汽车紧固件热处理技术的新发展
■ 张先明
1、热处理工艺对提高螺栓疲劳强度的影响
汽车紧固件历来具有种类繁多、形式多样、规格多样的特点，其选择和使用涉及结构分析、连接设计、失效与疲劳分析、腐蚀要求和装配方法，以及相关的产品质量控制和检测，这些因素很大程度上决定了汽车产品的最终质量和可靠性。
高强度汽车螺栓的疲劳寿命一直是人们关注的问题。有数据显示，大多数螺栓失效都是由疲劳损伤引起的，几乎没有疲劳损伤的迹象。因此，疲劳损伤发生时很容易引发重大事故。热处理可以优化紧固件材料的性能，提高其疲劳强度。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就显得更为重要。
1.材料疲劳裂纹的萌生
疲劳裂纹最先萌生的部位称为疲劳源，它对螺栓的组织十分敏感，能在很小的尺度上萌生疲劳裂纹，一般在3～5个晶粒尺寸内。螺栓的表面质量问题是主要的疲劳源，大多数疲劳都是从螺栓的表面或亚表面开始萌生的。螺栓材料晶体中大量的位错和一些合金元素或杂质，以及晶界强度的差异，都是可能导致疲劳裂纹萌生的因素。研究表明，疲劳裂纹容易出现在以下位置：晶界、表面夹杂物或第二相粒子、空洞等。这些位置都与材料复杂多变的组织有关，如果热处理后能改善组织，可以在一定程度上提高螺栓材料的疲劳强度。
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，显著降低螺栓的疲劳强度。GB/T3098.1标准中收录了螺栓性能的脱碳试验，并规定了脱碳层的最大深度。在分析轮毂螺栓断裂失效原因时发现，脱碳层存在于螺纹与杆件连接处。Fe3C在高温下能与O2、H2O、H2发生反应，导致螺栓材料内部Fe3C还原，从而使螺栓材料铁素体相增多，降低螺栓材料强度，且易产生微裂纹。热处理过程中控制加热温度，采用可控气氛保护加热，可以很好地解决这一问题。
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。在受到交变动载荷时，缺口应力集中处会不断发生微变形和回复过程，其所受的应力比无应力集中处大得多，容易导致疲劳裂纹的产生。
紧固件通过淬火、回火处理改善组织，具有优良的综合力学性能，可以提高螺栓材料的疲劳强度，合理控制晶粒尺寸保证低温冲击能量吸收，同时还能获得较高的冲击韧性。合理的热处理细化晶粒，缩短晶界间距离，防止疲劳裂纹的产生。如果材料内部存在一定量的晶须或第二相粒子，这些加入的相可以在一定程度上阻止驻留滑移带的滑移，从而阻止微裂纹的萌生和扩展。
2.淬火冷却介质及热处理加工介质
汽车高强度紧固件具有一系列的技术特点：精度等级高；使用环境恶劣，随主机常年受到严寒、极端温差的影响，经受高低温侵蚀；承受静载荷、动载荷、超载、重载荷及环境介质的腐蚀。工作中除承受轴向预紧拉伸载荷外，还会承受附加拉伸交变载荷、侧向剪切交变载荷或二者的综合弯曲载荷，有时还要承受冲击载荷；附加侧向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，轴向拉伸载荷会引起螺栓的延迟断裂，高温条件下螺栓还会发生蠕变。
大量失效螺栓表现为沿螺栓头与杆部过渡处断裂；沿螺栓螺纹与杆部交叉处拉断；沿螺纹滑移等。金相分析表明，螺栓表面和心部存在大量未溶解的铁素体。当淬火奥氏体化不充分时，基体强度不足，应力集中是失效的重要原因。因此，保证螺栓断面的淬硬性和均匀性非常重要。
淬火油的作用是将炽热的金属螺栓的热量迅速带走，使之降至马氏体转变温度以下，以获得高硬度的马氏体组织和淬硬层深度，同时还兼顾减小螺栓的变形和防止开裂。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≥10.9级合金结构钢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。油中微量的水分会严重影响油的冷却性能，造成紧固件淬火后光亮度下降、硬度不均、出现软点甚至开裂倾向。研究表明，油淬引起的变形问题，有一部分是由油中含水引起的。另外，油中含水还会加速油的乳化变质、促使油中添加剂失效。当油中含水量≥0.1%时，油受热时，积聚在油箱底部的水分达到沸点，体积突然膨胀，容易造成油溢出淬火油箱，引发火灾。
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图，确定淬火油的合适使用寿命，预测淬火油性能变化相关的问题，从而减少因淬火油性能变化而引起的返工或报废损失，使之成为生产的常规控制方法。淬硬深度直接影响螺栓热处理后的质量。当材料的淬硬性差，冷却介质的冷却速度慢，螺栓尺寸较大时，淬火时螺栓心部不可能完全淬硬成马氏体，从而降低心部区域的强度水平，特别是屈服强度。这对于整个截面上承受均匀分布的拉应力的螺栓显然是非常不利的。淬硬性不足使强度降低。 金相检验发现心部有先共析铁素体和网状铁素体组织，说明螺栓的淬硬性需要提高。众所周知，提高淬硬性的两个途径，提高淬火温度和增加淬火冷却介质的冷却能力，都可以有效提高螺栓的淬硬深度。
