Introducción a la ciencia: Comprensión del tratamiento térmico del tornillo: un paso clave para determinar la fuerza y ​​la dureza

Como componentes centrales de las conexiones mecánicas, el rendimiento del tornillo determina directamente la confiabilidad y la seguridad del equipo. El tratamiento térmico es un proceso crítico que modifica la estructura interna de los tornillos controlando los procesos de calentamiento, aislamiento y enfriamiento para lograr las propiedades mecánicas deseadas (como resistencia, dureza y tenacidad). Los tornillos hechos de diferentes materiales (como acero al carbono, acero de aleación y acero inoxidable) requieren soluciones de tratamiento térmico a medida para cumplir con los requisitos de diversas aplicaciones (como automotriz, construcción y aeroespacial).

El propósito central del tratamiento térmico de tornillo

Los tornillos deben soportar cargas como tensión, cizallamiento e impacto durante la operación, y algunos también deben soportar entornos duros como corrosión y altas temperaturas. El objetivo central del tratamiento térmico es lograr un equilibrio entre la fuerza y ​​la dureza, que se puede clasificar en tres categorías principales:

Mejora del rendimiento (el objetivo más importante): Al modificar la estructura interna (como formar martensita o sorbita), la resistencia a la tracción, la resistencia al rendimiento y la dureza del tornillo aumentan, evitando la deformación plástica o la fractura bajo carga. (Las aplicaciones típicas incluyen tornillos de bloque de motor automotrices y tornillos de conexión del puente, que deben soportar cargas altas sin deformación).

Alivie el estrés interno: Después del encabezado en frío (formación) y mecanizado, el estrés residual permanece dentro del tornillo, lo que puede conducir fácilmente a grietas o deformación dimensional durante el uso posterior. El tratamiento térmico, a través de procesos como el templado de baja temperatura y el recocido de alivio del estrés, puede liberar estas tensiones internas y garantizar la estabilidad dimensional. (Caso de uso típico: los micro tornillos utilizados en instrumentos de precisión requieren una precisión dimensional extremadamente alta (por ejemplo, tolerancias de ± 0.01 mm).

Mejora de la maquinabilidad: Algunos materiales de alta duración (como el acero alto en carbono) son difíciles de mecanizar directamente. El recocido puede reducir la dureza y aumentar la plasticidad, facilitando el rumbo del frío o el roscado. El enfriamiento y el templado se pueden usar para aumentar la resistencia. (Caso de uso típico: los tornillos de acero de 45# se recocen antes de formarse (para reducir la dureza a HB180-220), seguido de enfriamiento y templado después del mecanizado (para aumentar la dureza a HRC35-40).

Materiales de tornillo comunes y procesos de tratamiento térmico correspondientes

La elección del material de tornillo determina la ruta del tratamiento térmico. Las diferencias en la composición (como el contenido de carbono y los elementos de aleación) entre diferentes materiales conducen a características de transformación de fase completamente diferentes y requisitos de rendimiento. Las siguientes son combinaciones de procesos para tres materiales convencionales:

Acero bajo en carbono Q235, 10# Acero: proceso de tratamiento térmico del núcleo (templamiento de baja temperatura de enfriamiento de carburación)

Acero de carbono mediano 45# acero, 35# acero: templamiento de temperatura media endurecedor

Acero estructural de aleación 40Cr, 35crmo: enfriamiento y templado (templamiento de alta temperatura)

Acero inoxidable martensítico 410, 420: apagado de temperamento de baja temperatura

Enlaces de proceso clave del tratamiento térmico de tornillo

El tratamiento con calor del tornillo requiere un control estricto de los parámetros de tres etapas de "calentamiento - retención - enfriamiento" para evitar defectos como dureza insuficiente, grietas y deformación. El siguiente es un análisis detallado del proceso central:

Pretratamiento: recocido/normalización (preparación para el procesamiento posterior o el tratamiento térmico final)

Recocido: Caliente lentamente el tornillo a 30-50 ° C por encima de AC3 (acero hipoeutectoide) o AC1 (acero hipereutectoide), mantenga por un período de tiempo y luego enfríe lentamente en el horno (velocidad de enfriamiento ≤ 50 ° C/h).

