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冷鐓加工非標(biāo)緊固件的熱處理工藝對(duì)機(jī)械性能的影響探究

在現(xiàn)代制造業(yè)中，非標(biāo)緊固件因其特殊的尺寸、形狀和性能要求，在各類機(jī)械設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。冷鐓加工作為一種高效、節(jié)能且能保證一定精度的制造工藝，被廣泛應(yīng)用于非標(biāo)緊固件的生產(chǎn)。然而，冷鐓加工后的非標(biāo)緊固件，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能往往難以直接滿足實(shí)際使用需求。熱處理工藝作為一種能夠有效改善金屬材料性能的手段，在冷鐓加工非標(biāo)緊固件的后續(xù)處理中具有至關(guān)重要的地位。通過(guò)合適的熱處理工藝，可以調(diào)整非標(biāo)緊固件的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而顯著提升其強(qiáng)度、硬度、韌性、疲勞性能等機(jī)械性能，使其更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。深入探究冷鐓加工非標(biāo)緊固件的熱處理工藝對(duì)機(jī)械性能的影響，對(duì)于優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本以及推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2025-07-22 19:18:31溫州市南工五金制品有限公司

一、引言

二、冷鐓加工非標(biāo)緊固件的特點(diǎn)及常見問(wèn)題

2.1 冷鐓加工工藝概述

冷鐓加工是在常溫下，借助模具對(duì)金屬坯料施加外力，使其發(fā)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸非標(biāo)緊固件的加工方法。該工藝具有諸多優(yōu)勢(shì)，如生產(chǎn)效率高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)；材料利用率高，能有效減少原材料浪費(fèi)；加工過(guò)程中金屬纖維流線連續(xù)，有利于提高產(chǎn)品的力學(xué)性能等。但同時(shí)，冷鐓加工也存在一定局限性，例如對(duì)模具要求高，模具的磨損和損壞可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降；對(duì)于一些形狀復(fù)雜、變形程度大的非標(biāo)緊固件，冷鐓加工難度較大，可能出現(xiàn)裂紋、折疊等缺陷。

2.2 非標(biāo)緊固件的特點(diǎn)

非標(biāo)緊固件與標(biāo)準(zhǔn)緊固件相比，具有獨(dú)特的特點(diǎn)。其尺寸規(guī)格往往根據(jù)特定的設(shè)計(jì)需求定制，可能超出標(biāo)準(zhǔn)范圍；形狀更為復(fù)雜多樣，以滿足不同的裝配和連接要求；在性能方面，可能需要具備更高的強(qiáng)度、更好的耐腐蝕性或特殊的物理性能等。這些特點(diǎn)使得非標(biāo)緊固件的生產(chǎn)難度更大，對(duì)加工工藝和質(zhì)量控制的要求更為嚴(yán)格。

2.3 冷鐓加工非標(biāo)緊固件常見問(wèn)題

在冷鐓加工非標(biāo)緊固件的過(guò)程中，由于材料特性、加工工藝參數(shù)以及模具等因素的影響，常出現(xiàn)一些質(zhì)量問(wèn)題。其中，內(nèi)部殘余應(yīng)力是較為常見的問(wèn)題之一。冷鐓過(guò)程中金屬的塑性變形會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，若殘余應(yīng)力過(guò)大，可能使非標(biāo)緊固件在后續(xù)使用過(guò)程中發(fā)生變形甚至開裂。此外，冷作硬化現(xiàn)象也不容忽視。冷鐓加工會(huì)使金屬材料的硬度和強(qiáng)度增加，但同時(shí)塑性和韌性降低，這可能影響非標(biāo)緊固件在承受沖擊載荷時(shí)的性能。而且，對(duì)于一些形狀復(fù)雜的非標(biāo)緊固件，冷鐓過(guò)程中還可能出現(xiàn)填充不滿、表面缺陷等問(wèn)題，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和使用性能。

三、熱處理工藝對(duì)冷鐓加工非標(biāo)緊固件機(jī)械性能的影響機(jī)制

3.1 改善內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)

