螺栓和紧固件的热处理

我们通常需要高强度或热处理的紧固件来处理螺栓连接处的拉伸,剪切或组合载荷。许多要求苛刻的应用需要高强度紧固件,以便处理由螺栓或紧固接头上施加的载荷产生的高拉伸和剪切应力。

石油和天然气,石化,化工和发电厂包含锅炉,压力管道容器,阀门和工艺设备,需要高强度螺栓连接,以保持法兰接头,接头和密封件的密封。需要经过热处理的螺栓来承受螺栓内的拉伸应力。大马力工业混合器和泵驱动轴通常需要由热处理过的螺栓或销提供更高的剪切强度。

建筑和施工地脚螺栓,如J型螺栓,L型螺栓或嵌入式楔形锚,将设备或结构构件连接到混凝土垫或基础上。结构地脚螺栓由碳或完全热处理的中合金钢制成。

滑动关键型或摩擦型关节依赖于通过压力应力产生的螺栓的夹紧力。建筑项目中的结构部件的螺栓连接需要ASTM A325或ASTM A490紧固件,用于重载结构,例如具有高强度钢构件的建筑物。图2.建筑和建筑项目中结构构件的紧固需要将结构螺栓和螺母热处理至高强度水平。根据ASTM A307,低强度,低碳钢结构螺栓可用于固定轻型构件的静载结构。在螺栓和紧固件处于高应力下的发动机,车辆和液压应用中,热处理紧固件也是必不可少的。例如,大型柴油船用和卡车发动机上的高强度头部,块体和其他螺栓连接受到高度扭矩或预应力以保持垫圈密封。高压和四个螺栓液压法兰连接(SAE J518)使用硬化螺栓固定在一起。在飞机,海上石油钻井平台,重型起重船,铁路车辆,工业压力机和成型机的液压系统上可以找到四个螺栓连接。完全热处理的U型螺栓可以在重型越野车,采矿卡车和林业拖车中找到,以连接板簧或其他部件。

机械载荷和应力是紧固件选择的一个方面。温度和腐蚀性介质等环境因素是影响项目的另一个因素。具有低应力的高腐蚀性环境可能需要不锈钢紧固件。暴露在低温下的结构可能需要ASTM A320螺栓。ASTM A193规定了用于高温服务的合金和不锈钢螺栓。

大约90%的紧固件是钢基的,并且通常使用淬火和回火工艺在钢紧固件中开发所需的强度水平。图3.热处理和未硬化SAE J429级紧固件的最小抗拉强度比较。

热工艺处理

大约90%的紧固件是钢基的,并且通常使用淬火和回火工艺在钢紧固件中开发所需的强度水平。“热处理”或“硬化”的术语“高强度”通常与紧固件世界不同。然而,热处理包括广泛的过程。一些热处理如退火使金属软化,而另一些则硬化和强化。退火热处理用于减轻残余应力,去除冷加工并溶解合金元素或偏析并提供更均匀的材料。

高碳钢可以硬化,而低碳钢被认为是不可硬化的。低强度ASTM A307或SAE 2级紧固件中的钢是低碳等级的,例如AISI 1018或1020.等级304或316奥氏体不锈钢紧固件含有少量碳,因此不能通过热处理硬化。某些马氏体不锈钢牌号,如ASTM A193等级B6和B5,可通过淬火和回火热处理进行硬化。B5和B6等级用于高温和高压服务以及特殊用途。采用不锈钢螺栓的热处理来溶解粗碳化铬颗粒,这可能降低耐腐蚀性和韧性。不锈钢紧固件的硬质合金固溶处理可以改善低温或低温韧性,是ASTM A320规范的一部分。ASTM A325,ASTM A490 SAE 5级和SAE 8级紧固件由高碳普通钢或合金钢制成,可通过淬火和回火工艺硬化。经过热处理的SAE 8级螺栓的最小抗拉强度是SAE 2级螺栓的两倍。

在淬火和回火硬化过程中,首先将钢紧固件加热到其结构转变成奥氏体然后在水,油或空气中淬火或快速冷却到转变成马氏体的晶体结构的温度。接下来,马氏体钢紧固件在中间回火温度下加热,以将马氏体变为铁素体,具有非常细的渗碳体分散。钢从奥氏体化温度缓慢冷却,以及不可硬化的低碳钢,形成更软,更粗糙的铁素体和铁碳化物(渗碳体)的珠光体结构。冷却速度必须足够快以避免形成珠光体。即使在可硬化钢中,淬透性程度也随着碳和铬,钼,锰,硅,钒和镍等合金元素的含量而变化,这会延缓铁素体的形成,并使珠光体的顶部向右侧开始形成曲线。淬透性会影响材料在热处理过程中硬度变化的深度。具有较高碳和合金元素的钢合金可以通过硬化,即使在较低的冷却速率下也会在整个零件中发生转变,从而减少热处理过程中的残余应力和变形。在较低淬透性的合金中,硬化只会从表面进入合金的一部分。

