汽車緊固件熱處理技術發展新趨勢分析

2021-12-20

1、熱處理工藝對提高螺栓疲勞強度的影響

長期以來，汽車 緊固件一直以品種、種類、規格繁多的基本特點為主導。它的選擇和使用涉及結構分析、連接設計、失效和疲勞分析、腐蝕要求和裝配方法，而相關的這些因素在很大程度上決定了汽車產品的最終質量和可靠性。

汽車高強螺栓的疲勞壽命一直是一個重要的問題。數據表明，螺栓的大部分失效是由疲勞失效引起的，螺栓幾乎沒有疲勞失效的跡象。因此，當疲勞失效發生時，很可能發生重大事故。熱處理可以優化緊固件材料的性能並增加其疲勞強度。鑑於高強度螺栓的使用要求越來越高，通過熱處理提高螺栓材料的疲勞強度顯得更為重要。

1、材料疲勞裂紋的萌生

疲勞裂紋最先出現的地方稱為疲勞源。疲勞源對螺栓的微觀結構非常敏感，可以在很小的範圍內引發疲勞裂紋，一般在 3 到 5 個晶粒尺寸內。螺栓的表面質量是主要問題。疲勞的來源，大部分疲勞是從螺栓表面或次表面開始的。螺栓材料晶體中的大量位錯、一些合金元素或雜質，以及晶界強度的差異，都可能導致疲勞裂紋萌生。研究表明，疲勞裂紋容易發生在以下位置：晶界、表面夾雜物或第二相顆粒、空穴。這些位置都與材料複雜多變的微觀結構有關。如果熱處理後的顯微組織能夠得到改善，螺栓材料的疲勞強度可以得到一定程度的提高。

2、脫碳對疲勞強度的影響

螺栓表面脫碳會降低螺栓淬火後的表面硬度和耐磨性，顯著降低螺栓的疲勞強度。 GB/T3098.1標準中有螺栓性能的脫碳試驗，並規定了最大脫碳深度。在分析35CrMo輪轂螺栓失效原因時，發現螺紋與桿的連接處有脫碳層。 Fe3C在高溫下能與O2、H2O、H2反應，使螺栓材料中的Fe3C減少，從而增加螺栓材料的鐵素體相，降低螺栓材料的強度，容易產生微裂紋。在熱處理過程中，必須控制好加熱溫度，同時必須採用可控氣氛保護加熱來解決這個問題。

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。當承受交變動載荷時，缺口應力集中部位會繼續發生微變形和恢復的過程，所承受的應力遠大於非應力集中部位，因此容易導致疲勞裂紋的產生。

緊固件經過熱處理和回火以改善顯微組織，具有優良的綜合力學性能，可提高螺栓材料的疲勞強度，合理控制晶粒度以保證低溫衝擊能，同時獲得更高的衝擊韌性。合理的熱處理細化晶粒，縮短晶界間距，可以防止疲勞裂紋的產生。如果材料中存在一定數量的晶須或二次顆粒，這些添加相可以在一定程度上防止駐留滑移。皮帶的滑動可防止微裂紋的產生和擴展。

2、用於熱處理的淬火介質和加工介質

汽車用高強度緊固件具有一系列技術特點：精度等級高；嚴酷的使用條件，與主機一起常年經受嚴寒和極端溫差的影響，經受住高低溫的侵蝕；靜載荷、動載荷、過載、重載荷和環境介質腐蝕，在工作過程中除了受軸向預緊拉伸載荷的影響外，還會承受附加的拉伸交變載荷、橫向剪切交變載荷或組合彎曲載荷有時也承受衝擊載荷；額外的橫向交變載荷會導致螺栓鬆動，軸向交變載荷會導致螺栓疲勞斷裂，軸向拉伸載荷會導致螺栓延遲斷裂，以及高溫條件。螺栓蠕變等。

大量不合格的螺栓表明它們沿螺栓頭和螺栓之間的過渡處斷裂。軸服務期間；它們沿著螺栓螺紋的連接處被拉掉軸和軸; 並且沿著螺紋部分有滑動扣。金相分析：螺栓表面和芯部有較多的未溶解鐵素體，淬火時奧氏體化不足、基體強度不足和應力集中是失效的重要原因之一。為此，保證螺栓截面的硬化和結構的均勻性是一個非常重要的環節。

