一粟誓、熱處理工藝對提高螺栓疲勞強度的影響

一直以來，汽車緊固件就以品種繁多、型式多樣喷斋、規(guī)格不一的基本特征為主绩聘，它的選擇和使用涉及到結(jié)構(gòu)分析铸本、連接設(shè)計悴务、失效與疲勞分析钞艇、腐蝕要求和裝配方法剿吻，以及相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量控制與試驗等窍箍，這些因素在很大程度上決定了汽車產(chǎn)品的最終質(zhì)量與可靠性。

汽車高強度螺栓的疲勞壽命一直是受到重視的問題丽旅，數(shù)據(jù)表明螺栓的失效絕大多數(shù)是由于疲勞破壞引起的椰棘，且疲勞破壞時螺栓幾乎無征兆，因此重大事故很容易在產(chǎn)生疲勞破壞時發(fā)生榄笙。熱處理能夠優(yōu)化緊固件材料性能邪狞，使其疲勞強度提高，針對高強度螺栓越來越高的使用要求茅撞，通過熱處理提高螺栓材料的疲勞強度更顯十分重要帆卓。

1.材料疲勞裂紋的萌生

疲勞裂紋最先開始的地方稱為疲勞源，疲勞源對于螺栓微觀結(jié)構(gòu)組織很敏感米丘，能在很小的尺度下萌生疲勞裂紋鳞疲，一般在3～5個晶粒尺寸內(nèi)，螺栓表面質(zhì)量問題是主要的疲勞源蠕蚜，大部分的疲勞始于螺栓表面或者亞表面尚洽。螺栓材料晶體內(nèi)部存在的大量位錯和一些合金元素或雜質(zhì)，晶界強度差異靶累，這些因素都有可能導(dǎo)致疲勞裂紋萌生腺毫。研究表明，疲勞裂紋易發(fā)位置有：晶界挣柬、表面夾雜物或第二相顆粒潮酒、空洞，這些位置都與材料復(fù)雜多變的微觀組織有關(guān)邪蛔。如果熱處理后能夠改善微觀組織急黎，那么就能在一定程度上提高螺栓材料的疲勞強度。

2.脫碳對疲勞強度的影響

螺栓表面脫碳會降低淬火后螺栓的表面硬度、耐磨性勃教，并顯著降低螺栓疲勞強度淤击。GB/T3098.1標(biāo)準(zhǔn)中就有針對螺栓性能的脫碳試驗，并規(guī)定最大脫碳層深度故源。在分析35CrMo輪轂螺栓斷裂失效原因時污抬，發(fā)現(xiàn)在螺紋與桿部交接處是因為存在脫碳層。Fe3C在高溫下能與O2绳军、H2O印机、H2發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致螺栓材料內(nèi)部Fe3C的減少，從而增加了螺栓材料的鐵素體相门驾，降低螺栓材料強度射赛，容易引發(fā)微裂紋。在熱處理過程中控制好加熱溫度奶是，同時必須采用可控氣氛保護加熱能夠很好地解決這一問題楣责。

3.熱處理對疲勞強度的影響

螺栓表面的應(yīng)力集中會降低其表面強度，在受到交變的動載荷時诫隅，在缺口應(yīng)力集中部位不斷發(fā)生微變形和恢復(fù)的過程腐魂，且其受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無應(yīng)力集中的部位帐偎，從而容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生逐纬。

緊固件通過熱處理調(diào)質(zhì)改善顯微組織，并具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能削樊，可以提高螺栓材料的疲勞強度豁生，合理控制晶粒尺寸以保證低溫沖擊功，也能獲得較高的沖擊韌性漫贞。合理的熱處理細(xì)化晶粒甸箱，縮短晶界距離能阻止疲勞裂紋的產(chǎn)生，在材料內(nèi)部如果存在一定量的晶須或第二項顆粒迅脐，這些加入的相便可以在一定程度上阻止駐留滑移帶的滑移芍殖，從而阻止了微裂紋的萌生和擴展。

二谴蔑、熱處理用淬火介質(zhì)與加工介質(zhì)

汽車高強度緊固件在技術(shù)上有一系列特點：高精度等級豌骏；服務(wù)條件嚴(yán)酷，它將隨主機一起常年經(jīng)受嚴(yán)寒和極端溫差的影響隐锭，承受高溫窃躲、低溫的侵蝕；靜載钦睡、動載蒂窒、超載、重載和環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，除受到軸向預(yù)緊拉伸載荷的作用外洒琢，還會在工作中受到附加的拉伸交變載荷秧秉、橫向剪切交變載荷或由此復(fù)合而成的彎曲載荷的作用，有時還受到?jīng)_擊載荷纬凤；附加的橫向交變載荷會引起螺栓的松動福贞，軸向交變載荷會引起螺栓的疲勞斷裂，軸向拉伸載荷會引起螺栓的延遲斷裂停士，以及高溫條件下引起螺栓的蠕變等挖帘。

