一种在热处理中保护螺孔的方法
【技术领域】
[0001] 所有机械类金属零件制造领域，具体是一种在热处理中保护螺孔的方法。
【背景技术】
[0002] 在金属零件或设备的制造过程中，由于零件或设备结构的原因造成许多螺孔无法 在热处理后进行加工，而只能在热处理前加工。在零件及设备热处理中，已加工好的螺孔在 高温下极易氧化并有脱碳层，螺孔受损，影响螺孔的质量。对此，需要在热处理中对螺孔进 行保护。常用的保护方法有：涂涂料保护法、用石棉堵塞法和耐火泥堵塞法等。而这些方法， 在热处理后，都需要对螺孔进行清理，无论是涂涂料保护法、用石棉堵塞法还是耐火泥堵塞 法，在热处理中，在高温的作用下保护材料凝固与螺孔粘结，使清理困难，而在清理的过程 中也容易造成螺孔牙形损伤。
【发明内容】
[0003] 为克服现有技术中存在的清理困难、易造成螺孔牙形损伤的不足，本发明提出了 一种在热处理中保护螺孔的方法。
[0004] 本发明适用于碳钢或合金钢的热处理工件，具体过程是：
[0005] 步骤1，螺栓材料的选择。根据材料的线膨胀系数、材料合金元素的亲和力和材料 的热处理性能选择螺栓的材料。
[0006] 材料的线膨胀系数。所选用螺栓材料的线膨胀系数多零件的线膨胀系数。
[0007] 材料合金元素的亲和力。所使用螺栓的材质与热处理工件材质需不同。
[0008] 材料的热处理性能。选择在经过热处理后不易出现裂纹以及发生变脆现象的材质 制作螺栓材料。
[0009] 步骤2,确定保护螺栓的结构
[0010] 所述的确定保护螺栓的结构包括对螺栓螺纹根部的改进、螺栓六方头根部的改进 和螺栓顶端的改进。
[0011]I所述螺栓螺纹根部的改进是指对螺栓螺纹根部圆角的改进。
[0012] 通过公式确定螺栓螺纹根部圆角的高度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为螺纹螺距。H为基本牙形高度。Td2为外螺纹中径公差。R为螺栓螺纹 根部圆角的半径。cmax为高度最大值。cmin为高度最小值。
[0016] 将得到的C_计算结果减0. 03mm，为改进后的螺栓螺纹根部实际高度。改进后的 螺栓螺纹根部实际高度值不得小于C_。
[0017] II保护螺栓六方头根部的改进。保护螺栓根部圆角半径r= 2~5mm。
[0018]III所述螺栓顶端的改进。在螺栓头部保留一部分光杆。所述螺栓顶端光杆段的长 度L= 3 ~5mm〇
[0019] 步骤3,确定螺栓与螺孔的配合要求。
[0020] 螺孔螺纹的配合基本偏差为H，螺栓螺纹的基本偏差为h，使螺栓与螺孔的配合为 H/h配合。
[0021 ] 所述螺孔与保护螺栓之间的配合精度为六级。
[0022] 步骤4,加工保护螺栓。
[0023] 根据确定的保护螺栓的结构和尺寸，按常规机械加工的方法，通过车加工和铣加 工的方式制作所述保护螺栓。
[0024] 步骤5,安装保护螺栓。
[0025] 将制作保护螺栓安装在热处理工件上的待保护螺孔中。安装时，须使该保护螺栓 的螺纹完全处于螺孔内，以防止被氧化的螺纹上的氧化物进入螺孔损伤螺纹，甚至使螺栓 无法拆卸。
[0026] 步骤6,热处理。
[0027] 将安装有保护螺栓的热处理工件置于热处理炉内，采用常规的热处理方法，按设 定的工艺要求进行热处理。
[0028]步骤7，卸除保护螺栓。
[0029] 经过热处理的工件降温至室温。卸除工件上的保护螺栓。
[0030]至此，通过安装保护螺栓实现了在热处理中对螺孔的保护。
[0031] 本发明是用不锈钢螺栓在热处理前拧在需要保护的螺孔上，在热处理时对螺孔进 行保护的，能够有效解决现有技术中存在的不足。
[0032] 对于零件或产品在热处理时需要保护的螺孔，按照螺孔的尺寸制作，将其拧在需 保护的螺孔中一同进行热处理，由于不锈钢材料的线膨胀系数大于碳钢、合金钢的膨胀系 数，随着热处理加热温度的升高，螺栓牙形面与螺孔牙形面接触并挤出残留空气，这样在热 处理高温阶段防止螺孔的氧化和脱碳，而在热处理后零件或产品冷却，不锈钢螺栓的牙形 面和螺孔的牙形面分离便于卸下不锈钢螺栓，这样在热处理的过程能有效防止螺孔的氧化 和脱碳同时又便于拆卸不锈钢螺栓，拆卸不会损伤螺孔牙形。卸下的不锈钢螺栓可以重复 使用。
[0033] 在金属零件和设备进行热处理时对其上的螺孔用不锈钢螺栓进行保护的方法。