Propósito: Reduzca la dureza (por ejemplo, 45# dureza de acero ≤ HB229 después del recocido), alivie las tensiones de procesamiento y refine el tamaño del grano en preparación para el encabezado de frío o enfriamiento.

Normalización: calentamiento a una temperatura similar al recocido, pero manteniendo seguido de enfriamiento en el aire (velocidad de enfriamiento más rápido que el recocido).

Propósito: Producir una estructura de perlita más fina con una dureza ligeramente más alta que el recocido (45# dureza de acero HB170-230 después de la normalización). Adecuado para tornillos no críticos con ciertos requisitos de resistencia.

Tratamiento de fortalecimiento: templado de enfriamiento (determina las propiedades mecánicas finales del tornillo)

(Enfriamiento) logra alta dureza, pero también la fragilidad: el tornillo se calienta a la "temperatura de austenitización" (por ejemplo, 840-860 ° C para 45# acero, 830-850 ° C para acero 40cr), sostenido a esta temperatura para permitir que la microestructura se transforme completamente en austenita. El enfriamiento rápido (por ejemplo, enfriamiento de agua o aceite) permite que la austenita se transforme en martensita, aumentando significativamente la dureza.

(Templamiento) Equilibrio de la dureza y la tenacidad (el paso de "sintonización" del núcleo): el tornillo enfriado se recalienta a "temperatura sub-AC1" (no superior a 727 ° C para evitar la austenitización), se mantiene a esta temperatura, y luego se enfría parcialmente el martensito en la martensita templada, la troostita y la trotaostita y la reducción de la briticción, sin embargo, se descompone parcialmente una dureza de martensita templada.

Endurecimiento de la superficie: carburación/nitruración (para requisitos de dureza de la superficie alta)

Para tornillos de acero bajo en carbono (como 10# acero), debido a su bajo contenido de carbono (≤0.15%), el enfriamiento completo no puede lograr una alta dureza. Se requiere la carburación de la superficie para aumentar la dureza de la superficie y retener la tenacidad del núcleo.

Proceso de carburación: el tornillo se coloca en un horno de carburación (que contiene un agente de carburación como metano o propano) a 900-950 ° C durante 2-6 horas para elevar el contenido de carbono de la superficie a 0.8%-1.2%. El tornillo se enfrenta y se templa a baja temperatura.

Defectos comunes y prevención del tratamiento térmico de tornillo

Durante el proceso de tratamiento térmico, el control de parámetros inadecuado o los errores operativos harán que los tornillos se eliminen. Los defectos comunes y las medidas preventivas son los siguientes:

Dureza insuficiente

Causas: 1. Temperatura de enfriamiento demasiado baja; 2. Tiempo de retención insuficiente; 3. Velocidad de enfriamiento lenta
Medidas preventivas: 1. Establezca la temperatura de enfriamiento de acuerdo con las especificaciones del material; 2. Asegure el tiempo de retención suficiente; 3. Use el enfriamiento de agua para acero bajo en carbono y enfriamiento de aceite para acero de aleación

Grieta de apagado

Causas: 1. Velocidad de calentamiento excesiva (gran diferencia de temperatura interna y externa); 2. Tasa de enfriamiento excesiva; 3. Esquinas/grietas afiladas en el tornillo

Medidas preventivas: 1. Calentamiento lento (calentamiento por etapas); 2. Use el enfriamiento de aceite o el austemper para acero de aleación; 3. Retire las esquinas afiladas durante el procesamiento e inspeccione los defectos de la superficie por adelantado

Deformación dimensional

Causas: 1. Calefacción/enfriamiento desigual; 2. Forma asimétrica del tornillo; 3. Insuficiente templado

Medidas preventivas: 1. Use un horno de calefacción uniforme y gire el tornillo durante el enfriamiento; 2. Optimizar el diseño del tornillo (reduzca las variaciones de espesor de la pared); 3. Temperismo de inmediato después del enfriamiento.

Oxidación y descarburización

Causa: aire excesivo en el horno de calefacción, lo que lleva a la oxidación de la superficie o la pérdida de carbono.

Medidas preventivas: 1. Use un horno de atmósfera protectora (nitrógeno/hidrógeno); 2. Aplicar recubrimiento antioxidante a la superficie del tornillo antes de calentar.