熱處理工藝對提高螺栓疲勞強(qiáng)度的影響，汽車緊固件的表面防護(hù)及技術(shù)發(fā)展
發(fā)布日期：2021-6-2 類別:公司新聞 瀏覽量: 4120 times
我們知道緊固件熱處理的技術(shù)能夠優(yōu)化緊固件材料性能，使其疲勞強(qiáng)度提高，針對高強(qiáng)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(qiáng)度更顯十分重要。而在汽車緊固件表面處理的應(yīng)用當(dāng)中，汽車高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命一直是受到重視的問題。
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(jì)、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(yàn)等，這些因素在很大程度上決定了汽車產(chǎn)品的Z終質(zhì)量與可靠性。
大量的研究數(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(shí)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(shí)發(fā)生。
一、熱處理工藝對提高螺栓疲勞強(qiáng)度的影響
1.材料疲勞裂紋的萌生
疲勞裂紋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(gè)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(cuò)和一些合金元素或雜質(zhì)，晶界強(qiáng)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D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(qiáng)度。
2.脫碳對疲勞強(qiáng)度的影響
螺栓表面脫碳會(huì)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(qiáng)度。GB/T3098.1標(biāo)準(zhǔn)中就有針對螺栓性能的脫碳試驗(yàn)，并規(guī)定Z大脫碳層深度。在分析35CrMo輪轂螺栓斷裂失效原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)在螺紋與桿部交接處是因?yàn)榇嬖诿撎紝印e3C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(qiáng)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(shí)必須采用可控氣氛保護(hù)加熱能夠很好地解決這一問題。
3.熱處理對疲勞強(qiáng)度的影響
螺栓表面的應(yīng)力集中會(huì)降低其表面強(qiáng)度，在受到交變的動(dòng)載荷時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)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(xì)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D二項(xiàng)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(kuò)展。
二、熱處理用淬火介質(zhì)與加工介質(zhì)
汽車高強(qiáng)度緊固件在技術(shù)上有一系列特點(diǎn)：高J度等級(jí)；服務(wù)條件嚴(yán)酷，它將隨主機(jī)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(dòng)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(huì)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(shí)還受到?jīng)_擊載荷；附加的橫向交變載荷會(huì)引起螺栓的松動(dòng)，軸向交變載荷會(huì)引起螺栓的疲勞斷裂，軸向拉伸載荷會(huì)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(qiáng)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(shí)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(diǎn)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(jí)以上高強(qiáng)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(diǎn)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(jìn)油中添加劑的失效。當(dāng)油中含水量≥0.1%時(shí)，油受到加熱時(shí)有可能使聚集在油槽底部的水達(dá)到沸點(diǎn)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(gè)月間隔試驗(yàn)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(shí)，淬火時(shí)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(qiáng)度水平，尤其是屈服強(qiáng)度。這對于沿整個(gè)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(qiáng)度，金相檢驗(yàn)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(qiáng)。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(jìn)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(diǎn)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(qiáng)度緊固件整個(gè)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(diǎn)、粘度、酸值、抗氧化性、殘?zhí)肌⒒曳帧⒂湍唷⒋慊鹄鋮s速度、淬火光亮性等近20多個(gè)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(xiǎn)，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(gè)溫度點(diǎn)的冷速越低，防止淬裂的能力就越強(qiáng)，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Z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(jìn)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(hù)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(jìn)行電鍍鋅、鋅鎳合金、磷化、發(fā)黑及達(dá)克羅等處理。由于對汽車緊固件表面涂鍍層中的六價(jià)鉻含量的限制，不符合HB指令標(biāo)準(zhǔn)，含有害物質(zhì)的產(chǎn)品均不允許進(jìn)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HB要求。
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