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高强度螺栓

1、 高强度螺栓概述:

高强度螺栓
高强度螺栓

高强度螺栓字面上看也就是强度较高的螺栓,通俗来讲普通螺栓产品一般是4.8级别,高于这个级别的螺栓例如:8.8、10.9、12.9都为高强度螺栓产品。 一般情况下,高强度螺栓可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。 高强度螺栓属于标准件紧固件产品。

用高强度钢制造的,或者需要施以较大预紧力的螺栓,皆可称为高强度螺栓。高强度螺栓多用于桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接。这种螺栓的断裂多为脆性断裂。应用于超高压设备上的高强度螺栓,为了保证容器的密封,需要施以较大的预应力。

中文名高强度螺栓(或高强螺栓) 类    别 :标准件
外文名: High strength bolt 特    点 : 限单次使用
性    质:强度较高的螺栓产品 级 别 :8.8、10.9、10.9S、12.9

2、 高强度螺栓定义:

关于高强度螺栓的几个概念1.按规定螺栓的性能等级在8.8级以上者,称为高强度螺栓.现国家标准只罗列到M39,对于大尺寸规格,特别是长度大于10~15倍的高强度螺栓,国内生产尚属短线。

高强螺栓的形状、连接构造与普通螺栓基本相同,两者的主要区别是:普通螺栓连接依靠杆身承压和抗剪来传递剪力,在扭紧螺帽时螺栓产生的预拉力很小,其影响不予考虑;高强螺栓连接的工作原理是有意给螺栓施加很大的预拉力,使被连接件接触面之间产生挤压力,因而垂直于螺杆方向有很大摩擦力,依靠这种摩擦力来传递连接剪力。高强螺栓的预拉力是通过扭紧螺帽实现的,普通高强螺栓一般采用扭矩法、转角法。扭剪型高强螺栓则采用扭断螺栓尾部以控制预拉力。

高强螺栓连接的螺栓采用8.8、10.9S级或8.8S级优质合金结构钢并经过热处理制作而成,高强度螺栓孔应采用钻成孔。摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径d大1.5~2.0mm;承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径d大1.0~1.5mm。

3、 高强度螺栓应用:

高强螺栓主要应用在钢结构工程上。高强螺栓的一个非常重要的特点就是限单次使用,一般用于永久连接,严禁重复使用!

4、 高强度螺栓分类:

按受力状态分为:摩擦型和承压型:

实际上是设计计算方法上有区别, 摩擦型高强螺栓以板层间出现滑动作为承载能力极限状态;承压型高强螺栓以板层间出现滑动作为正常使用极限状态,而以连接破坏作为承载能力极限状态。摩擦型高强螺栓并不能充分发挥螺栓的潜能。在实际应用中,对十分重要的结构或承受动力荷载的结构,尤其是荷载引起反向应力时,应该用摩擦型高强螺拴,此时可把未发挥的螺栓潜能作为安全储备。除此以外的地方应采用承压型高强螺栓连接以降低造价。

按施工工艺分为:扭剪型高强螺栓和大六角高强螺栓。大六角高强螺栓属于普通螺丝的高强度级,而扭剪型高强螺栓则是大六角高强螺栓的改进型,为了更好施工。高强螺栓的施工必须先初拧后终拧,初拧高强螺栓需用冲击型电动扳手或扭矩可调电动扳手;而终拧高强螺栓有严格的要求,终拧扭剪型高强螺栓必须用扭剪型电动扳手,终拧扭矩型高强螺栓必须用扭矩型电动扳手。

大六角强螺栓 由一个螺栓,一个螺母,两个垫圈组成。扭剪型高强螺栓连接副由一个螺栓,一个螺母,一个垫圈组成。

5、 高强度螺栓和普通螺栓区别:

一般情况下,高强度螺栓可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。

普通螺栓的材料是Q235(即A3)制造的。高强度螺栓的材料45#钢、合金钢(如20MnTiB、35VB)或其它优质材料,制成后进行热处理,提高了强度。两者的区别是材料强度的不同。

第一点:从原材料看:高强度螺栓采用高强度材料制造。高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作,常用 45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢。普通螺栓常用Q235钢制造。

第二点:从强度等级上看:高强螺栓,使用日益广泛。常用8.8和10.9两个强度等级,其中10.9级居多。普通螺栓强度等级要低,一般为4.4级、4.8级、5.6级。(8.8S和10.9S为钢结构专用)。