大量的失效螺栓表明，服役中為沿螺栓頭部與桿部的過渡處斷裂恋技；沿螺栓桿部螺紋與桿部交接處被拉斷拇舀；還有沿螺紋部分滑扣。金相分析：螺栓表面與心部有較多未溶鐵素體蜻底，在淬火奧氏體化不充分骄崩，基體強度不夠和應(yīng)力集中是失效的重要原因之一。為此薄辅，保證螺栓截面淬透和組織均勻性是非常重要的環(huán)節(jié)要拂。

淬火油的功能是將赤熱的金屬螺栓的熱量迅速帶走，使之降至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下獲得高硬度的馬氏體組織和硬化層深度站楚，同時亦要兼顧減少螺栓的變形和防止開裂脱惰。因此淬火油的基本特性就是“冷卻特性”，其特點就是高溫階段的冷速較快窿春，而低溫階段冷速較慢拉一，這一特性很適合合金結(jié)構(gòu)鋼≥10.9級以上高強度螺栓的淬火要求。

快速淬火油在使用中因產(chǎn)生熱分解旧乞，氧化和聚合反應(yīng)蔚润，從而導(dǎo)致冷卻特性的變化，油中含有微量水分將嚴(yán)重影響油的冷卻性能尺栖，造成淬火后緊固件光亮度下降嫡纠，硬度不均，產(chǎn)生軟點甚至開裂傾向延赌。研究表明除盏，油淬產(chǎn)生的變形問題部分是因油中含水造成的。此外皮胡，油中含水還加速了油的乳化變質(zhì)和促進油中添加劑的失效痴颊。當(dāng)油中含水量≥0.1%時，油受到加熱時有可能使聚集在油槽底部的水達(dá)到沸點后屡贺，體積突然膨脹蠢棱，易造成油溢出淬火油槽而引發(fā)火災(zāi)锌杀。

對于連續(xù)式網(wǎng)帶爐使用的快速淬火油，根據(jù)3個月間隔試驗所積累的淬火特性數(shù)據(jù)泻仙，有可能建立油的穩(wěn)定性及淬火特性圖糕再，確定淬火油的合適使用壽命，預(yù)測與淬火油性能變化有關(guān)的問題玉转，從而減少因淬火油性能變化造成的返工或廢品損失突想，使其成為生產(chǎn)的一種常規(guī)控制方法。而淬透深度直接影響著熱處理后螺栓的質(zhì)量究抓，當(dāng)材料的淬透性較差猾担，冷卻介質(zhì)的冷速較慢而螺栓尺寸又較大時，淬火時螺栓心部不可能全部淬成馬氏體組織刺下，降低了心部區(qū)域的強度水平绑嘹，尤其是屈服強度。這對于沿整個截面承受均勻分布拉伸應(yīng)力的螺栓而言橘茉，顯然是非常不利的工腋。淬透性不足降低了強度，金相檢驗發(fā)現(xiàn)畅卓，心部存在先共析鐵素體和網(wǎng)狀鐵素體組織擅腰，說明螺栓淬透性需要加強。眾所周知翁潘，增加淬透性的兩種方式趁冈，提高淬火溫度；增加淬火介質(zhì)的淬硬能力唐础，都能有效增加螺栓的淬透深度箱歧。

好富頓公司在原中等冷速淬火油,Houghto-Quench G的基礎(chǔ)上特別開發(fā)快速淬火油,Houghto-Quench K2000進一步提高了其淬硬能力矾飞，尤其適合使用在緊固件的淬火冷卻上一膨，能獲得滿意的淬透深度。

快速淬火油的蒸汽膜階段短洒沦，也就是油的高溫階段冷卻得快豹绪，這一特點有利于10B33、45鋼≤M20螺栓申眼、M42螺母獲得較深的淬硬層瞒津，而對于SWRCH35K、10B28鋼則減薄為≤M12螺栓括尸、M30螺母才能保證心部硬度與表面硬度有較小的差異巷蚪。從冷卻速度分布上分析，除中濒翻、高溫階段要求冷卻的快以外屁柏，油的低溫冷卻速度高低對獲得淬硬層深淺作用更大啦膜，低溫冷卻速度越高，淬硬層往往越深淌喻。這對于高強度緊固件整個截面均勻承受載荷僧家，要求在淬硬狀態(tài)下，回火前獲得約90%的馬氏體組織裸删，十分有利八拱。考核的指標(biāo)有閃點涯塔、粘度肌稻、酸值、抗氧化性匕荸、殘?zhí)嫉破肌⒒曳帧⒂湍嗝看稀⒋慊鹄鋮s速度旦棉、淬火光亮性等近20多個指標(biāo)。

