汽车紧固件热处理技术发展新趋势分析

2021-12-20

1、热处理工艺对提高螺栓疲劳强度的影响

长期以来，汽车 紧固件一直以品种、种类、规格繁多的基本特点为主导。它的选择和使用涉及结构分析、连接设计、失效和疲劳分析、腐蚀要求和装配方法，而相关的这些因素在很大程度上决定了汽车产品的最终质量和可靠性。

汽车高强螺栓的疲劳寿命一直是一个重要的问题。数据表明，螺栓的大部分失效是由疲劳失效引起的，螺栓几乎没有疲劳失效的迹象。因此，当疲劳失效发生时，很可能发生重大事故。热处理可以优化紧固件材料的性能并增加其疲劳强度。鉴于高强度螺栓的使用要求越来越高，通过热处理提高螺栓材料的疲劳强度显得更为重要。

1、材料疲劳裂纹的萌生

疲劳裂纹最先开始的地方称为疲劳源。疲劳源对螺栓的微观结构非常敏感，可以在很小的范围内引发疲劳裂纹，一般在 3 到 5 个晶粒尺寸内。螺栓的表面质量是主要问题。疲劳的来源，大部分疲劳是从螺栓表面或次表面开始的。螺栓材料晶体中的大量位错、一些合金元素或杂质，以及晶界强度的差异，都可能导致疲劳裂纹萌生。研究表明，疲劳裂纹容易发生在以下位置：晶界、表面夹杂物或第二相颗粒、空穴。这些位置都与材料复杂多变的微观结构有关。如果热处理后的显微组织能够得到改善，螺栓材料的疲劳强度可以得到一定程度的提高。

2、脱碳对疲劳强度的影响

螺栓表面脱碳会降低螺栓淬火后的表面硬度和耐磨性，显着降低螺栓的疲劳强度。 GB/T3098.1标准中有螺栓性能的脱碳试验，并规定了最大脱碳深度。在分析35CrMo轮毂螺栓失效原因时，发现螺纹与杆的连接处有脱碳层。 Fe3C在高温下能与O2、H2O、H2反应，使螺栓材料中的Fe3C减少，从而增加螺栓材料的铁素体相，降低螺栓材料的强度，容易产生微裂纹。在热处理过程中，必须控制好加热温度，同时必须采用可控气氛保护加热来解决这个问题。

3、热处理对疲劳强度的影响

螺栓表面的应力集中会降低其表面强度。当承受交变动载荷时，缺口应力集中部位会继续发生微变形和恢复的过程，所承受的应力远大于非应力集中部位，因此容易导致疲劳裂纹的产生。

紧固件经过热处理和回火以改善显微组织，具有优良的综合力学性能，可提高螺栓材料的疲劳强度，合理控制晶粒度以保证低温冲击能，同时获得更高的冲击韧性。合理的热处理细化晶粒，缩短晶界间距，可以防止疲劳裂纹的产生。如果材料中存在一定数量的晶须或二次颗粒，这些添加相可以在一定程度上防止驻留滑移。皮带的滑动可防止微裂纹的产生和扩展。

2、用于热处理的淬火介质和加工介质

汽车用高强度紧固件具有一系列技术特点：精度等级高；严酷的使用条件，与主机一起常年经受严寒和极端温差的影响，经受住高低温的侵蚀；静载荷、动载荷、过载、重载荷和环境介质腐蚀，在工作过程中除了受轴向预紧拉伸载荷的影响外，还会承受附加的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或组合弯曲载荷有时也承受冲击载荷；额外的横向交变载荷会导致螺栓松动，轴向交变载荷会导致螺栓疲劳断裂，轴向拉伸载荷会导致螺栓延迟断裂，以及高温条件。螺栓蠕变等。

大量不合格的螺栓表明它们沿螺栓头和螺栓之间的过渡处断裂。轴服务期间；它们沿着螺栓螺纹的连接处被拉掉轴和轴; 并且沿着螺纹部分有滑动扣。金相分析：螺栓表面和芯部有较多的未溶解铁素体，淬火时奥氏体化不足、基体强度不足和应力集中是失效的重要原因之一。为此，保证螺栓截面的硬化和结构的均匀性是一个非常重要的环节。

