耐热螺栓热处理工艺设计

0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢耐热螺栓热处理工艺设计

设定耐热螺栓的规格及生产批量：

设定螺栓的规格为：六角头螺栓GB/T5782 M12×80（画图并写出其他参数）

生产批量：大批量生产

耐热螺栓的服役条件：

螺栓是一类有齿牙的连接副，耐热螺栓既要承受高温、交变载荷，又要在相当大的程度

上保持预紧力和耐疲劳强度的情况条件下使用。600摄氏度左右的高温条件下持续工作。

耐热螺栓的要求：

要求具有在高温下能保持较高的强度硬度以及良好的韧性，要有高的抗松弛性和高温稳

定性、足够的强度、低的缺口敏感性、一定的持久强度、小的蠕变脆化倾向和良好的抗氧化性，高的耐疲劳性。最终处理后硬度28-33 HRC，σb≥950MPa , σS≥800MPa

耐热螺栓的材料选择：

选择0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢为耐热螺栓的材料。

钢号:中国GB/JB标号:0Cr15Ni25Ti2MoAlVB日本JIS标号:SUH660美国AISI标号:660

美国ASTM标号:K66286法国AFNOR标号:Z6NCTDV25.15B（NF）。

力学性能：抗拉强度σb(MPa)：≥900；屈服强度σ0.2(MPa)：≥590；伸长率δ5(％)：≥15；

断面收缩率ψ(％)：≥18；硬度:≥248HB。

热处理规范：固溶885～915℃或965～995℃快冷;时效700～760℃,16h空冷或缓冷。

金相组织：组织特征为奥氏体型。

0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢是奥氏体型耐热不锈钢，也可称为高温合金。该钢退火状态下

塑性和韧性较好，可以进行冷镦成形，切削加工性能和热处理性能良好，可使用到650-700℃，

用于耐热、耐腐蚀的受力的螺栓完全可行，具有高强度、高抗松弛性、低缺口敏感性、一定

的持久强度、良好的抗氧化性。

奥氏体型不锈钢0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢可作为耐热钢使用，这是由于奥氏体的再结晶

温度高，铁和其它元素的原子在其中的扩散系数小，故其强化稳定性比铁素体高，用于工作

温度高于650℃的耐热紧固件多系奥氏体材料，是以奥氏体型不锈钢为基础添加一些热强性

的合金元素而成。它们既有优良的耐蚀性，也有相当好的耐热性能。

材料成分分析以及主要合金元素的作用：

化学成分 C Si Mn S P Cr Ni V Mo

含量（%）0.08 1.00 2.00 0.030 0.035 13.50--16.00 24.0--27.0 0.10--0.50 1.00--1.50

化学成分Ti B Al

含量（%）1．90--2．35 0．001--0．010 0.35

0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢含有大量的奥氏体稳定化元素，如铬、镍、钼、钛等合金元素。铬、镍在奥氏体型耐热钢中，能提高其抗氧化性；钼能提高奥氏体型钢的热强性；钛是比铬

更易与碳结合形成稳定碳化物的元素，钛含量1.90%可以使大部分的碳存在于钛的碳化物之

中，从而改善钢的抗晶间腐蚀能力。合金添加中有Al等元素，这种材料经过高温处理，并

进行长时间的时效后，在组织中析出一种弥散的金属化合物，从而使该材料的抗拉强度提高。

材料中各类元素对钢的性质的影响：

碳（C）：提高钢件强度，尤其是其热处理性能，但随着含碳量的增加，塑性和韧性下降，

并会影响到钢件的冷镦性能及焊接性能。含量过高会降低其延展性和耐蚀性

锰（Mn）：提高钢件强度，并在一定程度上提高可淬性。即在淬火时增加了淬硬渗入的强度，锰还能改进表面质量，但是太多的锰对延展性和可焊性不利。并会影响电镀时镀层的控制。

