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汽車緊固件熱處理技術的新發展

更新時間:2018-11-05

  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、規格不一的基本特征為主,它的選擇和使用涉及到結構分析、連接設計、失效與疲勞分析、腐蝕要求和裝配方法,以及相關的產品質量控製與試驗等,這些因素在很大程度上決定了汽車產品的最終質量與可靠性。

  汽車高強度螺栓的疲勞壽命一直是受到重視的問題,數據表明螺栓的失效絕大多數是由於疲勞破壞引起的,且疲勞破壞時螺栓幾乎無征兆,因此重大事故很容易在產生疲勞破壞時發生。熱處理能夠優化緊固件材料性能,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,疲勞源對於螺栓微觀結構組織很敏感,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,螺栓表麵質量問題是主要的疲勞源,大部分的疲勞始於螺栓表麵或者亞表麵。螺栓材料晶體內部存在的大量位錯和一些合金元素或雜質,晶界強度差異,這些因素都有可能導致疲勞裂紋萌生。研究表明,疲勞裂紋易發位置有:晶界、表麵夾雜物或第二相顆粒、空洞,這些位置都與材料複雜多變的微觀組織有關。如果熱處理後能夠改善微觀組織,那麽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

  螺栓表麵脫碳會降低淬火後螺栓的表麵硬度、耐磨性,並顯著降低螺栓疲勞強度。GB/T3098.1標準中就有針對螺栓性能的脫碳試驗,並規定最大脫碳層深度。在分析35CrMo輪轂螺栓斷裂失效原因時,發現在螺紋與杆部交接處是因為存在脫碳層。Fe3C在高溫下能與O2、H2O、H2發生反應導致螺栓材料內部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,容易引發微裂紋。在熱處理過程中控製好加熱溫度,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

  螺栓表麵的應力集中會降低其表麵強度,在受到交變的動載荷時,在缺口應力集中部位不斷發生微變形和恢複的過程,且其受到的應力遠遠大於無應力集中的部位,從而容易導致疲勞裂紋的產生。

  緊固件通過熱處理調質改善顯微組織,並具有優良的綜合力學性能,可以提高螺栓材料的疲勞強度,合理控製晶粒尺寸以保證低溫衝擊功,也能獲得較高的衝擊韌性。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生,在材料內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、熱處理用淬火介質與加工介質

  汽車高強度緊固件在技術上有一係列特點:高精度等級;服務條件嚴酷,它將隨主機一起常年經受嚴寒和極端溫差的影響,承受高溫、低溫的侵蝕;靜載、動載、超載、重載和環境介質的腐蝕,除受到軸向預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複合而成的彎曲載荷的作用,有時還受到衝擊載荷;附加的橫向交變載荷會引起螺栓的鬆動,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杆部的過渡處斷裂;沿螺栓杆部螺紋與杆部交接處被拉斷;還有沿螺紋部分滑扣。金相分析:螺栓表麵與心部有較多未溶鐵素體,在淬火奧氏體化不充分,基體強度不夠和應力集中是失效的重要原因之一。為此,保證螺栓截麵淬透和組織均勻性是非常重要的環節。

  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構鋼≥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生熱分解,氧化和聚合反應,從而導致冷卻特性的變化,油中含有微量水分將嚴重影響油的冷卻性能,造成淬火後緊固件光亮度下降,硬度不均,產生軟點甚至開裂傾向。研究表明,油淬產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和促進油中添加劑的失效。當油中含水量≥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後,體積突然膨脹,易造成油溢出淬火油槽而引發火災。

  對於連續式網帶爐使用的快速淬火油,根據3個月間隔試驗所積累的淬火特性數據,有可能建立油的穩定性及淬火特性圖,確定淬火油的合適使用壽命,預測與淬火油性能變化有關的問題,從而減少因淬火油性能變化造成的返工或廢品損失,使其成為生產的一種常規控製方法。而淬透深度直接影響著熱處理後螺栓的質量,當材料的淬透性較差,冷卻介質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,降低了心部區域的強度水平,尤其是屈服強度。這對於沿整個截麵承受均勻分布拉伸應力的螺栓而言,顯然是非常不利的。淬透性不足降低了強度,金相檢驗發現,心部存在先共析鐵素體和網狀鐵素體組織,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的基礎上特別開發快速淬火油,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,這一特點有利於10B33、45鋼≤M20螺栓、M42螺母獲得較深的淬硬層,而對於SWRCH35K、10B28鋼則減薄為≤M12螺栓、M30螺母才能保證心部硬度與表麵硬度有較小的差異。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。這對於高強度緊固件整個截麵均勻承受載荷,要求在淬硬狀態下,回火前獲得約90%的馬氏體組織,十分有利。考核的指標有閃點、粘度、酸值、抗氧化性、殘碳、灰分、油泥、淬火冷卻速度、淬火光亮性等近20多個指標。