淬火油的作用是迅速带走炽热金属螺栓的热量，使其降低到马氏体转变温度，从而获得高硬度的马氏体组织和硬化层深度。同时，还必须兼顾减少螺栓变形和防止开裂。因此，淬火油的基本特性是“冷却特性”，其特点是高温阶段冷却速度较快，低温阶段冷却速度较慢。这一特性非常适合合金结构钢≥10.9高强度螺栓的淬火要求。

快速淬火油在使用过程中会产生热分解、氧化和聚合反应，导致冷却特性发生变化。油中微量水分会严重影响油的冷却性能，导致紧固件淬火后亮度下降，硬度不均。产生软点甚至开裂倾向。研究表明，油淬引起的变形问题部分是由油中的水分引起的。此外，油中的水分也会加速油的乳化变质，促进油中添加剂的失效。当油中的含水量大于等于0.1%时，当油被加热时，聚集在油槽底部的水可能会突然膨胀，从而可能导致油溢出淬火槽而引起一场火灾。

对于连续网带炉使用的快速淬火油，根据3个月间隔试验积累的淬火特性数据，可以建立油的稳定性和淬火特性，确定合适的淬火油使用寿命油，并预测淬火油的性能。改变相关问题，从而减少因淬火油性质变化而导致的返工或浪费损失，使其成为生产的常规控制方法。硬化深度直接影响螺栓热处理后的质量。当材料淬透性差，冷却介质冷却速度慢，螺栓尺寸大时，在淬火时螺栓芯不能全部淬成马氏体。组织降低了心脏区域的强度水平，特别是屈服强度。这对于沿整个横截面承受均匀分布的拉应力的螺栓来说显然是非常不利的。淬透性不足会降低强度。金相检验发现芯部有先共析铁素体和网纹铁素体组织，说明螺栓淬透性有待加强。众所周知，提高淬透性的方法有两种：提高淬火温度；增加淬火介质的淬透性，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的基础上，专门开发了快速淬火油。Houghto-Quench K2000进一步提高了其淬火能力，特别适用于紧固件的淬火和冷却。令人满意的硬化深度。

快速淬火油的气膜阶段短，即油的高温阶段冷却快。该特性有利于10B33和45钢≤M20螺栓和M42螺母获得更深的硬化层，而对于SWRCH35K和10B28钢，它降低了只有当厚度小于或等于M12螺栓和M30螺母时，才能获得硬度芯的硬度和表面硬度有很小的差别。从冷却速度分布分析，除中高温阶段需要快速冷却外，油品低温冷却速度对硬化层深度的影响较大。低温冷却速度越高，硬化层越深。这对于高强度紧固件在整个截面上均匀承受载荷是非常有利的，并且要求在淬火状态下回火前获得约90%的马氏体组织。考核指标包括闪点、粘度、酸值、抗氧化性、残碳、灰分、油泥、淬火冷却速度、淬火光亮度等近20项指标。

对于较大尺寸的螺栓，PAG淬火剂是主要的解决方案，可以满足大多数产品的淬火要求。 PAG淬火剂在马氏体转变区处于沸腾阶段，冷却速度快，存在较大风险。可通过浓度调节。关键指标处的冷却速度约为300℃。该温度点的冷却速度越低，防止淬火裂纹的能力越强，钢种越合适。使用过程中对流冷却速度的稳定性是保证淬火质量的最重要因素。

在早期失效螺栓的样品中，可以看出在断裂附近的断裂螺栓的螺纹上存在裂纹缺陷。主要原因是螺栓轧制不当。折叠引起；螺纹底部也可见不同深度的微裂纹，加工堆积瘤形成应力集中区。标准GB/T5770.3-2000《紧固件表面有缺陷的螺栓、螺钉和螺柱的特殊要求》规定，受力螺栓中径以上不超过螺纹牙型高度四分之一的折痕为允许螺纹底部的折叠和堆积是不允许的缺陷，折叠是螺栓断裂的主要原因之一。使用好富顿极压润滑剂进行螺栓螺纹加工，可有效防止积屑瘤，减少应力集中，从而有助于提高螺栓的疲劳寿命。