虽然硬化热处理增加了紧固件材料的强度,但硬化的合金具有降低的延展性,这意味着与退火的紧固件相比,它们在较小的应变或变形下会破裂。表面硬化是硬化低碳钢和合金钢的表面或“壳”层的过程。首先对钢进行渗碳或碳氮共渗,以增加外层或外壳中的碳含量。然后,渗碳钢销或紧固件通常用淬火和回火工艺硬化。由此产生的紧固件具有柔软,坚韧,低碳钢内芯,表面硬化,高碳钢外表面。硬化表面可抵抗磨损,磨损或切割。柔软坚韧的内芯可防止紧固件卡扣或剪切。销和金属板螺钉通常使用表面硬化表面。螺栓,

正确使用和维护

虽然高强度钢紧固件是许多先进结构和高科技机械设计的关键因素和推动因素,但需要注意使用硬化钢紧固件。洛氏C硬度高于35的高强度紧固件易受氢脆化影响。氢脆导致硬化钢的延展性损失或部分损失,这可能导致现场紧固件的突然,灾难性和过早失效。应避免在加工过程中或现场施工中暴露于氢气中。在磷化,酸洗(酸洗或除垢),电镀和电镀锌过程中,原子氢可被吸收到钢紧固件中。虽然建议使用替代保护涂层,在电镀或电化学过程之后,可以使用氢烘烤热处理来去除残留的氢。ASTM F1941机械紧固件,英制和公制上的电沉积涂层标准规范要求进行氢气烘烤。氢化烘烤应在电镀后几小时进行,通常在350°至450°F下进行2至24小时。在现场环境暴露于酸性气体(氢)硫化物,电偶腐蚀条件甚至高压蒸汽都会导致“外部或环境氢脆”。最小化钢中氢的初始量可以帮助避免这些问题。通过用非导电垫圈或套管隔离紧固件,可以避免由于外加电流或不同材料对(例如,用于螺栓铝或铜/黄铜合金的钢)引起的电偶腐蚀,加工过程中的过热(高温镀锌浴),安装(定位焊,钎焊)和现场应用(反应器,熔炉等),如果温度和温度升高,可导致硬化紧固件退火或软化温度时间过长。如果镀锌过程在超过钢合金回火温度的温度下发生,则ASTM F2329要求测试机械性能。一个众所周知的温度如何影响螺栓强度的例子是低碳硼钢SAE J429 8.2级螺栓与中碳合金钢8级螺栓之间的比较。在室温下测试时,两种等级都具有相似的性质。

硼钢的回火温度较低(650°F),禁止在较高温度下使用8.2级螺栓。8级合金钢螺栓的回火温度为800°F,可在较高温度下使用。

经过热处理的螺栓更坚固,但不是坚不可摧的。紧固件的误用可能导致整个组件,设备或结构的破损甚至失效。过强的硬化螺栓超过其抗扭强度会导致失效。拧紧不足的紧固件会因磨损,微动疲劳或负载变化以及紧固件上的内应力而导致过早失效。与任何螺纹紧固系统一样,必须采用适当的扭矩水平以充分利用螺栓的强度水平。如果使用柔软的非热处理螺母和硬化螺栓,则螺母中可能会发生过早失效。在螺栓连接应用中,应使用ASTM A563或ASTM A194等级的重型螺母,其强度水平与所选的高强度螺栓相当或相容(图5)。经过热处理的螺栓不适用于螺纹孔,因为钢板或结构构件通常是软碳钢或未硬化合金钢。在螺纹螺柱应用中,带螺纹孔的材料应具有与热处理紧固件兼容的强度等级。垫圈也应符合ASTM F436规范的淬硬钢垫圈。

结论

在设计中使用经过热处理的紧固件可以提供结构益处。然而,与未硬化的低碳钢螺栓相比,热处理螺栓将具有更高的成本。如果在大修,改造或升级操作期间用较软的螺栓更换热处理或高强度螺栓,则很可能发生设备故障。

在MRO应用中,更换磨损,损坏或生锈的螺栓时应注意螺栓上的标记。如果螺栓头生锈或损坏到标记不可读的位置,则应咨询设备手册或OEM以了解正确的紧固件规格。如果螺栓处于维修项目的故障点,那么咨询设备手册,施工规范或OEM以获得正确的螺栓等级将是一个好主意。如果没有标记可见,手册丢失且制造商未知或关闭,那么作为最后的手段,螺栓的硬度测试可能表明被更换的紧固件是否经过热处理。