一種在熱處理中保護螺孔的方法
【技術領域】
[0001] 所有機械類金屬零件制造領域，具體是一種在熱處理中保護螺孔的方法。
【背景技術】
[0002] 在金屬零件或設備的制造過程中，由于零件或設備結構的原因造成許多螺孔無法 在熱處理后進行加工，而只能在熱處理前加工。在零件及設備熱處理中，已加工好的螺孔在 高溫下極易氧化并有脫碳層，螺孔受損，影響螺孔的質量。對此，需要在熱處理中對螺孔進 行保護。常用的保護方法有：涂涂料保護法、用石棉堵塞法和耐火泥堵塞法等。而這些方法， 在熱處理后，都需要對螺孔進行清理，無論是涂涂料保護法、用石棉堵塞法還是耐火泥堵塞 法，在熱處理中，在高溫的作用下保護材料凝固與螺孔粘結，使清理困難，而在清理的過程 中也容易造成螺孔牙形損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為克服現(xiàn)有技術中存在的清理困難、易造成螺孔牙形損傷的不足，本發(fā)明提出了 一種在熱處理中保護螺孔的方法。
[0004] 本發(fā)明適用于碳鋼或合金鋼的熱處理工件，具體過程是：
[0005] 步驟1，螺栓材料的選擇。根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)、材料合金元素的親和力和材料 的熱處理性能選擇螺栓的材料。
[0006] 材料的線膨脹系數(shù)。所選用螺栓材料的線膨脹系數(shù)多零件的線膨脹系數(shù)。
[0007] 材料合金元素的親和力。所使用螺栓的材質與熱處理工件材質需不同。
[0008] 材料的熱處理性能。選擇在經(jīng)過熱處理后不易出現(xiàn)裂紋以及發(fā)生變脆現(xiàn)象的材質 制作螺栓材料。
[0009] 步驟2,確定保護螺栓的結構
[0010] 所述的確定保護螺栓的結構包括對螺栓螺紋根部的改進、螺栓六方頭根部的改進 和螺栓頂端的改進。
[0011]I所述螺栓螺紋根部的改進是指對螺栓螺紋根部圓角的改進。
[0012] 通過公式確定螺栓螺紋根部圓角的高度C:
[0013]Cmax=H/4-Rmin{l-cos[n/3-arcos(1-Td2/4XRmin)]}+Td2/2
[0014] Cnin= 0. 125P=H/7
[0015] 公式中：P為螺紋螺距。H為基本牙形高度。Td2為外螺紋中徑公差。R為螺栓螺紋 根部圓角的半徑。cmax為高度最大值。cmin為高度最小值。
[0016] 將得到的C_計算結果減0. 03mm，為改進后的螺栓螺紋根部實際高度。改進后的 螺栓螺紋根部實際高度值不得小于C_。
[0017] II保護螺栓六方頭根部的改進。保護螺栓根部圓角半徑r= 2~5mm。
[0018]III所述螺栓頂端的改進。在螺栓頭部保留一部分光桿。所述螺栓頂端光桿段的長 度L= 3 ~5mm〇
[0019] 步驟3,確定螺栓與螺孔的配合要求。
[0020] 螺孔螺紋的配合基本偏差為H，螺栓螺紋的基本偏差為h，使螺栓與螺孔的配合為 H/h配合。
[0021 ] 所述螺孔與保護螺栓之間的配合精度為六級。
[0022] 步驟4,加工保護螺栓。
[0023] 根據(jù)確定的保護螺栓的結構和尺寸，按常規(guī)機械加工的方法，通過車加工和銑加 工的方式制作所述保護螺栓。