  對於較大規格螺栓還是以PAG淬火劑為主,滿足大部分產品的淬火要求, PAG淬火劑在馬氏體轉變區處於沸騰階段,冷卻速度大且有較大風險,它可以通過濃度調整後,在關鍵指標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定性,是保證淬火質量最重要的因素。

  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,在輾製螺紋的冷成形過程中金屬塑性流變匯合後而折疊所致;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力集中區。GB/T5770.3-2000《緊固件表麵缺陷螺栓、螺釘和螺柱特殊要求》標準規定,對於承受應力的螺栓螺紋中徑以上深度不大於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,減少應力集中,從而有助於提高螺栓的疲勞壽命。

  三、汽車緊固件的表麵防護及技術發展

  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於及其惡劣的環境下,通常腐蝕比較嚴重,甚至由於鏽蝕導致拆卸困難。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麵進行電鍍鋅、鋅鎳合金、磷化、發黑及達克羅等處理。由於對汽車緊固件表麵塗鍍層中的六價鉻含量的限製,不符合環保指令標準,含有害物質的產品均不允許進入市場,這對汽車緊固件表麵處理的創新能力提出了空前高標準的環保要求。

  1.水性鋅鋁塗層久美特

  環保型新塗層技術—片狀鋅鋁塗層久美特,恩歐富集團公司在30多年達克羅(DACROMET)表麵防鏽技術經驗的基礎上,經過多年的研究開發,研製出了完全無鉻的表麵處理新技術---久美特(GEOMET)。

  防鏽機理,久美特處理的皮膜結構也與達克羅處理的皮膜相同,金屬片呈層狀重疊,形成了利用矽係粘合劑結合起來的皮膜,從而將基材被覆蓋起來。

  久美特的優點:導電性,高強度的金屬薄片使得久美特的螺栓具有導電性。油漆適應性,久美特可作為包括電鍍在內的大多數油漆的底塗。環保,水性溶液,不含有鉻,且無廢水產生,無有害物質排放至空氣。優良的耐腐蝕性,隻需6~8μm膜厚,就可以達到鹽霧試驗1000h以上。耐熱性,無機皮膜,並且皮膜不含有水分。無氫脆工藝,無酸和電解的塗覆工藝過程,避免同普通電鍍工藝一樣產生氫脆。

  摩擦係數的穩定對汽車緊固件裝配至關重要。水性片狀鋅鋁塗層針對摩擦係數的解決方案,在鋅鋁塗層的基礎上,塗覆具有潤滑功能的水性無機麵塗層---PLUS,PLUS種類及摩擦係數範圍見表1。

表1 PLUS種類及摩擦係數範圍



  2.電泳塗裝技術

  近年來,一些汽車公司的部分緊固件采用電泳塗裝替代電鍍後的鈍化處理。電泳塗裝的原理簡單的來說,就是“異性相吸”,也就像磁鐵一樣。陽極電泳被塗螺栓在陽極,塗料帶負電;而陰極電泳塗螺栓在陰極,塗料帶正電。眾所周知,電泳塗裝機械化程度高、環保、漆膜具有優異的耐腐蝕性能。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(揮發性有機物)的排放;減少能源消耗(水、電、燃料等),符合環保要求前提下,降低成本並提高品質。

  在汽車零部件及緊固件上已應用數年,電泳塗裝工藝比較成熟,是取代電鍍的產品,PPGElect ropolyseal緊固件專用電泳塗裝料,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 富鋅有機塗層(可導電)。

  隨著技術的發展,除具有優異的耐腐蝕性能的陰極電泳塗裝外,具有一定耐候性的陽極電泳塗裝、邊緣耐腐蝕性陰極電泳塗裝等也在生產線上得到了實際應用。目前PPG的電泳塗料係列已得到多家汽車製造公司認可,將一係列規範采用統一標準,S424改為S451,如福特公司WSS-M21P41-A2,S451;通用公司GM6047 code G;克萊斯勒公司PS-7902 Mcthod C。

  采用電泳塗裝的好處,有利於環保。電泳塗裝采用水性塗料,鈍化采用三價鉻;提高產品的耐腐蝕性,卓越的附著力;無塞孔、不塞螺牙、膜厚均一、一致的扭矩值;傳統的電鍍+鈍化工藝,鹽霧試驗達到144h左右。采用鋅係磷化+富鋅底漆+陰極電泳塗裝工藝後,鹽霧試驗可達到1000h以上,若采用電鍍+陰極電泳塗裝工藝,鹽霧試驗可達到500h以上(見表2)

表2 幾種膜層鹽霧試驗結果比較



  四、結語

  未來汽車緊固件發展將更加個性化,熱處理工藝更加凸顯服務特色,智能化、綠色化、輕量化技術都將扮演著重要角色。技術和裝備的發展是先進製造業賴以發展的基礎,發展空間還很大,要縮小與國外先進水平的差距,任務還很艱巨,任重道遠。
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