CN111763879A - 一种高强度螺栓用平垫圈的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度螺栓用平垫圈的制备方法，采用中碳钢板材‑‑‑高频感应加热‑‑‑热冲压成型‑‑‑临界点恒温处理‑‑‑水冷淬火‑‑‑回火+气体表面共渗处理‑‑‑表面钝化或涂层处理‑‑‑成品；本发明高频感应加热，速度快、耗能低；热冲压成型，成型压力小，模具损伤小；成型后的样品利用余热进行(γ/α)临界点恒温处理，减少热处理耗能，同时降低淬火温度，进行临界点水冷淬火，有利于减少开裂风险，采用水冷淬火；回火的同时进行表面N、C、O共渗处理，可以显著改善表面硬度、降低摩擦系数和提高耐磨性；表面钝化或涂层处理选用水性无机的环保成分，在气体共渗的基础上进一步显著提升耐蚀性，同时减少排放和环境污染。

Description

一种高强度螺栓用平垫圈的制备方法
技术领域
本发明涉及钢材制作技术领域，尤其涉及一种高强度螺栓用平垫圈的制备方法。
背景技术
平垫圈通常是各种形状的薄件，用于减少摩擦、防止泄漏、隔离、防止松脱或分散压力。许多材料和结构中都有这种部件，用于履行各类相似的功效。受螺纹紧固件的材料与工艺限制，螺栓等紧固件的支承面不大，因此为减小承压面的压应力保护被连接件的表面，其采用垫圈。
平垫圈形状简单，容易制备，但是要求很多，用量巨大。在大尺寸高强度螺栓中配套的平垫圈不但要求较高的硬度(HV300以上)，还必须经过表面防腐处理，具有较好的耐蚀性。
目前高硬度级别平垫圈的生产工艺：
中高碳钢板---冷冲压下料---加热淬火---回火----表面防腐处理等工序
低碳钢板---冷冲压成型---表面高温气体渗碳处理(提高硬度)---表面防腐处理等工序
存在的问题：
若采用中高碳钢板，本身硬度较高，冷冲压成型比较对模具损伤较大，成型后均需要再次进行热处理满足要求，部分产品淬火采用油冷和聚合物淬火介质，成本高、同时对环境有一定的污染，(若直接采用水冷会有开裂的风险)表面防腐多采用磷化或油漆涂料等，防腐效果不好，在高强度螺栓紧固的过程中易损伤脱落，导致防腐性能进一步下降。同时，由于淬火中会采用高温加热，表面会有脱碳和氧化缺陷，显著降低表面的性能。
低碳钢板冲压成型后，一般表面硬度较低，需要表面渗碳处理来提高硬度，达到使用要求。渗碳处理一般在850℃以上达到温度进行。这种方法成本较高，适合制备HV200、HV300级别的垫圈，但不适合HV400、HV500及以上级别的垫圈。表面防腐同样采用磷化或油漆涂料等，防腐效果不好，在高强度螺栓紧固的过程中易损伤脱落，导致防腐性能进一步下降。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高强度螺栓用平垫圈的制备方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明采用低碳微合金钢坯材制造，所述低碳微合金钢坯材成分的质量百分比如下：碳C：0.20～0.25％；硅Si：0.6～0.8％；锰Mn：0.80～1.0％；钼Mo：0.10～0.15％；铬Cr：0.3～0.5％；镍Ni：0.2～0.3％；钒V：0.05～0.1％；钛Ti：0.05～0.1％；硫S：<0.020％；磷P：<0.020％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％；
工艺流程如下：
中碳钢板材---高频感应加热---热冲压成型---临界点恒温处理---水冷淬火---回火+气体表面共渗处理---表面钝化或涂层处理---成品；
具体工艺流程如下：
所述低碳微合金钢坯材经过电炉熔炼后，采用连续铸造连续轧制的工艺直接轧制成与平垫圈厚度一致的板材；终轧温度控制在1050℃，然后在1000～1050℃的条件下对终轧的板材直接进行模压或冲压成型，成型后平垫圈的温度控制在900～925℃，直接进行水冷至室温，该工艺直接利用冶金过程中的余热完成平垫圈产品的成型和淬火热处理过程，避免了反复加热造成的能量损失，采用热模压成型可以减少模具损耗，保证垫圈的平整性。淬火后的平垫圈直接500℃～650℃的条件下进行气体氮N、碳C、氧O共渗处理1～2小时，共渗处理后空冷至室温，然后再进行钝化液浸涂、烘干处理，获得表面具有较高硬度和耐蚀性的平垫圈产品。
进一步，所述共渗处理中具体采用氨气、空气和含有的C、H、O元素的混合液体渗剂作为原材料，液体渗剂主要成分为酒精、水、三乙醇胺和丙酮组成，氨气和空气的体积比为10:1，液体渗剂成分的体积比为酒甲醇：水：三乙醇胺：丙酮＝3:3:3:1，在共渗过程中，向共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入150～200毫升所述的液体渗剂。