3.1.1 消除殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力會(huì)降低非標(biāo)緊固件的疲勞壽命和尺寸穩(wěn)定性。通過(guò)合適的熱處理工藝，如去應(yīng)力退火，將非標(biāo)緊固件加熱到一定溫度并保溫一段時(shí)間，使原子獲得足夠的能量進(jìn)行擴(kuò)散，從而消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力。在去應(yīng)力退火過(guò)程中，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬內(nèi)部的位錯(cuò)逐漸重新排列和相互抵消，宏觀殘余應(yīng)力得以松弛。研究表明，經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火處理后，冷鐓加工非標(biāo)緊固件的殘余應(yīng)力可降低 80% 以上，有效提高了產(chǎn)品的可靠性。

3.1.2 細(xì)化晶粒

晶粒大小對(duì)金屬材料的機(jī)械性能有著顯著影響。細(xì)小的晶?？梢栽黾泳Ы缑娣e，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有阻礙作用，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。對(duì)于冷鐓加工后的非標(biāo)緊固件，可采用正火或淬火 + 回火等熱處理工藝來(lái)細(xì)化晶粒。例如，正火處理時(shí)，將非標(biāo)緊固件加熱到臨界溫度以上，使原始粗大晶粒全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后在空氣中冷卻，由于冷卻速度較快，奧氏體在較大的過(guò)冷度下發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成細(xì)小均勻的晶粒組織。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過(guò)正火處理后，非標(biāo)緊固件的晶粒尺寸可細(xì)化至原來(lái)的 1/3 - 1/2，其屈服強(qiáng)度提高了 20% - 30%，沖擊韌性提高了 30% - 50%。

3.1.3 改變相組成

根據(jù)非標(biāo)緊固件所使用的金屬材料和具體性能要求，通過(guò)調(diào)整熱處理工藝參數(shù)，可以改變材料的相組成，從而獲得理想的機(jī)械性能。以中碳合金鋼為例，在淬火過(guò)程中，將其加熱到臨界溫度以上，使組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后快速冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。馬氏體具有高硬度和高強(qiáng)度，但塑性和韌性較差。隨后進(jìn)行回火處理，馬氏體分解，析出細(xì)小的碳化物，同時(shí)殘余奧氏體也發(fā)生轉(zhuǎn)變，材料的韌性得到顯著改善，強(qiáng)度和硬度則根據(jù)回火溫度的不同可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。通過(guò)合理控制淬火和回火工藝參數(shù)，可以使中碳合金鋼非標(biāo)緊固件獲得良好的綜合機(jī)械性能，滿足不同工況的使用要求。

3.2 調(diào)整硬度、強(qiáng)度與韌性的平衡

3.2.1 提高硬度和強(qiáng)度

淬火是提高冷鐓加工非標(biāo)緊固件硬度和強(qiáng)度的重要熱處理工藝。在淬火過(guò)程中，由于快速冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體具有體心正方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)發(fā)生變化，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而使硬度和強(qiáng)度大幅提高。例如，對(duì)于一些要求高硬度和高強(qiáng)度的冷鐓加工碳鋼非標(biāo)緊固件，經(jīng)淬火處理后，硬度可從淬火前的 HRC20 - 30 提高到 HRC50 - 60，抗拉強(qiáng)度從 500 - 600MPa 提高到 1000 - 1200MPa。此外，滲碳、氮化等化學(xué)熱處理工藝也可以在非標(biāo)緊固件表面形成一層高硬度的硬化層，提高其表面硬度和耐磨性，同時(shí)保持心部良好的韌性。

3.2.2 改善韌性

對(duì)于冷鐓加工后因冷作硬化或淬火導(dǎo)致韌性較差的非標(biāo)緊固件，回火是改善其韌性的關(guān)鍵工藝。回火過(guò)程中，馬氏體分解，碳化物逐漸析出并聚集長(zhǎng)大，同時(shí)殘余應(yīng)力得到消除，材料的韌性得以恢復(fù)和提高?；鼗饻囟群蜁r(shí)間對(duì)韌性的改善效果有重要影響。一般來(lái)說(shuō)，隨著回火溫度的升高，韌性逐漸增加，但硬度和強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)降低。通過(guò)選擇合適的回火溫度和時(shí)間，可以在保證一定硬度和強(qiáng)度的前提下，使非標(biāo)緊固件獲得良好的韌性。例如，對(duì)于經(jīng)過(guò)淬火處理的某合金鋼非標(biāo)緊固件，在 500 - 600℃回火后，其沖擊韌性可從淬火態(tài)的 20 - 30J/cm2 提高到 60 - 80J/cm2，同時(shí)硬度仍能保持在 HRC40 - 45，滿足了實(shí)際使用中對(duì)強(qiáng)度和韌性的綜合要求。