[0024] 步驟5,安裝保護螺栓。
[0025] 將制作保護螺栓安裝在熱處理工件上的待保護螺孔中。安裝時，須使該保護螺栓 的螺紋完全處于螺孔內(nèi)，以防止被氧化的螺紋上的氧化物進入螺孔損傷螺紋，甚至使螺栓 無法拆卸。
[0026] 步驟6,熱處理。
[0027] 將安裝有保護螺栓的熱處理工件置于熱處理爐內(nèi)，采用常規(guī)的熱處理方法，按設 定的工藝要求進行熱處理。
[0028]步驟7，卸除保護螺栓。
[0029] 經(jīng)過熱處理的工件降溫至室溫。卸除工件上的保護螺栓。
[0030]至此，通過安裝保護螺栓實現(xiàn)了在熱處理中對螺孔的保護。
[0031] 本發(fā)明是用不銹鋼螺栓在熱處理前擰在需要保護的螺孔上，在熱處理時對螺孔進 行保護的，能夠有效解決現(xiàn)有技術中存在的不足。
[0032] 對于零件或產(chǎn)品在熱處理時需要保護的螺孔，按照螺孔的尺寸制作，將其擰在需 保護的螺孔中一同進行熱處理，由于不銹鋼材料的線膨脹系數(shù)大于碳鋼、合金鋼的膨脹系 數(shù)，隨著熱處理加熱溫度的升高，螺栓牙形面與螺孔牙形面接觸并擠出殘留空氣，這樣在熱 處理高溫階段防止螺孔的氧化和脫碳，而在熱處理后零件或產(chǎn)品冷卻，不銹鋼螺栓的牙形 面和螺孔的牙形面分離便于卸下不銹鋼螺栓，這樣在熱處理的過程能有效防止螺孔的氧化 和脫碳同時又便于拆卸不銹鋼螺栓，拆卸不會損傷螺孔牙形。卸下的不銹鋼螺栓可以重復 使用。
[0033] 在金屬零件和設備進行熱處理時對其上的螺孔用不銹鋼螺栓進行保護的方法。
[0034] 在選擇所述保護螺栓的材料時，需考慮以下三個方面：
[0035] (1)材料的線膨脹系數(shù)方面。首先，螺栓材料的線膨脹系數(shù)不能小于零件的線膨 脹系數(shù)，否則在熱處理的過程中，隨著加熱溫度的升高，螺栓和螺孔必要產(chǎn)生間隙，溫度越 高，間隙越大，這樣就不能起到密封防止空氣進入的作用，進而影響螺孔的保護效果；如果 螺栓材料線膨脹系數(shù)和零件材料線膨脹系數(shù)一樣，從理論上來說，在熱處理的過程中，加熱 溫度不影響螺栓與螺孔的配合間隙，但為了熱處理后螺栓的拆卸，在螺栓和螺孔的配合上 只能選擇間隙配合，這樣也無法完全阻止空氣的進入，也不能很好起到螺孔的保護；當選擇 螺栓材料的線膨脹系數(shù)大于零件材料的線膨脹系數(shù)時，在熱處理的過程中隨著加熱溫度的 升高，螺栓與螺孔配合間隙越來越小，甚至無間隙，這樣，在加熱的過程中，不但可以擠出螺 孔中殘存的空氣并能阻止空氣的進入，對螺孔起到很好的保護作用。一般碳鋼和合金鋼的 線膨脹系數(shù)常溫下為10X10 6~11X10 6/°C，在900C時為13X10 6~14X10 6/°C，而不 銹鋼常溫下為16X10 6~16. 5X10 6/°C，在900C為18X10 6~19X10 6/°C。不管是常溫 下還是高溫下，不銹鋼的線膨脹系數(shù)都大于碳鋼、合金鋼，且兩者之間的差值在5X10 6/°C， 采用不銹鋼作為螺栓制造材料是比較合適的。