进一步，所述钝化液浸涂和烘干处理具体为：钝化液的成分按质量比为水：碳酸氢钾：氢氧化钠：次亚磷酸钠：偏硅酸钠＝70:15:5:5:5，将共渗处理后的垫片直接放入钝化液中进行浸涂10分钟，然后甩干后在流动的空气中烘干处理，烘干温度为150～200℃，烘干时间为0.5小时。
所述平垫圈产品基体组织为回火索氏体，硬度为25～40HRC，表面硬度为550～650HV，表面共渗层厚度为0.2～0.3毫米，耐磨性、耐蚀性显著改善，生产过程绿色环保，无三废排放。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种高强度螺栓用平垫圈的制备方法，与现有技术相比，本发明高频感应加热，速度快、耗能低；热冲压成型，成型压力小，模具损伤小；成型后的样品利用余热进行(γ/α)临界点恒温处理，减少热处理耗能，同时降低淬火温度，进行临界点水冷淬火，有利于减少开裂风险，采用水冷淬火(干净清洁无污染成本低)；回火的同时进行表面N、C、O共渗处理，可以显著改善表面硬度、降低摩擦系数和提高耐磨性(通过调整回火温度调整垫圈的硬度，可以达到HV300、HV400、HV500以上的不同级别垫圈的使用要求)；表面钝化或涂层处理选用水性无机的环保成分，在气体共渗的基础上进一步显著提升耐蚀性，同时减少排放和环境污染。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明：
实施例1
针对非标平垫圈，尺寸为外径为外径72毫米，内径42毫米，厚度6毫米，硬度要求200～300HV。
材质成分：C：0.20％；硅Si：0.6％；锰Mn：0.80％；Mo：0.10％；铬Cr：0.3％；镍Ni：0.2％；硫S：0.015％；磷P：0.018％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％。
制备工艺为：该钢经过电炉熔炼后，采用连续铸造连续轧制的工艺直接轧制成与平垫圈厚度一致的板材，终轧温度控制在1050℃，然后在1000℃的条件下对终轧的板材直接进行模压(或冲压)成型，成型后平垫圈的温度控制在900℃，直接进行水冷至室温，淬火后的平垫圈直接放入650℃的气体热处理炉中进行气体氮N、碳C、氧O共渗处理1小时，共渗处理后空冷至室温，然后再进行钝化液浸涂10分钟、在150℃的条件下烘干30分钟处理，烘干后空冷至室温。
由此获得的平垫圈的心部硬度为285HV，表面化合物层厚度25微米，表面渗层厚度0.25毫米，经过800小时中性盐雾腐蚀实验检测未出现红锈。
实施例2
针对非标平垫圈，尺寸为外径为外径80毫米，内径39毫米，厚度8毫米，硬度要求300～400HV。
材质成分：C：0.20％；硅Si：0.77％；锰Mn：0.95％；Mo：0.12％；铬Cr：0.45％；镍Ni：0.27％；硫S：0.018％；磷P：0.014％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％。
制备工艺为：该钢经过电炉熔炼后，采用连续铸造连续轧制的工艺直接轧制成与平垫圈厚度一致的板材，终轧温度控制在1050℃，然后在1050℃的条件下对终轧的板材直接进行模压(或冲压)成型，成型后平垫圈的温度控制在925℃，直接进行水冷至室温，淬火后的平垫圈直接放入600℃的气体热处理炉中进行气体氮N、碳C、氧O共渗处理2小时，共渗处理后空冷至室温，然后再进行钝化液浸涂10分钟、在200℃的条件下烘干30分钟处理，烘干后空冷至室温。
由此获得的平垫圈的心部硬度为365HV，表面化合物层厚度30微米，表面渗层厚度0.3毫米，经过1000小时中性盐雾腐蚀实验检测未出现红锈。
实施例3
针对非标平垫圈，尺寸为外径为外径64毫米，内径25毫米，厚度10毫米，硬度要求350～450HV。
材质成分：C：0.24％；硅Si：0.68％；锰Mn：0.90％；Mo：0.14％；铬Cr：0.45％；镍Ni：0.30％；硫S：0.019％；磷P：0.009％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％。
制备工艺为：该钢经过电炉熔炼后，采用连续铸造连续轧制的工艺直接轧制成与平垫圈厚度一致的板材，终轧温度控制在1050℃，然后在1025℃的条件下对终轧的板材直接进行模压(或冲压)成型，成型后平垫圈的温度控制在915℃，直接进行水冷至室温，淬火后的平垫圈直接放入550℃的气体热处理炉中进行气体氮N、碳C、氧O共渗处理2小时，共渗处理后空冷至室温，然后再进行钝化液浸涂10分钟、在200℃的条件下烘干30分钟处理，烘干后空冷至室温。