6、 高强度螺栓生产:

高强螺栓所选用的线材是45号钢等等,对于该螺丝进行热处理的时候是采用C1035进行加硬处理的,这种加硬处理的方法一般可以达到22–32HRC这种高强度。

对于这种高强螺栓8.8级对应8级螺母,10.9级对应10级螺母。很多人都是会问为什么螺母的使用比螺丝的硬度低呢?这个是有原因的,在使用的过程中,为了能够保护高强螺栓,延长使用寿命,在不断拆卸的过程中肯定是会有一定的磨损的,当8级螺母的硬度比较低,这样就能够有效的保护到螺丝,在对于这类紧固件的使用成本中,这样的搭配是比较合理的,就像跟扳手的硬度相比时扳手的硬度是最高的是一样的道理的。可以说对于高强螺栓的生产有着非常高的水平,如今高强螺栓在工业上,汽车行业中都有着广泛的运用,对于该类螺丝的生产技术要求也是越来越高。

7、 高强度螺栓计算:

高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力,拧紧螺帽时产生预拉力很小,其影响可以忽略不计,而高强螺栓除了其材料强度很高之外,还给螺栓施加很大预拉力,使连接构件间产生挤压力,从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力,而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。

根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12,常用M16~M30,超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。

高强螺栓是指螺栓的等级硬底等性能比较强,也叫高强度螺栓。一般是指8.8级以上的.比如说10.9级螺栓,12.9级螺栓.都是硬度性能很强的,扛扭力性能很强的。

高强螺栓长度一般计算式如下:

L=L''+△L
其中△L=M+NS+3P
式中L—高强螺栓的长度;
L''—连接板层总厚度;
△L—附加长度,即紧固长度加长值;
M—高强螺母公称厚度;
N—垫圈个数,扭剪型高强螺栓为1,高强大六角头螺栓为2
S—高强度垫圈公称厚度
P—螺纹的螺距。
高强螺栓的紧固长度加长值=螺栓长度-板层厚度。一般按连接板厚加表L的加
长值,并取5mm的整倍数。

高强度螺栓施工前,应按出厂批复验高强度螺栓连接副的扭矩系数,每批复验8套,8套扭矩系数的平均值应在0.110~0.150范围之内,其标准偏差应小于或等于0.010。其扭矩系数复检方法按GB50205《钢结构工程施工质量验收规范》规定进行。试验后应在较短的时间内进行高强度螺栓的安装。

高强度螺栓的施工扭矩按下式计算确定:

Tc=1.05k·Pc·d
Tc—施工扭矩(N·m);
k—高强度螺栓连接副的扭矩系数的平均值;
Pc—高强度螺栓施工预拉力(kN),见表1;
d—高强度螺栓螺杆直径(mm);
表1 高强度螺栓施工预拉力Pc (kN)
高强度螺栓施工前所用的扭矩扳手,在使用前必须校正,其扭矩误差不得大于±5% ,合格后方准使用。校正用的扭矩扳手,其扭矩误差不得大于±3% 。

8、加工工艺:

镀前工艺

热轧盘条-(冷拨)-球化(软化)退火-机械除鳞-酸洗-冷拨-冷锻成形-螺纹加工-热处理-检验

1、钢材设计

在紧固件制造中,正确选用紧固件材料是重要一环,因为紧固件的性能和其材料有着密切的关系。如材料选择不当或不正确,可能造成性能达不到要求,使用寿命缩短,甚至发生意外或加工困难,制造成本高等,因此紧固件材料的选用是非常重要的环节。 冷镦钢是采用冷镦成型工艺生产的互换性较高的紧固件用钢。由于它是常温下利用金属塑性加工成型,每个零件的变形量很大,承受的变形速度也高,因此,对冷镦钢原料的性能要求十分严格。