淬火油的作用是迅速帶走熾熱金屬螺栓的熱量，使其降低到馬氏體轉變溫度，從而獲得高硬度的馬氏體組織和硬化層深度。同時，還必須兼顧減少螺栓變形和防止開裂。因此，淬火油的基本特性是“冷卻特性”，其特點是高溫階段冷卻速度較快，低溫階段冷卻速度較慢。這一特性非常適合合金結構鋼≥10.9高強度螺栓的淬火要求。

快速淬火油在使用過程中會產生熱分解、氧化和聚合反應，導致冷卻特性發生變化。油中微量水分會嚴重影響油的冷卻性能，導致緊固件淬火後亮度下降，硬度不均。產生軟點甚至開裂傾向。研究表明，油淬引起的變形問題部分是由油中的水分引起的。此外，油中的水分也會加速油的乳化變質，促進油中添加劑的失效。當油中的含水量大於等於0.1%時，當油被加熱時，聚集在油槽底部的水可能會突然膨脹，從而可能導致油溢出淬火槽而引起一場火災。

對於連續網帶爐使用的快速淬火油，根據3個月間隔試驗積累的淬火特性數據，可以建立油的穩定性和淬火特性，確定合適的淬火油使用壽命油，並預測淬火油的性能。改變相關問題，從而減少因淬火油性質變化而導致的返工或浪費損失，使其成為生產的常規控制方法。硬化深度直接影響螺栓熱處理後的質量。當材料淬透性差，冷卻介質冷卻速度慢，螺栓尺寸大時，在淬火時螺栓芯不能全部淬成馬氏體。組織降低了心臟區域的強度水平，特別是屈服強度。這對於沿整個橫截面承受均勻分佈的拉應力的螺栓來說顯然是非常不利的。淬透性不足會降低強度。金相檢驗發現芯部有先共析鐵素體和網紋鐵素體組織，說明螺栓淬透性有待加強。眾所周知，提高淬透性的方法有兩種：提高淬火溫度；增加淬火介質的淬透性，可有效增加螺栓的淬透深度。

Houghto-Quench在原有中速淬火油Houghto-Quench G的基礎上，專門開發了快速淬火油。Houghto-Quench K2000進一步提高了其淬火能力，特別適用於緊固件的淬火和冷卻。令人滿意的硬化深度。

快速淬火油的氣膜階段短，即油的高溫階段冷卻快。該特性有利於10B33和45鋼≤M20螺栓和M42螺母獲得更深的硬化層，而對於SWRCH35K和10B28鋼，它降低了只有當厚度小於或等於M12螺栓和M30螺母時，才能獲得硬度芯的硬度和表面硬度有很小的差別。從冷卻速度分佈分析，除中高溫階段需要快速冷卻外，油品低溫冷卻速度對硬化層深度的影響較大。低溫冷卻速度越高，硬化層越深。這對於高強度緊固件在整個截面上均勻承受載荷是非常有利的，並且要求在淬火狀態下回火前獲得約90%的馬氏體組織。考核指標包括閃點、粘度、酸值、抗氧化性、殘碳、灰分、油泥、淬火冷卻速度、淬火光亮度等近20項指標。

對於較大尺寸的螺栓，PAG淬火劑是主要的解決方案，可以滿足大多數產品的淬火要求。 PAG淬火劑在馬氏體轉變區處於沸騰階段，冷卻速度快，存在較大風險。可通過濃度調節。關鍵指標處的冷卻速度約為300℃。該溫度點的冷卻速度越低，防止淬火裂紋的能力越強，鋼種越合適。使用過程中對流冷卻速度的穩定性是保證淬火質量的最重要因素。

在早期失效螺栓的樣品中，可以看出在斷裂附近的斷裂螺栓的螺紋上存在裂紋缺陷。主要原因是螺栓軋製不當。折疊引起；螺紋底部也可見不同深度的微裂紋，加工堆積瘤形成應力集中區。標準GB/T5770.3-2000《緊固件表面有缺陷的螺栓、螺釘和螺柱的特殊要求》規定，受力螺栓中徑以上不超過螺紋牙型高度四分之一的摺痕為允許螺紋底部的折疊和堆積是不允許的缺陷，折疊是螺栓斷裂的主要原因之一。使用好富頓極壓潤滑劑進行螺栓螺紋加工，可有效防止積屑瘤，減少應力集中，從而有助於提高螺栓的疲勞壽命。