[0034] 在选择所述保护螺栓的材料时，需考虑以下三个方面：
[0035] (1)材料的线膨胀系数方面。首先，螺栓材料的线膨胀系数不能小于零件的线膨 胀系数，否则在热处理的过程中，随着加热温度的升高，螺栓和螺孔必要产生间隙，温度越 高，间隙越大，这样就不能起到密封防止空气进入的作用，进而影响螺孔的保护效果；如果 螺栓材料线膨胀系数和零件材料线膨胀系数一样，从理论上来说，在热处理的过程中，加热 温度不影响螺栓与螺孔的配合间隙，但为了热处理后螺栓的拆卸，在螺栓和螺孔的配合上 只能选择间隙配合，这样也无法完全阻止空气的进入，也不能很好起到螺孔的保护；当选择 螺栓材料的线膨胀系数大于零件材料的线膨胀系数时，在热处理的过程中随着加热温度的 升高，螺栓与螺孔配合间隙越来越小，甚至无间隙，这样，在加热的过程中，不但可以挤出螺 孔中残存的空气并能阻止空气的进入，对螺孔起到很好的保护作用。一般碳钢和合金钢的 线膨胀系数常温下为10X10 6~11X10 6/°C，在900C时为13X10 6~14X10 6/°C，而不 锈钢常温下为16X10 6~16. 5X10 6/°C，在900C为18X10 6~19X10 6/°C。不管是常温 下还是高温下，不锈钢的线膨胀系数都大于碳钢、合金钢，且两者之间的差值在5X10 6/°C， 采用不锈钢作为螺栓制造材料是比较合适的。
[0036] (2)金属材料在高温下的亲和力。对于金属材料在高温下都有一定的亲和力，在 选择螺栓材料时不能选和零件相同的材料。碳钢材料化学成分主要是碳和碳铁化合物，采 用不锈钢制造的螺栓用于碳钢零件螺纹保护，其化学成分不同，亲和力较小是合适的。而对 于合金钢和不锈钢零件由于和不锈钢部分合金元素相同，会增加亲和力，对拆卸螺栓需要 力矩增大，但仍可正常拆卸，而只有当某些活泼金属元素相同时才会影响螺栓的正常拆卸， 如含有钛元素的合金钢和不锈钢，则就不能采用含有钛元素的不锈钢螺栓来保护，这时就 需要采用不含钛元素的不锈钢螺栓。本发明在确定材料合金元素的亲和力时，以M8螺孔为 例，每种材料各做5件进行试验，在其它条件相同的情况下，不同材料零件用同一种不锈钢 螺栓进行热处理保护时螺栓拆卸所需的力矩见表1 :
[0037] 表 1
[0038]
[0039] (3)金属材料的热处理性能。对于金属材料来说，经过热处理后其性能会发生变 化，大多数热处理后强度增加塑性降低，有的还会出现热处理裂纹。如果热处理后材料性能 变脆或者出现裂纹，螺栓在拆卸时就会断裂，这样的材料显然不能用于保护螺栓，因此，从 金属材料的性能来看，低碳钢和低合金钢材料热处理后不易出现裂纹变脆现象，可以用于 保护螺栓的制造。考虑到高温下材料的性能和防氧化的问题则采用不锈钢材料更合适。仍 以M8螺孔为例，用不同材料制造螺栓，各做5件进行试验，在其它条件相同的情况下试验结 果见表2
[0040] 表 2 [0041 ]
[0042] 由于零件在热处理过程中的工艺参数都是按照零件材料制定的，要使螺栓在热处 理过程中不出现裂纹并使螺栓拆卸时不断裂，除了合理选择螺栓材料外还必须在结构上进 行改进，以减少螺栓结构上的不合理产生应力集中，使螺栓出现螺纹和拆卸时断裂。曾经在 试验中，用购买的10件M8的标准件螺栓，结果一件在六方头根部出现裂纹、有三件在拆卸 时断裂，其中，一件出现在螺孔口部螺牙根部、另两件出现在六方头的根部的情况。经查标 准螺栓六方头根部圆角半径为0. 3_，相对较小，螺栓螺纹牙底最小圆角为R0. 156_，通过 对外够螺栓检测螺栓牙底圆角为R〇. 158mm符合标准规定，但螺栓螺纹牙底表面粗造，为了 减小因根部圆角小引起较大的应力集中，造成螺栓拆卸时的断裂，本发明对所述保护螺栓 的结构进行改进，加大了螺栓六方头根部的圆角半径和对螺牙根部圆角在保证螺牙底部配 合间隙的情况下按照GB/T197-2003标准进行偏平化处理，同时，在螺栓头部保留一部分光 杆，结果在随后试验中，再没有出现裂纹和拆卸时螺栓断裂的情况。
[0043] 图4、图5、图6为试验结果的实例图。所试验的产品上有64个螺孔。原来热处理 时，螺孔用涂料保护进行热处理后，对螺孔进行清理，一台产品，清理螺孔中的涂料需要15 小时，且对环境造成污染，造成各别螺孔出现损伤；现在改用不锈钢螺栓保护螺孔，热处理 后，拆卸螺栓及清理仅需1. 5小时，且不存在环境污染，对对螺