在长期生产实践和用户使用调研的基础上,结合 GB/T6478-2001 《冷镦和冷挤压用钢技术条件》 GB/T699-1999 《优质碳素结构钢》及目标 JISG3507-1991 《冷镦钢用碳素钢盘条》的特点,以 8.8 级, 9.8 级螺栓螺钉的材料要求为例,各种化学元素的确定。 C 含量过高,冷成形性能将降低;太低则无法满足零件机械性能的要求,因此定为 0.25 %- 0.55 %。 Mn 能提高钢的渗透性,但添加过多则会强化基体组织而影响冷成形性能;在零件调质时有促进奥氏体晶粒长大的倾向,故在国际的基础上适当提高,定为 0.45 %- 0.80 %。 Si 能强化铁素体,促使冷成形性能降低,材料延伸率下降定为 Si 小于等于 0.30 %。 S.P. 为杂质元素,它们的存在会沿晶界产生偏析,导致晶界脆化,损害钢材的机械性能,应尽可能降低,定为 P 小于等于 0.030 %, S 小于等于 0.035 %。 B. 含硼量最大值均为 0.005 %,因为硼元素虽然具有显著提高钢材渗透性等作用,但同时会导致钢材脆性增加。含硼量过高,对螺栓,螺钉和螺柱这类需要良好综合机械性能的工件是十分不利的。

2、球化退火

沉头螺钉,内六角圆柱头螺栓采用冷镦工艺生产时,钢材的原始组织会直接影响着冷镦加工时的成形能力。冷镦过程中局部区域的塑性变形可达 60 %- 80 %,为此要求钢材必须具有良好的塑性。

当钢材的化学成分一定时,金相组织就是决定塑性优劣的关键性因素,通常认为粗大片状珠光体不利于冷镦成形,而细小的球状珠光体可显著地提高钢材塑性变形的能力。对高强度螺栓用量较多的中碳钢和中碳合金钢,在冷镦前进行球化(软化)退火,以便获得均匀细致的球化珠光体,以更好地满足实际生产需要。 对中碳钢盘条软化退火而言,其加热温度多选择在该钢材临界点上下保温,加热温度一般不能太高,否则会产生三次渗碳体沿晶界析出,造成冷镦开裂,而对于中碳合金钢的盘条采用等温球化退火,在 AC1+(20-30%) 加热后,炉冷到略低于 Ar1 ,温度约 700 摄氏度等温一段时间,然后炉冷至 500 摄氏度左右出炉空冷。钢材的金相组织由粗变细,由片状变球状,冷镦开裂率将大大减少。35\45\ML35\SWRCH35K 钢软化退火温度一般区域为 715 - 735 摄氏度;而 SCM435\40Cr\SCR435 钢球化退火加热温度一般区域为 740 - 770 摄氏度,等温温度 680 - 700 摄氏度。 

3、剥壳除鳞

冷镦钢盘条去除氧化铁板工序为剥亮,除鳞,有机械除鳞和化学酸洗两种方法。用机械除鳞取代盘条的化学酸洗工序,既提高了生产率,又减少了环境污染。此除鳞过程包括弯曲法(普遍使用带三角形凹槽的圆轮反覆弯曲盘条),喷九法等,除鳞效果较好,但不能使残余铁鳞去净(氧化铁皮清除率为 97 %),尤其是氧化铁皮粘附性很强时,因此,机械除鳞受铁皮厚度,结构和应力状态的影响,使用于低强度紧固件(小于等于 6.8 级)用的碳钢盘条。

高强度螺栓(大于等于 8.8 级)用盘条在机械除鳞后,为除净所有的氧化铁皮,再经化学酸洗工序即复合除鳞。 对低碳钢盘条而言,机械除鳞残留的铁皮容易造成粒拔模不均匀磨损。当粒拔模孔由于盘条钢丝摩擦外温时粘附上铁皮,使盘条钢丝表面产生纵向粒痕,盘条钢丝冷镦凸缘螺栓或圆柱头螺钉时,头部出现微裂纹的原因, 95 %以上是钢丝表面在拉拔过程中产生的划痕所引起。因此,机械除鳞法不宜用来高速拉拔。 

4、拉拔

拉拔工序有两个目的,一是改制原材料的尺寸;二是通过变形强化作用使紧固件获得基本的机械性能,对于中碳钢,中碳合金钢还有一个目的,即是使盘条控冷后得到的片状渗碳体在拉拔过程中尽可能的破解,为随后的球化(软化)退火得到粒状渗碳体做好准备,然而,有些厂家为降低成本,任意减少拉拔道次,过大的减面率增加了盘条钢丝的加工硬化倾向,直接影响了盘条钢丝的冷镦性能。