3、汽車緊固件的表面保護及技術開發

汽車上的緊固件，特別是緊固螺栓、管夾、彈性夾等，在使用過程中處於極其惡劣的環境中，通常腐蝕嚴重，甚至因生鏽而難以拆卸。因此，緊固件必須具有良好的防腐性能。目前最常用的方法是電鍍鋅、鋅鎳合金、磷化、發黑和表面達克羅處理。由於對汽車緊固件表面塗層六價鉻含量的限制，不符合環保指令的標準，含有有害物質的產品不允許進入市場，使創新技術達到前所未有的高度。汽車緊固件能力 表面處理 標準環境要求。

1、水性鋅鋁塗層Geomet

環保新型塗層技術——片狀鋅鋁塗層Geomet，恩諾福集團基於達克羅30多年的表面防銹技術經驗，經過多年的研發，開發出一套完整的技術。鉻表面處理新技術---GEOMET。

防銹機理，Gummet處理的薄膜結構也與Dacromet處理的薄膜相同。金屬片層層疊疊以形成與硅基粘合劑結合的薄膜以覆蓋基板。

Geomet 的優點：導電性，高強度金屬板使Geomet 的螺栓具有導電性。油漆適應性，Geomet 可用作包括電鍍在內的大多數油漆的底漆。環保，水性溶液，不含鉻，不產生廢水，不向空氣中排放有害物質。優異的耐腐蝕性能，膜厚僅6-8μm，可達到1000h以上的鹽霧試驗。耐熱性，無機膜，且膜中不含水分。無氫脆工藝，無酸電解鍍工藝，避免普通電鍍工藝發生氫脆。

摩擦係數的穩定性對於汽車緊固件的裝配非常重要。水基片狀鋅鋁塗層是摩擦係數的解決方案。在鋅鋁塗層的基礎上，塗上了一層具有潤滑功能的水性無機表面塗層---PLUS。

2、電泳塗裝技術

近年來，一些汽車公司的一些緊固件已採用電泳塗裝代替電鍍後的鈍化處理。簡單來說，電泳塗裝的原理就是“異性相吸”，就像一塊磁鐵。陽極電泳在陽極上塗有螺栓，油漆帶負電；而陰極電泳在陰極上塗有螺栓，塗料帶正電。眾所周知，電泳塗裝高度機械化，環保，漆膜具有優良的耐腐蝕性。回收和再利用水資源以減少排放；加強重金屬回收，減少排放；減少VOC（揮發性有機化合物）排放；降低能耗（水、電、燃料等），滿足環保要求，降低成本，提高質量。

它已應用於汽車零部件和緊固件多年。電泳塗裝工藝比較成熟。是替代電鍍的產品。 PPGElect ropolyseal緊固件專用電泳塗料，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；和 ZiNC Rich coating 富鋅有機塗層（導電）。

隨著技術的發展，除了具有優良耐蝕性的陰極電泳塗層外，具有一定耐候性的陽極電泳塗層和具有邊緣耐蝕性的陰極電泳塗層也已在生產線上得到實際應用。目前，PPG的電泳塗裝系列已獲得多家汽車製造企業的認可，一系列規格已改為統一標準，S424改為S451，如福特WSS-M21P41-A2、S451；通用汽車GM6047代碼G；克萊斯勒 PS-7902 Mcthod C.

電泳塗裝的優點有利於環保。電泳塗裝採用水性漆，鈍化採用三價鉻；提高產品的耐腐蝕性能，附著力優良；無塞孔，無螺紋，膜厚均勻，扭矩值一致；傳統電鍍+鈍化工藝，鹽霧試驗達到144h左右。採用鋅磷化+富鋅底漆+陰極電泳塗裝工藝後，鹽霧試驗可達1000h以上，若採用電鍍+陰極電泳塗裝工藝，鹽霧試驗可達500h以上