一、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、規(guī)格不一的基本特征為主，它的選擇和使用涉及到結(jié)構(gòu)分析、連接設(shè)計、失效與疲勞分析、腐蝕要求和裝配方法，以及相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量控制與試驗等，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，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，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。熱處理能夠優(yōu)化緊固件材料性能，使其疲勞強度提高，針對高強度螺栓越來越高的使用要求，通過熱處理提高螺栓材料的疲勞強度更顯十分重要。
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，能在很小的尺度下萌生疲勞裂紋，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，大部分的疲勞始于螺栓表面或者亞表面。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，這些因素都有可能導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。研究表明，疲勞裂紋易發(fā)位置有：晶界、表面夾雜物或第二相顆粒、空洞，這些位置都與材料復(fù)雜多變的微觀組織有關(guān)。如果熱處理后能夠改善微觀組織，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，并顯著降低螺栓疲勞強度。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。在分析35CrMo輪轂螺栓斷裂失效原因時，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、H2O、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，降低螺栓材料強度，容易引發(fā)微裂紋。在熱處理過程中控制好加熱溫度，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。
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，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，且其受到的應(yīng)力遠遠大于無應(yīng)力集中的部位，從而容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。
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，可以提高螺栓材料的疲勞強度，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。合理的熱處理細化晶粒，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，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，從而阻止了微裂紋的萌生和擴展。
二、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；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，承受高溫、低溫的侵蝕；靜載、動載、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，還會在工作中受到附加的拉伸交變載荷、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；附加的橫向交變載荷會引起螺栓的松動，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，以及高溫條件下引起螺栓的蠕變等。
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；沿螺栓桿部螺紋與桿部交接處被拉斷；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，在淬火奧氏體化不充分，基體強度不夠和應(yīng)力集中是失效的重要原因之一。為此，保證螺栓截面淬透和組織均勻性是非常重要的環(huán)節(jié)。
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，同時亦要兼顧減少螺栓的變形和防止開裂。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，而低溫階段冷速較慢，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，氧化和聚合反應(yīng)，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，造成淬火后緊固件光亮度下降，硬度不均，產(chǎn)生軟點甚至開裂傾向。研究表明，油淬產(chǎn)生的變形問題部分是因油中含水造成的。此外，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。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到沸點后，體積突然膨脹，易造成油溢出淬火油槽而引發(fā)火災(zāi)。
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)，有可能建立油的穩(wěn)定性及淬火特性圖，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，從而減少因淬火油性能變化造成的返工或廢品損失，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，當(dāng)材料的淬透性較差，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，降低了心部區(qū)域的強度水平，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，顯然是非常不利的。淬透性不足降低了強度，金相檢驗發(fā)現(xiàn)，心部存在先共析鐵素體和網(wǎng)狀鐵素體組織，說明螺栓淬透性需要加強。眾所周知，增加淬透性的兩種方式，提高淬火溫度；增加淬火介質(zhì)的淬硬能力，都能有效增加螺栓的淬透深度。
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，尤其適合使用在緊固件的淬火冷卻上，能獲得滿意的淬透深度。
快速淬火油的蒸汽膜階段短，也就是油的高溫階段冷卻得快，這一特點有利于10B33、45鋼≤M20螺栓、M42螺母獲得較深的淬硬層，而對于SWRCH35K、10B28鋼則減薄為≤M12螺栓、M30螺母才能保證心部硬度與表面硬度有較小的差異。從冷卻速度分布上分析，除中、高溫階段要求冷卻的快以外，油的低溫冷卻速度高低對獲得淬硬層深淺作用更大，低溫冷卻速度越高，淬硬層往往越深。這對于高強度緊固件整個截面均勻承受載荷，要求在淬硬狀態(tài)下，回火前獲得約90%的馬氏體組織，十分有利。考核的指標(biāo)有閃點、粘度、酸值、抗氧化性、殘?zhí)?、灰分、油泥、淬火冷卻速度、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，滿足大部分產(chǎn)品的淬火要求， 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，它可以通過濃度調(diào)整后，在關(guān)鍵指標(biāo)300℃左右的冷速，在這個溫度點的冷速越低，防止淬裂的能力就越強，適用的鋼種就多。在使用過程中的對流冷速穩(wěn)定性，是保證淬火質(zhì)量最重要的因素。