如果各道次的减面率分配不合适,也会使盘条钢丝在拉拔过程中产生扭转裂纹,这种沿钢丝纵向分布,周期一定的裂纹在钢丝冷镦过程中暴露。此外,拉拔过程中如润滑不好,也可造成冷拔盘条钢丝有规律地出现横裂纹。 盘条钢丝出出粒丝模口上卷同时的切线方向与拉丝模不同心,会造成拉丝模单边孔型的磨损加剧,使内孔失圆,造成钢丝圆周方向的拉拔变形不均匀,使钢丝的圆度超差,在冷镦过程中钢丝横截面应力不均匀而影响冷镦合格率。

盘条钢丝拉拔过程中,过大的部分减面率使钢丝的表面质量恶化,而过低的减面率却不利于片状渗碳体的破碎,难以获得尽可能多的粒状渗碳体,即渗碳体的球化率低,对钢丝的冷镦性能极为不利,采用拉拔方式生产的棒料和盘条钢丝,部分减面率直控制在 10 %- 15 %的范围内。 

5、冷锻成形

通常,螺栓头部的成形采用冷镦塑性加工,同切削加工相比,金属纤维(金属留线)沿产品形状呈连续状,中间无切断,因而提高了产品强度,特别是机械性能优良。 冷镦成形工艺包括切料与成形,分单工位单击,双击冷镦和多工位自动冷镦。一台自动冷镦机分别在几个成型凹模里进行冲压,镦锻,挤压和缩径等多工位工艺。 单工位或多工位自动冷镦机使用的原始毛坯的加工特点是由材料尺寸长 5 - 6 米的棒料或重量为 1900 - 2000KG 的盘条钢丝的尺寸决定的,即加工工艺的特点在于冷镦成型不是采用预先切好的单件毛坯,而是采用自动冷镦机本身由棒料和盘条钢丝切取和镦粗的(必要时)毛坯。 在挤压型腔之前,毛坯必须进行整形。通过整形可得到符合工艺要求的毛坯。在镦锻,缩径和正挤压之前,毛坯不需整形。毛坯切断后,送到镦粗整形工位。该工位可提高毛坯的质量,可使下一个工位的成型力降低 15 - 17 %,并能延长模具寿命,制造螺栓可采用多次缩径。

冷镦成型所能达到的精度还同成型方法的选择和所采用的工序有关。此外,它还取决于所用的设备的结构特点,工艺特点及其状态,工模具精度,寿命和磨损程度。 冷镦成型和挤压使用的高合金钢,硬质合金模具的工作表面粗糙度不应大 Ra=0.2um, 这类模具工作表面的粗糙度达到 Ra=0.025-0.050um 时,具有最高寿命。 

6、螺纹加工 

螺栓螺纹一般采用冷加工,使一定直径范围内的螺纹坯料通过搓(滚)丝板(模),由丝板(滚模)压力使螺纹成形。可获得螺纹部分的塑性流线不被切断,强度增加,精度高,质量均一的产品,因而被广泛采用。 为了制出最终产品的螺纹外径,所需要的螺纹坯径是不同的,因为它受螺纹精度,材料有无镀层等因素限制。 滚(搓)压螺纹是指利用塑性变形使螺纹牙成形的加工方法。它是用带有和被加工的螺纹同样螺距和牙形的滚压(搓丝板)模具,一边挤压圆柱形螺坯,一边使螺坯转动,最终将滚压模具上的牙形转移到螺坯上,使螺纹成形。

滚(搓)压螺纹加工的共同点是滚动转数不必太多,如果过多,则效率低,螺纹牙表面容易产生分离现象或者乱扣现象。反之,如果转数太少,螺纹直径容易失圆,滚压初期压力异常增高,造成模具寿命缩短。滚压螺纹常见的缺陷:螺纹部分表面裂纹或划伤;乱扣;螺纹部分失圆。这些缺陷若大量发生,就会在加工阶段被发现。如果发生的数量较少,生产过程注意不到这些缺陷就会流通到用户,造成麻烦。因此,应归纳加工条件的关键问题,在生产过程控制这些关键因素。

7、处理 

高强度紧固件根据技术要求都要进行调质处理。热处理调质是为了提高紧固件的综合机械性能,以满足产品规定的抗拉强度值和屈强比。 热处理工艺对高强度紧固件尤其是它的内在质量有着至关重要的影响,因此,要想生产出优质的高强度紧固件,必须要有先进的热处理技术装备。 由于高强度螺栓生产量大,价格低廉,螺纹部分又是比较细微相对精密的结构,因此,要求热处理设备必须具备生产能力大,自动化程度高,热处理质量好的能力。