四、常見熱處理工藝及其對(duì)非標(biāo)緊固件機(jī)械性能的具體影響

4.1 退火處理

4.1.1 完全退火

完全退火是將非標(biāo)緊固件加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻的熱處理工藝。其主要目的是消除冷鐓加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，改善金屬的組織結(jié)構(gòu)，降低硬度，提高塑性，為后續(xù)加工或使用做準(zhǔn)備。對(duì)于一些冷鐓加工后硬度較高、塑性較差的碳鋼非標(biāo)緊固件，經(jīng)過(guò)完全退火處理后，硬度可降低 30% - 50%，延伸率提高 2 - 3 倍，便于進(jìn)行切削加工或進(jìn)一步的冷變形加工。同時(shí)，完全退火還能使金屬的晶粒均勻化，消除內(nèi)部組織缺陷，提高材料的綜合性能。

4.1.2 球化退火

球化退火主要適用于共析鋼和過(guò)共析鋼，如一些高碳合金鋼非標(biāo)緊固件。該工藝是將工件加熱到略低于或略高于臨界溫度范圍，長(zhǎng)時(shí)間保溫后緩慢冷卻，使鋼中的滲碳體球化。球化后的滲碳體在鐵素體基體上呈均勻分布的球狀顆粒，這種組織形態(tài)可以顯著改善材料的切削性能和冷鐓性能，同時(shí)提高其韌性。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)球化退火處理的高碳合金鋼非標(biāo)緊固件，在冷鐓加工過(guò)程中的開裂傾向明顯降低，加工后的產(chǎn)品在承受沖擊載荷時(shí)的韌性比未球化退火的提高了 50% - 80%。

4.1.3 去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火已在前面闡述過(guò)其消除殘余應(yīng)力的作用機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于一些對(duì)尺寸穩(wěn)定性要求較高的冷鐓加工非標(biāo)緊固件，如精密儀器中的連接螺栓，去應(yīng)力退火是必不可少的工序。經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火后，非標(biāo)緊固件在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的尺寸變化量可控制在極小范圍內(nèi)，保證了儀器的精度和可靠性。例如，某高精度冷鐓加工螺栓在去應(yīng)力退火前，放置一個(gè)月后尺寸變化量達(dá)到 0.05mm，而經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火處理后，同樣條件下放置一年，尺寸變化量?jī)H為 0.005mm。

4.2 正火處理

正火是將非標(biāo)緊固件加熱到臨界溫度以上，保溫適當(dāng)時(shí)間后在空氣中冷卻的熱處理工藝。與退火相比，正火的冷卻速度較快，獲得的組織比退火后的組織更細(xì)，強(qiáng)度和硬度相對(duì)較高，塑性和韌性則有所降低。正火處理常用于改善低碳鋼和中碳鋼冷鐓加工非標(biāo)緊固件的切削性能。對(duì)于低碳鋼非標(biāo)緊固件，正火可以使其硬度適當(dāng)提高，避免在切削過(guò)程中出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，提高切削加工效率和表面質(zhì)量。對(duì)于中碳鋼非標(biāo)緊固件，正火后的組織形態(tài)使其具有較好的綜合機(jī)械性能，在滿足一定強(qiáng)度要求的同時(shí)，保持了一定的韌性。例如，某中碳鋼冷鐓加工螺母，正火處理后其抗拉強(qiáng)度達(dá)到 600 - 700MPa，延伸率為 15% - 20%，能夠滿足一般機(jī)械連接的使用要求。

