高强度紧固件热处理时间的计算公式

目前，虽然国内紧固件产量很大，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国内同类产品出口单价的6倍。

由此可见，中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。

  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，加热时间计算公式为：

t=a*k*D          （1）

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，a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/T70.1—2000规定M8x80螺钉在网带炉平铺一层淬火时，按式（1）加热时间/=1.6x1.5x8min=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。

淬火加热时间测试试验

2.1试验设备

在符合JB/T10897—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100cmx1200cmx10cm,80cmx1200cmx10cm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,φ5mmx13000mm）、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100cmx1200cmx10cm和80cmx1200cmx10cm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：

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1min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）＞即

t加热=t升温 + t均热1 + t均热2 + t保温        （2）

按照式（2）,将测试所得数据进行整理，得到表2。

表2分组测试时间与位置数据

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升温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。

2.4测试数据运用

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：

t=a*k*D*F+25        (3)

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

确定各系数加热系数a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/T9211—2008《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》进行金相评级口，工件的马氏体级别可以稳定地控制在4〜6级。

总结

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ut=akDF+25n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。