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如何解决紧固件热处理的氢脆失效问题

时间:2011-03-10 16:20:20  来源:  作者:

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紧固件的氢脆失效的汽车工业中早已引起了人们的广泛关注。这种失效不期而至,给汽车公司和紧固件供应商增加了很大的负担,不仅使其在经济上蒙受损失,而且还对公司的用户满意度以及汽车的安全性构成威胁。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

    防止紧固件的氢脆失效在汽车工业中日益受到重视。遭受氢脆危害的紧固件可在实际应力远低于材料抗拉强度的条件下,于装配后的数分钟内发生早期失效。在汽车装配车间,紧固件的氢脆失效将使生产效率大大降低。对有潜在氢脆失效率危险的汽车必进行逐一检查,并使用新的可靠的紧固件替换所有可疑的紧固件,而更换紧固件将耗费大量时间。更换氢脆破坏的紧固件对于汽车制造商和紧固件制造商都将是不小的负担。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

    紧固件的氢脆是由于在早期处理过程中有氢原子进入材料内部。多数情况下,紧固件在承受静态拉伸载荷的条件下发生氢脆。在进行高应变速率材料试验,如普通拉伸试验时,不易发生氢脆。氢原子通常向材料中承受三向应力的区域扩散。材料中的应力水平与系统中氢的聚集程度将影响氢扩散到陷阱位置的比例。氢在陷阱位置的聚集将使得材料的断裂应力下降,以致在材料中出现裂纹形成、裂纹扩展及至失效等现象。氢在承受静载的紧固件中的扩散可以通过氢脆断裂前的延迟时间而直接观察到。由于材料的氢脆倾向、材料中氢的总量、氢的扩散比以及旋加应力水平的不同,氢脆断裂时间延迟的变化很大,从几分钟到几天或几周不等。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

    如果紧固件在处理过程中曾经接触过具有氢离子的环境,它就有可能发生氢脆。在钢发生化学或电化学反应的过程中产生氢的任何处理都将使氢进入材料,从而增加材料的氢脆倾向。汽车工业中使用的钢质紧固件在环境腐蚀、阴极电解除油、酸液去氧化皮、化学清洗、发黑和电镀一类的化学转化膜处理条件下,都将与活性氢原子直接接触。由于电镀处理过程将产生氢,其对钢制紧固件氢的吸收所起作用最大。电镀过程中吸收氢的总量在很大程度上取决于电镀液的效率。总的来说,高效电镀处理产生的氢比低效电镀处理产生的氢要少。电镀滚桶中电镀液装载量的过多或过少等因素将对电镀处理的效率产生很大的影响。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

    其它与钢作用时产生氢的过程,如酸洗、热处理后去氧化皮或镀前处理,其影响也都是不容忽视的。John-son的研究很好地描述了浸入酸液对钢的韧性的影响。紧固件处理过程中对氢的吸收是累积性的。单一的某种处理引入零件的氢或许不足以导致氢脆,但多种处理引入零件的氢的累积却有可能导致氢脆。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

    电镀或清洗过程中氢吸收的不利影响可在电镀后的加热处理(通常是指烘烤)过程中予以消除或减轻。氢脆危害的严重程度通常取决于紧固件的强度级别和/或冷加工状况。Troiano曾经给出过失效时间与氢含量及烘烤时间之间的关系。通过烘烤,材料中氢的聚集减轻,失效时间和较低的临界应力水平则得以延长和提高。这里,临界应力水平是指低于其下就不会发生氢脆的应力水平,类似于疲劳极限。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

    烘烤时间是否足够主要取决于材料的硬度级别、电镀过程、镀层类型和镀层厚度。经电镀处理的较低硬度水平(≤35HRC)的紧固件一般应至少烘烤4小时;同样的镀层,但硬度水平较高(≥36HRC)的紧固件一般应至少烘烤8小时。曾有建议指出硬度在31~33HRC之间的紧固件应烘烤8小时;硬度在33~36HRC之间的紧固件应烘烤10小时;硬度在36~39HRC之间的紧固件烘烤12小时。硬度在39~43HRC之间的紧固件应烘14小时。烘烤工艺的制订应同时考虑到紧固件的硬度水平与镀层类型。镀层在一定程度上可以起到氢扩散障碍的作用,这将阻碍氢向紧固件外的扩散。一般来说,氢透过疏松涂层向紧固件外扩散比透过致密涂层向外扩散要容易。镀锌层与较致密的镀镉之间即有这种差别。为了使尽可能多的氢扩散出材料,有必要采取更长的烘烤时间。A.W.GrobinJr.认为,当镀层的厚度超过2.5μm时,氢从钢中扩散出去就将比较困难。在这种情况下,镀锌层就成了氢扩散的障碍。可以认为,在这种情况下进行烘烤处理实际上使氢重新分布到了材料中的各个陷阱位置。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      电镀锌0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