由此获得的平垫圈的心部硬度为390HV，表面化合物层厚度25微米，表面渗层厚度0.25毫米，经过600小时中性盐雾腐蚀实验检测未出现红锈。
实施例4
针对非标平垫圈，尺寸为外径为外径67毫米，内径32毫米，厚度10毫米，硬度要求400～500HV。
材质成分：C：0.22％；硅Si：0.71％；锰Mn：0.83％；Mo：0.11％；铬Cr：0.32％；镍Ni：0.21％；硫S：0.017％；磷P：0.016％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％。
制备工艺为：该钢经过电炉熔炼后，采用连续铸造连续轧制的工艺直接轧制成与平垫圈厚度一致的板材，终轧温度控制在1050℃，然后在1000℃的条件下对终轧的板材直接进行模压(或冲压)成型，成型后平垫圈的温度控制在910℃，直接进行水冷至室温，淬火后的平垫圈直接放入500℃的气体热处理炉中进行气体氮N、碳C、氧O共渗处理2小时，共渗处理后空冷至室温，然后再进行钝化液浸涂10分钟、在180℃的条件下烘干30分钟处理，烘干后空冷至室温。
由此获得的平垫圈的心部硬度为435HV，表面化合物层厚度20微米，表面渗层厚度0.20毫米，经过500小时中性盐雾腐蚀实验检测未出现红锈。
实施例5
针对非标平垫圈，尺寸为外径为外径70毫米，内径31毫米，厚度10毫米，硬度要求400～500HV。
材质成分：碳C：0.25％；硅Si：0.8％；锰Mn：1.0％；Mo：0.15％；铬Cr：0.39％；镍Ni：0.3％；硫S：0.012％；磷P：0.015％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％。
制备工艺为：该钢经过电炉熔炼后，采用连续铸造连续轧制的工艺直接轧制成与平垫圈厚度一致的板材，终轧温度控制在1050℃，然后在1020℃的条件下对终轧的板材直接进行模压(或冲压)成型，成型后平垫圈的温度控制在920℃，直接进行水冷至室温，淬火后的平垫圈直接放入500℃的气体热处理炉中进行气体氮N、碳C、氧O共渗处理1.5小时，共渗处理后空冷至室温，然后再进行钝化液浸涂10分钟、在150℃的条件下烘干30分钟处理，烘干后空冷至室温。
由此获得的平垫圈的心部硬度为455HV，表面化合物层厚度15微米，表面渗层厚度0.18毫米，经过400小时中性盐雾腐蚀实验检测未出现红锈。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种高强度螺栓用平垫圈的制备方法，其特征在于：采用低碳微合金钢坯材制造，所述低碳微合金钢坯材成分的质量百分比如下：碳C：0.20～0.25％；硅Si：0.6～0.8％；锰Mn：0.80～1.0％；钼Mo：0.10～0.15％；铬Cr：0.3～0.5％；镍Ni：0.2～0.3％；钒V：0.05～0.1％；钛Ti：0.05～0.1％；硫S：<0.020％；磷P：<0.020％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％；
所述低碳微合金钢坯材经过电炉熔炼后，采用连续铸造连续轧制的工艺直接轧制成与平垫圈厚度一致的板材；终轧温度控制在1050℃，然后在1000～1050℃的条件下对终轧的板材直接进行模压或冲压成型，成型后平垫圈的温度控制在900～925℃，直接进行水冷至室温，淬火后的平垫圈直接500℃～650℃的条件下进行气体氮N、碳C、氧O共渗处理1～2小时，共渗处理后空冷至室温，然后再进行钝化液浸涂、烘干处理，获得表面具有较高硬度和耐蚀性的平垫圈产品。
2.根据权利要求1所述的高强度螺栓用平垫圈的制备方法，其特征在于：所述共渗处理中具体采用氨气、空气和含有的C、H、O元素的混合液体渗剂作为原材料，液体渗剂主要成分为酒精、水、三乙醇胺和丙酮组成，氨气和空气的体积比为10:1，液体渗剂成分的体积比为酒甲醇：水：三乙醇胺：丙酮＝3:3:3:1，在共渗过程中，向共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入150～200毫升所述的液体渗剂。
3.根据权利要求1所述的高强度螺栓用平垫圈的制备方法，其特征在于：所述钝化液浸涂和烘干处理具体为：钝化液的成分按质量比为水：碳酸氢钾：氢氧化钠：次亚磷酸钠：偏硅酸钠＝70:15:5:5:5，将共渗处理后的垫片直接放入钝化液中进行浸涂10分钟，然后甩干后在流动的空气中烘干处理，烘干温度为150～200℃，烘干时间为0.5小时。
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