3、汽车紧固件的表面保护及技术开发

汽车上的紧固件，特别是紧固螺栓、管夹、弹性夹等，在使用过程中处于极其恶劣的环境中，通常腐蚀严重，甚至因生锈而难以拆卸。因此，紧固件必须具有良好的防腐性能。目前最常用的方法是电镀锌、锌镍合金、磷化、发黑和表面达克罗处理。由于对汽车紧固件表面涂层六价铬含量的限制，不符合环保指令的标准，含有有害物质的产品不允许进入市场，使创新技术达到前所未有的高度。汽车紧固件能力 表面处理 标准环境要求。

1、水性锌铝涂层Geomet

环保新型涂层技术——片状锌铝涂层Geomet，恩诺福集团基于达克罗30多年的表面防锈技术经验，经过多年的研发，开发出一套完整的技术。铬表面处理新技术---GEOMET。

防锈机理，Gummet处理的薄膜结构也与Dacromet处理的薄膜相同。金属片层层叠叠以形成与硅基粘合剂结合的薄膜以覆盖基板。

Geomet 的优点：导电性，高强度金属板使Geomet 的螺栓具有导电性。油漆适应性，Geomet 可用作包括电镀在内的大多数油漆的底漆。环保，水性溶液，不含铬，不产生废水，不向空气中排放有害物质。优异的耐腐蚀性能，膜厚仅6-8μm，可达到1000h以上的盐雾试验。耐热性，无机膜，且膜中不含水分。无氢脆工艺，无酸电解镀工艺，避免普通电镀工艺发生氢脆。

摩擦系数的稳定性对于汽车紧固件的装配非常重要。水基片状锌铝涂层是摩擦系数的解决方案。在锌铝涂层的基础上，涂上了一层具有润滑功能的水性无机表面涂层---PLUS。

2、电泳涂装技术

近年来，一些汽车公司的一些紧固件已采用电泳涂装代替电镀后的钝化处理。简单来说，电泳涂装的原理就是“异性相吸”，就像一块磁铁。阳极电泳在阳极上涂有螺栓，油漆带负电；而阴极电泳在阴极上涂有螺栓，涂料带正电。众所周知，电泳涂装高度机械化，环保，漆膜具有优良的耐腐蚀性。回收和再利用水资源以减少排放；加强重金属回收，减少排放；减少VOC（挥发性有机化合物）排放；降低能耗（水、电、燃料等），满足环保要求，降低成本，提高质量。

它已应用于汽车零部件和紧固件多年。电泳涂装工艺比较成熟。是替代电镀的产品。 PPGElect ropolyseal紧固件专用电泳涂料，EPll/SST 120～200h阳极电泳，EPlll/SST 200～300h阴极电泳，EPLV/SST 500～1000h阴极电泳，EP V/SST 1000～1500h阴极电泳；和 ZiNC Rich coating 富锌有机涂层（导电）。

随着技术的发展，除了具有优良耐蚀性的阴极电泳涂层外，具有一定耐候性的阳极电泳涂层和具有边缘耐蚀性的阴极电泳涂层也已在生产线上得到实际应用。目前，PPG的电泳涂装系列已获得多家汽车制造企业的认可，一系列规格已改为统一标准，S424改为S451，如福特WSS-M21P41-A2、S451；通用汽车GM6047代码G；克莱斯勒 PS-7902 Mcthod C.

电泳涂装的优点有利于环保。电泳涂装采用水性漆，钝化采用三价铬；提高产品的耐腐蚀性能，附着力优良；无塞孔，无螺纹，膜厚均匀，扭矩值一致；传统电镀+钝化工艺，盐雾试验达到144h左右。采用锌磷化+富锌底漆+阴极电泳涂装工艺后，盐雾试验可达1000h以上，若采用电镀+阴极电泳涂装工艺，盐雾试验可达500h以上