镍（Ni）：提高钢件强度，改善低温下的韧性，提高耐大气腐蚀能力，并可保证稳定的热处理效果，减小氢脆的作用。

铬（Cr）：能提高可淬性，提高耐腐蚀能力，并有利于高温下保持强度。可增加抗氧化性，使品粒细化，增加强度，硬度和耐磨性

钼（Mo）：能帮助控制可淬性，降低钢对回火脆性的敏感性，对提高高温下的抗拉强度有很大影响。

硼（B）：能提高可淬性，并且有助于使低碳钢对热处理产生预期的反应。

矾（V）：细化奥氏体晶粒，改善韧性。

硅（Si）：保证钢件的强度，适当的含量可以改善钢件塑性和韧性。

磷（P）使钢产生冷脆和降低钢的冲击韧性；但可改善钢的切削性能。

铝（Al）脱氧，细化晶粒，增加钢的强度硬度和耐磨性；有助于钢的氮化，因而可提高钢的热稳定性

钛（Ti）可细化晶粒，降低钢的过热倾向性。能防止产生晶间腐蚀现象，Ti能与S作用，降低硫的热脆作用

制定加工路线：

备料→固溶→冷镦→再结晶退火→去应力回火→切六角头→搓丝→清洗→稳定化处理→时效处理→着色上蜡

制定预备热处理和最终热处理：

该钢中含有大量的奥氏体稳定化元素，如镍、铬、钼和铌等合金元素，所以可在室温下得到稳定的奥氏体组织。理想的热处理工艺是使该钢获得均匀分布的细晶奥氏体组织，具有良好的热强性和热稳定性，在高温时强度和塑性的综合力学性能较好，同时也能增强其抗腐蚀的能力。

奥氏体不锈钢在常温下为奥氏体组织，没有淬硬性，没有相变点，加热不会发生相变，故不能通过淬火和回火来改变其性能。这里采用固溶、再结晶退火、去应力退火、稳定化处理和时效处理工艺以改变其性能。

1、预备热处理：

冷墩用耐热0Cr15Ni25Ti2MoAIVB钢丝牌号、化学成分符合GB/T 1221一2007或GB/T 14992一2005标准要求，固溶状态交货，室温硬度≥200 HRW。为了达到M8螺栓丝坯尺寸功7.02一} 7.05 mm，必须经过材料高温拉拔，这时材料硬度可达到38 HRC以上，不能进行冷加工成型，应进行固溶处理，以达到软化目的。

a)固溶:

所谓固溶处理，是指将合金加热到高温奥氏体区保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。

固溶处理是为了溶解基体内碳化物、γ’相等以得到均匀的晕饱和固溶体，便于时效时重新析出颗粒细小、分布均匀的碳化物和γ’等强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶。其次，固溶处理是为了获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。固溶处理的温度范围大约在980~1250度之间，主要根据各个合金中相析出和溶解规律及使用要求来选择，以保证主要强化相必要的析出条件和一定的晶粒度。对于长期高温使用的合金，要求有较好的高温持久和蠕变性能，应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒度；对于中温使用并要求较好的室温硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度的合金，可采用较低的固溶温度，保证较小的晶粒度。高温固溶下理时，各种析出相都逐步溶解，同时晶

粒长大；低温固溶处理时，不仅有主要强化相的溶解，而且可能有某些相的析出。对于过饱和度低的合金，通常选择较快的冷却速度；对于过饱和度高的合金，通常为空气中冷却。

成品丝固溶温度采用(990±10)℃保温1.5h，然后水冷。固溶处理采用井式渗碳加热炉RQ3-90-9D，通常耐热钢热处理保护气氛主要是氢气，但氢气难以购买，一般可用放热式气氛或氮基气氛，笔者采用甲醇20一40 d/min和氨气0.15 L/h、或氮气0.30 L/h保护，滴控式装置控制(以下再结晶退火830一850℃加热，稳定化处理830一850℃加热工序操作同)。