       电镀锌是商业紧固件最常用的镀层。它比较便宜,外观也较好看,可以有黑色、军绿色。然而,它的防腐性能一般,其防腐性能是锌镀(涂)层中最低的。一般电镀锌中性盐雾试验在72小时之内,也有采用特殊封闭剂,使得中性盐雾试验达200小时以上,但价格贵,是一般镀锌的5~8倍。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

       电镀锌加工过程易产生氢脆,所以10.9级以上的螺栓一般不采用镀锌的处理.虽然镀后可以用烘箱去氢,但因钝化膜在60℃以上时将遭破坏,因此去氢必须在电镀后钝化前进行。如此可操作性差,加工成本高。在现实中,一般生产厂不会主动去氢,除非特定客户的强制要求。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      电镀锌的紧固件扭矩—预紧力一致性较差,且不稳定,一般不用于于重要部位的连接。为了改善扭矩—预紧力一致性,也可采用镀后涂覆润滑物质的方法改善和提高扭矩—预紧力一致性。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

       磷化0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

       磷化相对镀锌便宜,耐腐蚀性能比镀锌差。磷化后应涂油,其耐腐蚀性能的高低与所涂油的性能有很大的关系。例如,磷化后涂一般的防锈油,中性盐雾试验也只有10~20小时。涂高档的防锈油,则可达72~96小时。但其价格是一般磷化涂油的2~3倍。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

       紧固件磷化常用的两种,锌系磷化和锰系磷化。锌系磷化润滑性能比锰系磷化好,锰系磷化抗腐蚀性,耐磨性镀锌较好。它的使用温度可达华氏225度到400度(107~204℃)。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

       工业用紧固件很多用磷化涂油处理。因为它扭矩—预紧力一致性很好,装配时能保证达到设计所预期的紧固要求,所以在工业中使用较多。特别是一些重要零部件的连接。如,钢结构连接副,发动机的连杆螺栓、螺母,缸盖、主轴承、飞轮螺栓,车轮螺栓螺母等。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      高强度螺栓采用磷化,还可以避免氢脆问题,所以在工业领域10.9级以上的螺栓一般采用磷化表面处理。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      氧化(发黑)0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      发黑+涂油是工业紧固件很流行的镀层,因为它最便宜,并且在油耗尽之前看起来不错。由于发黑几乎无防锈能力,所以无油后它很快就会生锈。就是在有油状态下,其中性盐雾试验也只能达到3~5小时。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