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，主要是螺栓的滾壓工藝不當(dāng)，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，加工積屑瘤的形成了應(yīng)力集中區(qū)。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，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；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。使用好富頓公司極壓潤滑劑進行螺栓螺紋加工，能夠有效防止積屑瘤，減少應(yīng)力集中，從而有助于提高螺栓的疲勞壽命。
三、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、管箍、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，甚至由于銹蝕導(dǎo)致拆卸困難。因此，要求緊固件必須具有良好的防腐性能。目前采用的比較普遍的方法是對其表面進行電鍍鋅、鋅鎳合金、磷化、發(fā)黑及達克羅等處理。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)，含有害物質(zhì)的產(chǎn)品均不允許進入市場，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，恩歐富集團公司在30多年達克羅（DACROMET）表面防銹技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，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）。
防銹機理，久美特處理的皮膜結(jié)構(gòu)也與達克羅處理的皮膜相同，金屬片呈層狀重疊，形成了利用硅系粘合劑結(jié)合起來的皮膜，從而將基材被覆蓋起來。
久美特的優(yōu)點:導(dǎo)電性，高強度的金屬薄片使得久美特的螺栓具有導(dǎo)電性。油漆適應(yīng)性，久美特可作為包括電鍍在內(nèi)的大多數(shù)油漆的底涂。環(huán)保，水性溶液，不含有鉻，且無廢水產(chǎn)生，無有害物質(zhì)排放至空氣。優(yōu)良的耐腐蝕性，只需6～8μm膜厚，就可以達到鹽霧試驗1000h以上。耐熱性，無機皮膜，并且皮膜不含有水分。無氫脆工藝，無酸和電解的涂覆工藝過程，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。水性片狀鋅鋁涂層針對摩擦系數(shù)的解決方案，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，PLUS種類及摩擦系數(shù)范圍見表1。
表1 PLUS種類及摩擦系數(shù)范圍
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PLUS種類 |
摩擦系數(shù)范圍（ISO16047） |
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PLUS XL |
0.06～0.09 |
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PLUS L |
0.08～0.14 |
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PLUS VL |
0.09～0.14 |
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PLUS ML |
0.10～0.16 |
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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。電泳涂裝的原理簡單的來說，就是“異性相吸”，也就像磁鐵一樣。陽極電泳被涂螺栓在陽極，涂料帶負電；而陰極電泳涂螺栓在陰極，涂料帶正電。眾所周知，電泳涂裝機械化程度高、環(huán)保、漆膜具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。水資源回收再利用，減少排放量；加強重金屬回收減少排放；減少VOC（揮發(fā)性有機物）的排放；減少能源消耗（水、電、燃料等），符合環(huán)保要求前提下，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，電泳涂裝工藝比較成熟，是取代電鍍的產(chǎn)品，PPGElect ropolyseal緊固件專用電泳涂裝料，EPll/SST 120～200h陽極電泳、EPlll/SST 200～300h陰極電泳、EPlV/SST 500～1000h陰極電泳、EP V/SST 1000～1500h陰極電泳；還有ZiNC Rich coating 富鋅有機涂層（可導(dǎo)電）。
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，具有一定耐候性的陽極電泳涂裝、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可，將一系列規(guī)范采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，S424改為S451，如福特公司W(wǎng)SS-M21P41-A2，S451；通用公司GM6047 code G；克萊斯勒公司PS-7902 Mcthod C。
采用電泳涂裝的好處，有利于環(huán)保。電泳涂裝采用水性涂料，鈍化采用三價鉻；提高產(chǎn)品的耐腐蝕性，卓越的附著力；無塞孔、不塞螺牙、膜厚均一、一致的扭矩值；傳統(tǒng)的電鍍+鈍化工藝，鹽霧試驗達到144h左右。采用鋅系磷化+富鋅底漆+陰極電泳涂裝工藝后，鹽霧試驗可達到1000h以上，若采用電鍍+陰極電泳涂裝工藝，鹽霧試驗可達到500h以上（見表2）
表2 幾種膜層鹽霧試驗結(jié)果比較
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工藝
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Zn磷化+陽極電泳
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Zn磷化+陰極電泳
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Zn磷化+富鋅底漆+陰極電泳
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電鍍+陰極電泳+面漆
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鹽霧試驗/h
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120
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200～300
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1000～1500
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500～1000
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四、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，智能化、綠色化、輕量化技術(shù)都將扮演著重要角色。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)，發(fā)展空間還很大，要縮小與國外先進水平的差距，任務(wù)還很艱巨，任重道遠。(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
冀公網(wǎng)安備13050002001422號