镍合金紧固件加工及热处理

镍合金高温合金是一种能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能[1]。

GH4080A 镍合金（DIN EN 标准中NiCr20TiAl）以Ni 基含量≥65%，18%～21%Cr 形成铬镍奥氏体基体高温合金，GH4080A 原材料化学成分见表1。主要应用于汽车、摩托车发动机高温工作服役区域高温紧固件，如车用涡轮增压器连接部位，该区域服役的零部件及总成承担着车辆驱动动力的能量产生与转变、动能输出、燃料输送和高温排放气体的高速流动及循环。镍基高温紧固件规格在M6～M12 螺栓和螺柱。高温持久拉伸要求：1）按照标准ASME SB637 必须满足，试样在760℃下，应力325MPa 下，保持23 小时试样不允许出现断裂，然后采用逐渐增加应力的方式拉断试样，4D 断后伸长率不小于3.5%。2）按照标准GB/T 需满足，试样在750℃下，应力340MPa 下，保持30 小时试样不允许出现断裂。为此，设计完整的紧固件加工工艺及热处理制度就很有必要。

表1 GH4080A原材料化学成分（执行标准GB/T）

1 紧固件的加工工艺

螺栓类产品加工工艺：原材料→固溶→涂覆→拉拔→冷镦（热镦）→车加工→搓丝→热处理→表面处理。

螺纹配合精度等级6g6H，螺纹成形方式主是为塑性成型法（如搓丝、滚丝等），而滚压螺纹为镍合金螺栓在成型过程中关键加工技术之一。滚压螺纹是用成型滚压轮模具通过塑性变形而获得螺纹的加工方法，此方法使材料组织发生转移，但并没有破坏金属的纤维结构，同时细化了材料晶粒，提高了螺纹的硬度和强度，螺纹牙顶、牙底部分不允许存在折叠裂纹，且完全避免螺栓杆部弯曲、变形，应力集中等此类质量问题。

在车辆发动机领域中，对高温螺栓的可靠性及寿命提出了更高要求，其中对检验螺纹合格与否的方法之一就是检测螺栓及螺纹的流线。流线是金属在成形过程中杂质、化合物、偏析、晶界等沿着主伸长方向形成的一种组织形貌。在实际应用时，镦锻的流线分布不合理，如流线出现切断、涡流、穿流以及流线露头时，将导致螺栓的力学性能下降，缩短螺栓服役寿命；当螺栓的流线分布合理时，可提高螺栓的强度和抗疲劳性能，检测螺栓的流线是否正常就尤为重要。

对于由盘条机械加工成型、或冷镦和热锻的镍合金螺栓，热处理应该在成型过程中进行，并且在热处理前或后、或者在固溶退火（AT）和沉淀时效（P）之间滚压螺纹。

螺纹连接中的紧固件通常通过施加扭矩产生预紧力，因此，对镍合金螺栓进行润滑十分关键，以避免在紧固过程中出现磨损或咬合现象。通过适当的表面精饰（润滑或涂/镀层或带有润滑的涂/镀层），涂蜡/或涂MoS2，控制镍合金紧固件扭矩～夹紧力关系，在这种情况下，标记和/或标签中在产品代号后紧跟字母“Lu”，在紧固过程中，一些参数可能会增加镍合金紧固件的磨损风险，如螺纹损坏、高预载荷、高拧紧速度等。为此，应选择适当的拧紧措施和方法，以达到所需的预紧力。

2 镍合金紧固件的热处理

镍合金紧固件尽管有大量的含镍、含铬元素的材料牌号选择，但是还必须通过正确的热处理手段，才能更好地发挥镍合金的功能。可以说，热处理生产是提高镍合金紧固件品质和使用可靠性的重要保证[2]。

GH4080A（NiCr20TiAl） 镍合金须采用固溶强化、第二相强化和晶界强化三类手段对合金进行综合强化[3]。基本热处理制度为固溶处理+时效处理；固溶处理可使强化相γ′相和碳化物固溶，获得最佳的持久蠕变强度；时效处理可以有效的析出沉淀相，类型、数量与尺寸和所要求的强度、塑性、韧性的配合。固溶处理：1070 ℃～1090 ℃X8h，空冷；时效处理温度：840～860 ℃X24h+690～720 ℃X16h 二 次 时 效，（或690～700℃X16h)，空冷处理。合金在固溶组织的基础上经700℃±5℃，16h，晶界上的M7C3 继续转变为M23C6碳化物，所以在晶界上沉淀出叫连续的M23C6碳化物，晶内的γ′相也长大成球形质点。研究表明，晶粒度对GH4080A 镍合金的疲劳强度影响明显，表面细晶组织可以提高疲劳裂纹的萌生抗力，内部的粗晶组织有利于提高疲劳裂纹的扩展抗力。晶粒度不仅影响试样的疲劳寿命；也影响试样的疲劳强度，晶粒度越小，单位体能内晶界数量越多，对裂纹萌生的阻碍作用越明显。

GH4080A 镍合金紧固件室温性能见表2；车辆发动机GH4080A 紧固件热处理制度及技术要求见表3；GH4080A（NiCr20TiAl）镍合金热处理微观金相组织为γ′相+M23C6碳化物（图1）。

文章来源：《材料热处理学报》 网址: http://www.clrclxbzz.cn/qikandaodu/2021/0315/559.html