发黑的紧固件扭矩—预紧力一致性也很差。如需提高,可以在装配时在内处螺纹上涂抹油脂后再旋合。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      电镀镉0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      镉镀层耐腐蚀性能很好,特别是在海洋性大气环境下的耐腐蚀性较其他表面处理好。电镀镉的加工过程中的废液处理费用大,成本高,其价格约是电镀锌的15~20倍。所以在一般行业不使用,只用于一些特定的环境。如,用于石油钻井平台和海航飞机用紧固件。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      电镀铬0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      铬镀层在大气中很稳定,不易变色和失去光泽,硬度高耐磨性好。在紧固件上用铬镀层一般是作为装饰作用。在防腐性要求较高的工业领域很少使用,因为好的铬电镀紧固件与不锈钢同样昂贵,只是使用不锈钢强度不够时,才用镀铬紧固件代替。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      为了防止腐蚀,镀铬前应首先镀铜和镍。铬镀层可以承受华氏1200度(650℃)的高温。但也与电镀锌一样存在氢脆问题。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      镀银、镀镍0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      银镀层既可以防腐蚀,又可以作为紧固件的固体润滑剂。由于成本原因,螺母使用镀银,螺栓不用,有时小螺栓也镀银。银在空气中失去光泽,但可以在华氏1600度下作用。所以,人们利用其耐高温和润滑的特性,用于在高温下工作的紧固件,以防止螺栓、螺母的氧化咬死。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      紧固件镀镍,主要用于既要防腐,又要导电性好的地方。如车辆电瓶的引出端子等。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      镀锌(热浸锌和渗锌)0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      热浸锌为锌加热到液体下热扩散涂层。其镀层厚度在15~10μm,并且不易控制,但搞腐蚀性好,多用于工程中。热浸锌加工过程中污染严重,有锌废料和锌蒸汽等。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      由于镀层厚,在紧固件中引发了内外螺纹难以旋合的问题。解决此问题有两种方法。一种是在镀后再攻内螺纹,虽然解决了螺纹旋合的问题。但也降低了防腐性能。一种是在螺母攻丝时,使螺纹大于标准纹约有0.16~0.75mm(M5~M30),然后再热浸锌这样虽然也可解决旋合难题,但付出了强度降低的代价。目前,有一种防松螺纹——美国“施必牢”内螺纹可以解决此难题。因其内螺纹与外螺纹未紧固时容隙大,可以用于容得下厚的涂层,所以不影响旋合性,同时防腐性能和强度亦保持原样,不受影响。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      因热浸锌加工的温度原因,它不能用于10.9级以上的紧固件。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      渗锌0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      在10—190μm范围内,可按用户要求控制渗锌层的厚度,其误差≤±10﹪。对带螺纹规格,有配合要求的工件,可保证其互换性,而热浸锌工艺则厚度难以控制,难以保证互换性,而且需要工件预留较大的配合间隙,损害配合件的结合强度。  0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      真空粉末渗锌克服了热浸锌所具有的锌瘤 、毛刺等缺陷,使渗锌件外观平整、光滑,即使渗锌后不经过任何处理,也非常美观。渗锌层厚度均匀,真空粉末渗锌即使在螺纹、盲孔、转角部位也与其它部位的厚度一致。在使用过程中,不会出现局部过早锈蚀,而且可防止高压输电的尖端放电危害。这是热浸锌等工艺所不能解决的问题,特别是螺纹、盲孔等部位更为突出。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      渗锌层为锌铁合金层,结构十分致密,与钢铁基体结合牢固,电极电位低于铁高于锌。表面硬度高,耐磨性能好,其硬度比钢铁本体高一倍以上,比热浸锌层高四倍以上,在运输、装配和拆卸使用过程中,渗锌层不易磨损、擦伤、脱落。渗锌层涂装性能好。渗锌层可不经任何处理直接涂漆、涂塑或包覆高分子材料,涂层结合力比热浸锌高3—4级,结合力达到国家标准一级。渗锌工艺不改变钢铁基体材料力学性能。渗锌层形成的温度低于钢铁的相变温度,不损伤钢铁基体的机械性能,无氢脆现象,可以处理煅烧的零件、组装件、异形件、高强钢件、铸铁和铸钢件(不断裂)、弹簧钢(不失弹性)和型钢(不变形)。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  防腐性能在锌涂层中(电镀锌、热浸锌、达克罗)是最好的。一是腐蚀速度低,耐腐寿命长。从真空粉末渗锌和热浸锌产品对比检测结果可以看出,如中性盐雾实验,渗锌件1600小时(两个多月)未见锈迹;而热浸锌件96小时(4天)即出现锈迹;硫酸铜实验,渗锌件7次有连续浸泡24小时未见露铜,而热浸锌件5次即出现露铜;工业大气腐蚀实验,渗锌件600天(近两年)未见锈蚀,而热浸锌件600天表面已锈迹斑斑;流动水冲刷实验,同样PH7.17,60℃条件下流动水冲刷3000小时(4个多月),渗锌件腐蚀深度仅为9.6μm,腐蚀速度为0.0230g/㎡.h,而热浸锌件腐蚀深度已达15.1μm,腐蚀速度为0.0358g/㎡.h。二是耐海水腐蚀和抗高温氧化性能强。海水浸泡实验表明,在相同条件下,渗锌件600天(近两年)未见锈迹,而热浸锌件600天三分之一以上表 面已生锈;高温气流腐蚀实验,渗锌件耐高温≥750℃,而热浸锌件耐高温≤300℃;抗高温氧化实验,在600℃炉中2小时,渗锌件表面完好,而热浸锌件表面已氧化,紧固件被烧死,在900℃炉中2小时,渗锌件出现少许火花,紧固件拆装自如,而热浸锌件根本不可能再做这样的实验。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      达克罗0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

      不存在氢脆问题,并且扭矩—预紧力一致性能很好。如不考虑六价铬的环保问题,它实际上最适用于高防腐要求的高强度紧固件。0pJ中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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