎占了紧固件进口总量的50%，8.8级以上螺栓、螺钉、螺柱的进口单价更是我国同类产品出口单价的6倍。由此可见，我国在高性能的高强度紧固件技术上与世界先进水平相比仍有一定差距。

1 问题的提出

热处理工序是高强度、高性能类紧固件的关键加工工序，而淬火加热时间又是其中的关键参数。为合理设置好淬火加热时间，避免由于加热时间不足而欠热或由于加热时间太长缺乏经济性甚至过热，钢件加热时间通常按经验计算法进行计算[1]。加热时间计算公式为：

式中 t——加热时间（min）；

ɑ——加热系数（min/mm）；

D——工件有效厚度（mm）；

k——工件装炉条件修正系数，通常取1.0～1.5。

紧固件淬火用的网带炉属于可控气氛，高强度、高性能螺栓都是采用合金钢生产，最常用的有铬钢、铬钼钢等。高强度紧固件淬火时按这个经验计算公式时，ɑ取1.3～1.6min/mm，k取1.0～1.5。但是该经验计算法公式对指导紧固件热处理时存在一定局限性，例如，GB/T 70.1—2000规定M8×80螺钉在网带炉平铺一层淬火时，按式（1）加热时间t=1.6×1.5×8min=19.2min（系数都按最大值取）。根据计算结果可明显看出，该经验计算公式计算出的结果与实际不符。高性能的高强度紧固件在网带炉上淬火时，其加热时间的选取需要重新研究，并根据研究成果形成新的经验公式。

2 淬火加热时间测试试验

2.1 试验设备

在符合JB/T 10897—2008《网带炉生产线热处理技术要求》规定的电热型网带淬火炉上进行测试，淬火炉最高使用温度950℃，有效加热区分别是100cm×1200cm×10cm、80cm×1200cm×10cm两种炉型，氮基可控气氛，淬火冷却介质是快速淬火油。

2.2 测试器材

校验合格的铠装热电偶三根（型号为WRNK-131，φ5mm×13 000mm）、校验合格的温度表三块（型号为GH402）、40角钢（900mm和700mm各1根）、卷尺等。

2.3 测试方法

由于网带炉的测温点都是设置在炉顶中间，测温点和网带之间还隔有一层辐射管。有效加热区是100cm×1200cm×10cm和80cm×1200cm×10cm的两种炉子上有7根热电偶，每根热电偶控制一个电加热区，其中加热1区到加热3区属于功率翻倍的加热区。有效加热区前有个预热区，长度2300mm。

紧固件的头型、直径、长度等差别比较大，为了尽可能地模拟产品的加热特点，我们设计了两种测试方法：一种是将热电偶埋在工件下，随工件一起进炉，测量工件升温速度、到温时间、到温位置等，主要是针对M24以下、生产时网带上平铺多层的工件；另一种是将热电偶端部埋在工件中，后面用工件盖起来，测量工件升温速度、到温时间、到温位置等，主要是针对M27～M56、生产时网带上只平铺1层的工件。测试的3根热电偶用角钢定位，将网带铺料宽度均匀四等份，在热电偶进炉过程中，每间隔1m记录温度数据一次。

（1）测试分组 根据紧固件的典型特点进行分组，共分5组。A组1层主要是测试工件在炉内的升温过程，其他各组都是以炉子的额定产能进料，平铺在淬火网带上，以保证测试环境的一致性。5组测试分别按字母A～E进行标记。每种炉子上都测一遍，具体测试分组见表1。

表1 测试试验分组

（2）测试数据分析 紧固件在网带炉内加热的时间包括工件从室温到设定工艺温度的升温时间（t升温）、工件表面和心部的均热时间（t均热1）、网带不同位置上工件的均热时间（t均热2）以及为了完成奥氏体均匀化和碳化物溶解所需的保温时间（ t保温）[1]，即

按照式（2），将测试所得数据进行整理，得到表2。

从表2可以看出，从工件进入淬火炉预热区开始到加热三区的范围都是t升温阶段，基本占了全部加热时间的60%。

t均热阶段会因为工件的大小、长度和进料厚度等因素影响而变化，长径比≤1.5∶1的螺栓因为工件之间间隙小、层数多等原因导致均热时间明显增加，说明进料层数和工件之间的间隙对均热时间影响最明显。

t保温阶段实质上也属于均热阶段，因为紧固件铺在网带炉上时，所铺厚度是不均匀，而测试热电偶所测数据只是一个点，并不能代表生产时网带上所有工件都能准时达到工艺温度，而是需要一个保温过程来进一步达到均热效果，实际时间在25min比较适宜。

表2 分组测试时间与位置数据

2.4 测试数据运用

（1）网带炉加热时间计算公式 通过分析测试数据，我们对经验计算法式（1）进行完善，总结出了高性能的高强度紧固件淬火加热时间经验计算法公式，以满足高性能高强度紧固件的热处理要求。

修改后的加热时间计算公式为：

式中 t——加热时间（min），工件进入预热区加热到掉入淬火槽的时间，不包括工件在淬火炉进料口网带上的运行时间；

ɑ——加热系数（min/mm）；

D——单个工件直径（mm）；

F——工件层数；

k——工件装炉系数。

根据测试数据可看出，式（3）只适用于t ≥6 0 m i n 的情况，当按式（3）计算出的结果≤60min时，也按60min取值。

（2）确定各系数 加热系数ɑ在经验计算法式（1）的取值范围上进行调整，得到表3。工件装炉修正系数k根据紧固件的头型、长径比等进行调整，得到表4。

表3 碳素钢和合金钢螺栓、螺柱、螺钉加热系数

表4 碳素钢和合金钢螺栓、螺柱、螺钉网带炉装炉系数

2.5 测试数据验证

在8.8级及以上高强度螺栓、螺柱、螺钉热处理中，对SWRCH35K、45钢、20MnTiB、10B33、35VB、35CrMo、42CrMo和40Cr等常用材料的淬火加热时间按紧固件淬火加热经验计算式（3）进行计算，在网带炉生产线上进行实际生产验证，取得了较好效果。对淬火工件按JB/T 9211—2008《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》进行金相评级[2]，工件的马氏体级别可以稳定地控制在4～6级。

3 结束语

在网带炉淬火时加热时间的选取研究中所总结出的紧固件淬火加热经验计算公式“t=ɑ kDF+25”可以很好的指导生产，有效预防了淬火加热时间过短而出现欠热或加热时间过长而缺乏经济性的问题。再同合理的加热温度、碳势、淬火冷却速度等热处理工艺参数配合，实际生产中8.8级及以上高强度紧固件的力学性能指标稳定性明显提高。