對于較大規(guī)格螺栓還是以PAG淬火劑為主药薯，滿足大部分產(chǎn)品的淬火要求绑洛， PAG淬火劑在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)處于沸騰階段，冷卻速度大且有較大風(fēng)險童本，它可以通過濃度調(diào)整后真屯，在關(guān)鍵指標(biāo)300℃左右的冷速，在這個溫度點的冷速越低穷娱，防止淬裂的能力就越強绑蔫，適用的鋼種就多。在使用過程中的對流冷速穩(wěn)定性泵额，是保證淬火質(zhì)量最重要的因素配深。

在早期失效螺栓的試樣上，還可見在斷裂螺栓靠近斷口的螺紋上均存在著裂紋缺陷嫁盲，主要是螺栓的滾壓工藝不當(dāng)篓叶，在輾制螺紋的冷成形過程中金屬塑性流變匯合后而折疊所致；在螺紋牙底也可見存在深淺不一的微裂紋羞秤，加工積屑瘤的形成了應(yīng)力集中區(qū)缸托。GB/T5770.3-2000《緊固件表面缺陷螺栓、螺釘和螺柱特殊要求》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定瘾蛋，對于承受應(yīng)力的螺栓螺紋中徑以上深度不大于螺紋牙形高度的四分之一的折疊是允許的俐镐；螺紋牙底的折疊和積屑瘤是不允許的缺陷，而折疊是螺栓斷裂的主要原因之一哺哼。使用好富頓公司極壓潤滑劑進行螺栓螺紋加工佩抹，能夠有效防止積屑瘤奇唤，減少應(yīng)力集中，從而有助于提高螺栓的疲勞壽命匹摇。

三咬扇、汽車緊固件的表面防護及技術(shù)發(fā)展

汽車上的緊固件，尤其是緊固螺栓廊勃、管箍懈贺、彈性夾等在使用過程中處于及其惡劣的環(huán)境下，通常腐蝕比較嚴(yán)重坡垫，甚至由于銹蝕導(dǎo)致拆卸困難梭灿。因此，要求緊固件必須具有良好的防腐性能冰悠。目前采用的比較普遍的方法是對其表面進行電鍍鋅堡妒、鋅鎳合金、磷化溉卓、發(fā)黑及達(dá)克羅等處理皮迟。由于對汽車緊固件表面涂鍍層中的六價鉻含量的限制，不符合環(huán)保指令標(biāo)準(zhǔn)桑寨，含有害物質(zhì)的產(chǎn)品均不允許進入市場伏尼，這對汽車緊固件表面處理的創(chuàng)新能力提出了空前高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保要求。

1.水性鋅鋁涂層久美特

環(huán)保型新涂層技術(shù)—片狀鋅鋁涂層久美特尉尾，恩歐富集團公司在30多年達(dá)克羅（DACROMET）表面防銹技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上爆阶，經(jīng)過多年的研究開發(fā)，研制出了完全無鉻的表面處理新技術(shù)---久美特（GEOMET）沙咏。

防銹機理辨图，久美特處理的皮膜結(jié)構(gòu)也與達(dá)克羅處理的皮膜相同，金屬片呈層狀重疊肢藐，形成了利用硅系粘合劑結(jié)合起來的皮膜故河，從而將基材被覆蓋起來。

久美特的優(yōu)點:導(dǎo)電性窖壕，高強度的金屬薄片使得久美特的螺栓具有導(dǎo)電性忧勿。油漆適應(yīng)性杉女，久美特可作為包括電鍍在內(nèi)的大多數(shù)油漆的底涂瞻讽。環(huán)保，水性溶液熏挎，不含有鉻速勇，且無廢水產(chǎn)生，無有害物質(zhì)排放至空氣坎拐。優(yōu)良的耐腐蝕性烦磁，只需6～8μm膜厚养匈，就可以達(dá)到鹽霧試驗1000h以上。耐熱性都伪，無機皮膜呕乎，并且皮膜不含有水分。無氫脆工藝陨晶，無酸和電解的涂覆工藝過程猬仁，避免同普通電鍍工藝一樣產(chǎn)生氫脆。