[0036] (2)金屬材料在高溫下的親和力。對于金屬材料在高溫下都有一定的親和力，在 選擇螺栓材料時不能選和零件相同的材料。碳鋼材料化學成分主要是碳和碳鐵化合物，采 用不銹鋼制造的螺栓用于碳鋼零件螺紋保護，其化學成分不同，親和力較小是合適的。而對 于合金鋼和不銹鋼零件由于和不銹鋼部分合金元素相同，會增加親和力，對拆卸螺栓需要 力矩增大，但仍可正常拆卸，而只有當某些活潑金屬元素相同時才會影響螺栓的正常拆卸， 如含有鈦元素的合金鋼和不銹鋼，則就不能采用含有鈦元素的不銹鋼螺栓來保護，這時就 需要采用不含鈦元素的不銹鋼螺栓。本發(fā)明在確定材料合金元素的親和力時，以M8螺孔為 例，每種材料各做5件進行試驗，在其它條件相同的情況下，不同材料零件用同一種不銹鋼 螺栓進行熱處理保護時螺栓拆卸所需的力矩見表1 :
[0037] 表 1
[0038]
[0039] (3)金屬材料的熱處理性能。對于金屬材料來說，經(jīng)過熱處理后其性能會發(fā)生變 化，大多數(shù)熱處理后強度增加塑性降低，有的還會出現(xiàn)熱處理裂紋。如果熱處理后材料性能 變脆或者出現(xiàn)裂紋，螺栓在拆卸時就會斷裂，這樣的材料顯然不能用于保護螺栓，因此，從 金屬材料的性能來看，低碳鋼和低合金鋼材料熱處理后不易出現(xiàn)裂紋變脆現(xiàn)象，可以用于 保護螺栓的制造。考慮到高溫下材料的性能和防氧化的問題則采用不銹鋼材料更合適。仍 以M8螺孔為例，用不同材料制造螺栓，各做5件進行試驗，在其它條件相同的情況下試驗結 果見表2
[0040] 表 2 [0041 ]
[0042] 由于零件在熱處理過程中的工藝參數(shù)都是按照零件材料制定的，要使螺栓在熱處 理過程中不出現(xiàn)裂紋并使螺栓拆卸時不斷裂，除了合理選擇螺栓材料外還必須在結構上進 行改進，以減少螺栓結構上的不合理產(chǎn)生應力集中，使螺栓出現(xiàn)螺紋和拆卸時斷裂。曾經(jīng)在 試驗中，用購買的10件M8的標準件螺栓，結果一件在六方頭根部出現(xiàn)裂紋、有三件在拆卸 時斷裂，其中，一件出現(xiàn)在螺孔口部螺牙根部、另兩件出現(xiàn)在六方頭的根部的情況。經(jīng)查標 準螺栓六方頭根部圓角半徑為0. 3_，相對較小，螺栓螺紋牙底最小圓角為R0. 156_，通過 對外夠螺栓檢測螺栓牙底圓角為R〇. 158mm符合標準規(guī)定，但螺栓螺紋牙底表面粗造，為了 減小因根部圓角小引起較大的應力集中，造成螺栓拆卸時的斷裂，本發(fā)明對所述保護螺栓 的結構進行改進，加大了螺栓六方頭根部的圓角半徑和對螺牙根部圓角在保證螺牙底部配 合間隙的情況下按照GB/T197-2003標準進行偏平化處理，同時，在螺栓頭部保留一部分光 桿，結果在隨后試驗中，再沒有出現(xiàn)裂紋和拆卸時螺栓斷裂的情況。
[0043] 圖4、圖5、圖6為試驗結果的實例圖。所試驗的產(chǎn)品上有64個螺孔。原來熱處理 時，螺孔用涂料保護進行熱處理后，對螺孔進行清理，一臺產(chǎn)品，清理螺孔中的涂料需要15 小時，且對環(huán)境造成污染，造成各別螺孔出現(xiàn)損傷；現(xiàn)在改用不銹鋼螺栓保護螺孔，熱處理 后，拆卸螺栓及清理僅需1. 5小時，且不存在環(huán)境污染，對對螺