4.3 淬火與回火處理

4.3.1 淬火

淬火是將非標(biāo)緊固件加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間后迅速冷卻的熱處理工藝。淬火的目的是獲得馬氏體組織，以提高材料的硬度和強(qiáng)度。然而，淬火過(guò)程中由于冷卻速度極快，會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，容易導(dǎo)致工件變形甚至開裂。因此，在淬火工藝中，選擇合適的淬火介質(zhì)和淬火溫度、保溫時(shí)間等參數(shù)至關(guān)重要。對(duì)于一些形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的冷鐓加工非標(biāo)緊固件，常采用分級(jí)淬火或等溫淬火等方法，以減少淬火內(nèi)應(yīng)力。例如，對(duì)于某合金鋼制造的異形非標(biāo)螺栓，采用分級(jí)淬火工藝，先將其加熱到 850℃保溫 30min，然后迅速放入 200℃的硝鹽浴中冷卻 30s，再取出空冷。通過(guò)這種方式，有效控制了淬火內(nèi)應(yīng)力，避免了螺栓的變形和開裂，同時(shí)獲得了理想的馬氏體組織，使其硬度達(dá)到 HRC55 - 60，滿足了高強(qiáng)度使用要求。

4.3.2 回火

回火是緊接淬火之后的一道重要工序，其作用是消除淬火內(nèi)應(yīng)力，調(diào)整硬度和韌性的平衡，穩(wěn)定組織和尺寸。根據(jù)回火溫度的不同，可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。低溫回火主要用于提高淬火后工件的韌性，同時(shí)保持較高的硬度，常用于刀具、量具等對(duì)硬度要求較高的非標(biāo)緊固件。中溫回火可使工件獲得較高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，適用于彈簧等彈性非標(biāo)緊固件。高溫回火則能使工件獲得良好的綜合機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于各種受力復(fù)雜的非標(biāo)緊固件。例如，對(duì)于一個(gè)經(jīng)過(guò)淬火處理的高強(qiáng)度合金鋼非標(biāo)螺栓，采用 550 - 650℃的高溫回火，回火后其硬度降至 HRC35 - 40，抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1000 - 1200MPa，沖擊韌性為 40 - 60J/cm2，這種綜合性能使其能夠在承受較大載荷的同時(shí)，具備一定的抗沖擊能力，滿足了工程實(shí)際中的使用要求。

4.4 表面熱處理與化學(xué)熱處理

4.4.1 感應(yīng)加熱表面淬火

感應(yīng)加熱表面淬火是利用感應(yīng)電流通過(guò)工件表面產(chǎn)生的熱量，使工件表面迅速加熱到淬火溫度，然后立即噴水冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火的一種工藝。該工藝主要用于提高冷鐓加工非標(biāo)緊固件的表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而心部仍保持良好的韌性。對(duì)于一些在工作中承受磨損和交變載荷的非標(biāo)緊固件，如發(fā)動(dòng)機(jī)中的連桿螺栓，采用感應(yīng)加熱表面淬火后，表面硬度可達(dá) HRC55 - 60，硬化層深度為 1 - 3mm，疲勞壽命比未處理的提高了 2 - 3 倍。同時(shí)，由于加熱速度快、加熱時(shí)間短，工件變形小，能夠較好地保證尺寸精度。

4.4.2 滲碳處理

滲碳處理是將低碳金屬在富碳的介質(zhì)中加熱到高溫，使活性碳原子滲入金屬表面，以獲得高碳的滲碳層，隨后經(jīng)淬火和回火處理，使表面具有高硬度、高耐磨性和良好的疲勞性能，而心部仍保持足夠的強(qiáng)度和韌性。對(duì)于一些要求表面耐磨、內(nèi)部韌性好的冷鐓加工非標(biāo)緊固件，如汽車變速箱中的齒輪軸用螺栓，滲碳處理是一種常用的方法。經(jīng)過(guò)滲碳處理后，螺栓表面碳含量可達(dá)到 0.8% - 1.0%，淬火回火后表面硬度可達(dá) HRC58 - 63，滲碳層深度為 0.5 - 2mm，滿足了其在復(fù)雜工況下的使用要求。