摩擦系數(shù)的穩(wěn)定對汽車緊固件裝配至關(guān)重要先誉。水性片狀鋅鋁涂層針對摩擦系數(shù)的解決方案湿刽，在鋅鋁涂層的基礎(chǔ)上，涂覆具有潤滑功能的水性無機面涂層---PLUS褐耳，PLUS種類及摩擦系數(shù)范圍見表1诈闺。

表1     PLUS種類及摩擦系數(shù)范圍

 

PLUS種類	摩擦系數(shù)范圍（ISO16047）
PLUS XL	0.06～0.09
PLUS L	0.08～0.14
PLUS VL	0.09～0.14
PLUS ML	0.10～0.16
PLUS M	0.12～0.18

2.電泳涂裝技術(shù)

近年來，一些汽車公司的部分緊固件采用電泳涂裝替代電鍍后的鈍化處理铃芦。電泳涂裝的原理簡單的來說雅镊，就是“異性相吸”，也就像磁鐵一樣刃滓。陽極電泳被涂螺栓在陽極漓穿，涂料帶負(fù)電；而陰極電泳涂螺栓在陰極注盈，涂料帶正電晃危。眾所周知，電泳涂裝機械化程度高老客、環(huán)保僚饭、漆膜具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。水資源回收再利用胧砰，減少排放量鳍鸵；加強重金屬回收減少排放；減少VOC（揮發(fā)性有機物）的排放尉间；減少能源消耗（水偿乖、電、燃料等）哲嘲，符合環(huán)保要求前提下贪薪，降低成本并提高品質(zhì)。

在汽車零部件及緊固件上已應(yīng)用數(shù)年眠副，電泳涂裝工藝比較成熟画切，是取代電鍍的產(chǎn)品，PPGElect ropolyseal緊固件專用電泳涂裝料囱怕，EPll/SST 120～200h陽極電泳霍弹、EPlll/SST 200～300h陰極電泳毫别、EPlV/SST 500～1000h陰極電泳、EP V/SST 1000～1500h陰極電泳典格；還有ZiNC Rich coating 富鋅有機涂層（可導(dǎo)電）岛宦。

隨著技術(shù)的發(fā)展，除具有優(yōu)異的耐腐蝕性能的陰極電泳涂裝外耍缴，具有一定耐候性的陽極電泳涂裝恋博、邊緣耐腐蝕性陰極電泳涂裝等也在生產(chǎn)線上得到了實際應(yīng)用。目前PPG的電泳涂料系列已得到多家汽車制造公司認(rèn)可私恬，將一系列規(guī)范采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)债沮，S424改為S451，如福特公司W(wǎng)SS-M21P41-A2本鸣，S451疫衩；通用公司GM6047 code G；克萊斯勒公司PS-7902 Mcthod C荣德。

采用電泳涂裝的好處闷煤，有利于環(huán)保。電泳涂裝采用水性涂料涮瞻，鈍化采用三價鉻鲤拿；提高產(chǎn)品的耐腐蝕性，卓越的附著力署咽；無塞孔近顷、不塞螺牙、膜厚均一宁否、一致的扭矩值窒升；傳統(tǒng)的電鍍+鈍化工藝，鹽霧試驗達(dá)到144h左右慕匠。采用鋅系磷化+富鋅底漆+陰極電泳涂裝工藝后饱须，鹽霧試驗可達(dá)到1000h以上，若采用電鍍+陰極電泳涂裝工藝台谊，鹽霧試驗可達(dá)到500h以上（見表2）

表2 幾種膜層鹽霧試驗結(jié)果比較

 

工藝	Zn磷化+陽極電泳	Zn磷化+陰極電泳	Zn磷化+富鋅底漆+陰極電泳	電鍍+陰極電泳+面漆
鹽霧試驗/h	120	200～300	1000～1500	500～1000

四蓉媳、結(jié)語

未來汽車緊固件發(fā)展將更加個性化，熱處理工藝更加凸顯服務(wù)特色锅铅，智能化酪呻、綠色化、輕量化技術(shù)都將扮演著重要角色狠角。技術(shù)和裝備的發(fā)展是先進制造業(yè)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)号杠，發(fā)展空間還很大，要縮小與國外先進水平的差距丰歌，任務(wù)還很艱巨姨蟋，任重道遠(yuǎn)。(作者：張先鳴 單位：湖南冷水江天寶實業(yè)有限公司)

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志