进入 20 世纪 90 年代以来带有保护气氛的连续式热处理生产线已占主导地位,震底式,网带炉尤其适用于中小规格紧固件的热处理调质。调质线除了炉子密封性能好以外,还具有先进的气氛,温度和工艺参数计算机控制,设备故障报警和显示功能。高强度紧固件从上料-清洗-加热-淬火-清洗-回火-着色到下线,全部自动控制运行,有效保证了热处理质量。 螺纹的脱碳会导致紧固件在未达到机械性能要求的抗力时先发生脱扣,使螺纹紧固件失效,缩短使用寿命。由于原料的脱碳,如果退火不当,更会使原材料脱碳层加深。调质热处理过程中,一般会从炉外带进来一些氧化气体。棒料钢丝的铁锈或冷拔后盘条钢丝表面上的残留物,入炉加热后也会分解,反应生成一些氧化性气体。例如,钢丝的表面铁锈,它的成分是碳酸铁及氢氧化物,在加热后将分解成CO₂及H₂O,从而加重了脱碳。研究表明,中碳合金钢的脱碳程度较碳钢严重,而最快的脱碳温度在 700 - 800 摄氏度之间。由于钢丝表面的附着物在一定条件下分解化合成二氧化碳和水的速度很快,如果连续式网带炉炉气控制不当,也会造成螺丝脱碳超差。

高强度螺栓当采用冷镦成形时,原材料和退火的脱碳层不但仍然存在,而且被挤压到螺纹的顶部,对于需要淬火的紧固件表面,得不到所要求的硬度,其机械性能(特别是强度和耐磨性)降低。另外,钢丝表面脱碳,表层与内部组织不同而具有不同的膨胀系数,淬火时有可能产生表面裂纹。 为此,在淬火加热时要保护螺纹顶部不脱碳,还要对原材料已脱碳的紧固件进行适度的覆碳,把网带炉中的保护气氛的优势调到和被覆碳的零件原始含碳量基本相等,使已脱碳的紧固件慢慢恢复到原来的含碳量,碳势设定在 0.42 %- 0.48 %为宜,覆碳温度与淬火加热相同,不能在高温下进行,以免晶粒粗大,影响机械性能。 紧固件在调质淬火过程中可能出现的质量问题主要有:淬火态硬度不足;淬火态硬度不均;淬火变形超差;淬火开裂。现场出现的这类问题往往与原材料,淬火加热和淬火冷却有关,正确制订热处理工艺,规范生产操作过程,往往可以避免此类质量事故。 

8、检验:

综上所述,影响高强度紧固件品质的工艺因素有钢材设计,球化退火,剥壳除鳞,拉拨,冷镦成形,螺纹加工,热处理等方面,有时则是诸种因素的叠加。

9、 关键工序:

前处理工艺是决定高强度螺栓镍磷镀质量的关键工序,此工序的目的是去除螺栓表面钝化层并阻止钝化膜的再生。该工序的执行状况直接决定了基体与镀层结合的好坏程度。针对生产中出现的质量事故大部分是由于螺栓前处理不良造成。在施镀前必须认真地除尽螺栓表面附着的油污、锈迹和氧化皮;与电镀的区别是应更仔细检验,对处理不净的螺栓绝对不允许镀覆。

  1. 螺栓的检查;目测检查螺栓表面质量,要求任何加工留下的毛刺必须去除,尖锐的棱角边缘须倒圆。
  2. 手工除油;保证基体表面无油渍。
  3. 浸泡除油;将螺栓放入碱水煮以去除表面油污。
  4. 酸洗;为防止碱性除油溶液污染闪镀镍镀槽,在闪镀镍前用酸洗液进行电活化处理。
  5. 电活化;用酸溶液进行电活化处理。
  6. 闪镀镍;对低合金钢都应该采用闪镀镍,以增加镀层与基体之间的结合强度。

10、后工序:

镍磷镀后处理包括驱氢、抛光两个主要工序。

①驱氢;按有关标准的规定,镀后驱氢温度为200±10℃,处理时间2h。200℃有利于消除氢脆,松弛内应力,提高镀层与基体的结合力,改善镀层的耐腐蚀性能。

②抛光;抛光的螺栓外观光亮,但为更好地提高镀层质量,平整微小的痕迹,得到光亮似镜面的表面,需用抛光机抛光镀层。

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