熱處理工藝對提高螺栓疲勞強度的影響，汽車緊固件的表面防護及技術發展
發布日期：2021-6-2 類別:公司新聞 瀏覽量: 4284 times
我們知道緊固件熱處理的技術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。而在汽車緊固件表面處理的應用當中，汽車高強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制與試驗等，這些因素在很大程度上決定了汽車產品的Z終質量與可靠性。
大量的研究數據表明螺栓的失效絕大多數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生疲勞破壞時發生。
一、熱處理工藝對提高螺栓疲勞強度的影響
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，螺栓表面質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、表面夾雜物或D二相顆粒、空洞，這些位置都與材料復雜多變的微觀組織有關。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標準中就有針對螺栓性能的脫碳試驗，并規定Z大脫碳層深度。在分析35CrMo輪轂螺栓斷裂失效原因時，發現在螺紋與桿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，在缺口應力集中部位不斷發生微變形和恢復的過程，且其受到的應力遠遠大于無應力集中的部位，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，并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生，在材料內部如果存在一定量的晶須或D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系列特點：高J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復合而成的彎曲載荷的作用，有時還受到沖擊載荷；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，造成淬火后緊固件光亮度下降，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后，體積突然膨脹，易造成油溢出淬火油槽而引發火災。
對于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制方法。而淬透深度直接影響著熱處理后螺栓的質量，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。這對于沿整個截面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。
對于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于沸騰階段，冷卻速度大且有較大風險，它可以通過濃度調整后，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，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力集中區。GB/T5770.3-2000《緊固件表面缺陷螺栓、螺釘和螺柱特殊要求》標準規定，對于承受應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于及其惡劣的環境下，通常腐蝕比較嚴重，甚至由于銹蝕導致拆卸困難。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面進行電鍍鋅、鋅鎳合金、磷化、發黑及達克羅等處理。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HB指令標準，含有害物質的產品均不允許進入市場，這對汽車緊固件表面處理的創新能力提出了空前高標準的HB要求。
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