该钢材固溶处理加热时多采用预热或分段加热，由于螺栓丝坯直径较小，加上形状简单，可在炉温到达工艺温度(约900℃加热)时入炉。由于井式渗碳加热炉分上、下区控温，当炉内所有热电偶指示温度都达到工艺温度(990 C)时，开始计算保温时间90 min 。

固溶处理就是将钢加热至高温，使碳化物得到充分溶解，然后迅速冷却，得到单一奥氏体组织。经固溶处理后，硬度最低、塑性韧性良好，硬度在17一20 HRC，这时加工成型性能最好。固溶后不发生相变，处理后是过饱和的r-Fe固溶体。

b)再结晶退火和去应力退火:

再结晶退火是经冷形变后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的退火工艺。

去应力退火是为了去除由于塑性形变加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力（但不引起组织的变化）而进行的退火。

冷墩成型后冷作硬化倾向比较大，必须进行再结晶退火，温度830一850 C、保温2一3 h,使用设备RQ3-90-9D，采用甲醇20 w 40 dlmin和氨气0.15 L/h或氮气0.30 L/h保护。在该温度下加热时碳化物沿晶界及滑形线析出，硬度下降，后续再去应力回火700--710度，保温2--3 h，硬度在18-23 HRC o虽然比冷嫩后硬度只是有所下降，但由于奥氏体晶粒进行再结晶退火后，在冲床切六角头边时容易断屑，抗变形能力下降，提高模具寿命。

2、最终热处理工艺:

0Cr15Ni25Ti2MoA1VB钢合金元素铬、镍含量相对较低，故抗氧化温度仅在800℃以下，但是含弥散强化相形成元素(V, A1, Ti)量相对较高，在固溶体基体上可形成化合物强化相，所以常用热处理形式为固溶处理+时效。通过固溶处理，可使合金固溶强化;时效处理，可使合金析出细小强化相〔VC,Ni3A1, Ni3Ti , Ni3 ( A1.Ti ) ]碳化物，从而提高室温和高温强度。在固溶处理后，螺栓经过前几道工序加工，为获得一定数量的碳化物使钢强化，必须进行调整处理。这里采用830一850C稳定化处理工艺，在此温度范围内，Cr23C6碳化物将溶解，保温Sh水冷或采用喷水冷却，以快速通过析出碳化物的温度区间，而TiC,VC 碳化物仍然稳定，由此提高螺栓的抗晶界腐蚀能力。

不论经过何种调整处理后，螺栓还需要进行时效处理，它是使钢强化的途径，由固溶体中析出弥散碳化物质点而使钢硬度提高。时效温度选择690一710C，保温12一16h空冷，。

OCr15Ni25Ti2MoA1VB钢固溶加时效处理后的显微组织为:奥氏体+弥散化合物，化合物量约为2.5%。时效处理的温度和保温时间对最终力学性能影响甚小，时效处理温度确定为700C X 12 h。

由于热处理的装炉方式一般为散放推积方式，热处理的有效尺寸的确定就不能按照单个工件的尺寸来考虑，有效尺寸按散放推积厚度计算。热处理的炉型比较多，有盐浴炉、连续炉、多用炉等炉型。加热保温系数a=1.2~1.5min/mm（连续炉），a=0.35~0.45min/mm（盐浴炉）。在连续式电炉中的保护气氛一般采用甲醇滴注气氛。

热处理检验：

由于热处理不当会引起一系列的热处理缺陷，以致零件报废，所以热处理之后需要对零件进行抽样检验，检验内容主要有：宏观组织的检验分析、微观组织的检验分析、力学性能

的检验分析、内部组织的无损检测、热处理变形和开裂等。

如果发现零件不合格，需要对零件设计以及加工路线的制定进行一定的调整，直到零件合格率达到一定的要求。

成本经济性分析：

当数种工艺都能满足使用要求时，应该选用现有热处理条件，例如设备、淬火介质、工装夹具等，做到工艺流程简化、生产效率高、能耗低、操作简单可靠。