4.4.3 氮化處理

氮化處理是使氮原子滲入金屬表面，形成一層硬度高、耐磨性好、抗咬合性強(qiáng)且具有良好抗腐蝕性的氮化層的化學(xué)熱處理工藝。與滲碳相比，氮化處理后的工件變形小，無(wú)需進(jìn)行后續(xù)淬火處理，且氮化層的硬度比滲碳層更高，可達(dá) HV900 - 1200。對(duì)于一些對(duì)精度要求極高、在腐蝕環(huán)境中工作的冷鐓加工非標(biāo)緊固件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的一些關(guān)鍵連接螺栓，氮化處理是一種理想的選擇。經(jīng)過(guò)氮化處理后，螺栓表面形成的氮化層不僅提高了其耐磨性和抗腐蝕性，還使其在高溫下仍能保持較高的硬度和強(qiáng)度，有效提高了產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。

五、案例分析

5.1 案例一：某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用高強(qiáng)度非標(biāo)螺栓

5.1.1 產(chǎn)品要求

該非標(biāo)螺栓用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部位，連接發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋，需要承受高溫、高壓和交變載荷。因此，對(duì)其機(jī)械性能要求極為嚴(yán)格，具體要求為：抗拉強(qiáng)度≥1200MPa，屈服強(qiáng)度≥1000MPa，伸長(zhǎng)率≥9%，沖擊韌性≥50J/cm2，硬度為 HRC38 - 42。

5.1.2 冷鐓加工與熱處理工藝

采用中碳合金鋼（40Cr）作為原材料，首先進(jìn)行冷鐓加工，制成螺栓毛坯。由于冷鐓加工過(guò)程中材料產(chǎn)生了加工硬化，內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，為滿足產(chǎn)品的性能要求，后續(xù)進(jìn)行了淬火 + 高溫回火的熱處理工藝。淬火工藝為：將螺栓加熱到 850℃，保溫 30min 后，迅速放入淬火油中冷卻。淬火后進(jìn)行高溫回火，回火溫度為 600℃，保溫 2h。

5.1.3 性能測(cè)試結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)上述熱處理工藝處理后，對(duì)螺栓進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1300MPa，屈服強(qiáng)度為 1100MPa，伸長(zhǎng)率為 10%，沖擊韌性為 60J/cm2，硬度為 HRC40。通過(guò)金相分析發(fā)現(xiàn)，螺栓內(nèi)部組織為回火索氏體，晶粒細(xì)小均勻，殘余應(yīng)力得到有效消除。這表明采用的淬火 + 高溫回火工藝能夠使冷鐓加工后的非標(biāo)螺栓獲得良好的綜合機(jī)械性能，滿足了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

5.2 案例二：某航空設(shè)備用耐腐蝕非標(biāo)螺母

5.2.1 產(chǎn)品要求

該非標(biāo)螺母用于航空設(shè)備的連接部位，工作環(huán)境復(fù)雜，要求螺母具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，同時(shí)具備一定的強(qiáng)度和韌性。具體性能要求為：抗拉強(qiáng)度≥800MPa，屈服強(qiáng)度≥600MPa，伸長(zhǎng)率≥12%，硬度為 HRC28 - 32，在鹽霧試驗(yàn)（5% NaCl 溶液，溫度 35℃，時(shí)間 48h）后，表面無(wú)明顯腐蝕現(xiàn)象。

5.2.2 冷鐓加工與熱處理工藝

選用鋁合金（7075）作為原材料，通過(guò)冷鐓加工制成螺母毛坯。針對(duì)其耐腐蝕和機(jī)械性能要求，采用了固溶處理 + 時(shí)效處理的熱處理工藝。固溶處理工藝為：將螺母加熱到 475℃，保溫 1h 后，迅速放入水中冷卻。隨后進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效溫度為 120℃，保溫 24h。

5.2.3 性能測(cè)試結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)熱處理后的螺母進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如下：抗拉強(qiáng)度為 850MPa，屈服強(qiáng)度為 650MPa，伸長(zhǎng)率為 13%，硬度為 HRC30。鹽霧試驗(yàn)后，螺母表面無(wú)明顯腐蝕痕跡。金相分析表明，經(jīng)過(guò)固溶處理和時(shí)效處理后，鋁合金內(nèi)部形成了均勻分布的強(qiáng)化相，提高了材料的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)改善了其耐腐蝕性能。這一案例說(shuō)明，針對(duì)特定材料和使用要求，合理選擇熱處理工藝能夠有效提升冷鐓加工非標(biāo)緊固件的性能，滿足航空設(shè)備等高端領(lǐng)域的嚴(yán)格要求。