霍顿公司在原有中冷速度淬火油-G基础上，专门研制了快速淬火油-K2000，进一步提高了其淬硬能力，特别适用于紧固件的淬火冷却，能获得满意的淬硬深度。
快速淬火油的蒸汽膜阶段短，即油的高温阶段冷却快，这一特点有利于10B33、45钢制成的≤M20螺栓、M42螺母获得较深的淬硬层，而对于10B28钢，减薄≤M12螺栓、M30螺母，以保证心部硬度与表面硬度相差较小。从冷却速度分布分析，除了中、高温阶段要求快速冷却外，油的低温冷却速度对淬硬层深度影响较大，低温冷却速度越高，淬硬层往往越深。这对高强度紧固件在整个截面上均匀承受载荷，并在淬硬状态下获得回火前约90%的马氏体组织十分有利。 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。
对于较大的螺栓，PAG淬火冷却介质仍为主要，满足了大部分产品的淬火要求。PAG淬火冷却介质在马氏体转变区处于沸腾阶段，冷却速度快，危险性较大，但可调节浓度，在300℃左右确定冷却速度的关键指标。此温度点的冷却速度越低，防止淬火裂纹的能力越强，适用的钢种越多。使用过程中对流冷却速度的稳定性是保证淬火质量最重要的因素。
在早期失效螺栓样品上，在断裂螺栓断口附近的螺纹上可见裂纹缺陷。这主要是由于螺栓滚压工艺不当，导致滚压螺纹在冷成型过程中，金属塑性流变收敛后产生折叠。在螺纹牙底也可见到深度不等的微裂纹，加工过程中积屑瘤的形成产生了应力集中区。GB/T5770.3-2000《紧固件表面缺陷螺栓、螺钉和螺柱的特殊要求》标准规定，对于承受应力的螺栓，当螺纹中径以上深度不大于螺纹牙高的1/4时，允许有折叠；螺纹牙底的折叠和积屑瘤均不允许有缺陷，而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，可以有效防止积屑瘤，减少应力集中，从而有助于提高螺栓的疲劳寿命。
3.汽车紧固件表面防护及技术发展
汽车上的紧固件特别是紧固螺栓、管夹、弹片等在使用过程中处于极其恶劣的环境中，通常会受到严重的腐蚀，甚至因生锈而难以拆卸。因此，紧固件必须具有良好的耐腐蚀性能。目前采用较普遍的方法有对其表面进行电镀锌、锌镍合金、磷化、发黑和达克罗处理等。由于汽车紧固件表面镀层中六价铬含量受到限制，不符合环保指令的标准，含有有害物质的产品不允许流入市场，这对汽车紧固件表面处理的创新能力提出了前所未有的高标准的环保要求。
1.水性锌铝涂料
环保新型涂装技术—片状锌铝涂层久美特。依诺福集团在30多年达克罗（）表面防锈技术经验的基础上，经过多年的研发，开发出了一种完全无铬的表面处理技术—久美特（）。
其防锈机理是经过久美特处理后的膜层结构与达克罗处理后的膜层结构相同，金属片层层重叠，形成一层用有机硅粘合剂粘合在一起的薄膜，从而覆盖在基体上。
的优点： ①导电性。高强度的金属薄片使的螺栓具有导电性。 ②油漆适应性。可作为大多数油漆的底漆，包括电镀。 ③环保。水溶液，不含铬，不产生废水，也不会向空气中排放有害物质。 ④耐腐蚀性能优异，只需要6到8μm的膜厚，就能达到1000h以上的盐雾试验。 ⑤耐热性。无机膜，且膜中不含水分。 ⑥无氢脆工艺。无酸、无电解的涂装工艺，避免了像普通电镀工艺那样的氢脆。
摩擦系数的稳定对汽车紧固件的装配至关重要，水性片状锌铝涂料是解决摩擦系数问题的一个方案，在锌铝涂料的基础上，涂覆具有润滑功能的水性无机面漆——PLUS，PLUS的型号及摩擦系数范围如表1所示。
2.电泳涂装技术
近年来，部分汽车企业对部分紧固件采用电泳涂装来代替电镀后钝化处理。电泳涂装的原理简单来说就是“异性相吸”，就像磁铁一样。螺栓在阳极进行阳极电泳，涂膜带负电；而螺栓在阴极进行阴极电泳，涂膜带正电。众所周知，电泳涂装机械化程度高，环保，漆膜耐腐蚀性能优良。回收再利用水资源，减少排放；加强重金属回收利用，减少排放；减少VOC（挥发性有机化合物）排放；减少能源消耗（水、电、燃料等），在满足环保要求的前提下降低成本、提高质量。
在汽车零部件及紧固件上应用已有数年，电泳涂装工艺比较成熟，是替代电镀的产品。紧固件专用电泳涂装材料有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；还有ZiNC Rich富锌有机涂层（导电性）。
随着技术的发展，除了阴极电泳涂装具有优良的耐腐蚀性能外，具有一定耐候性和耐边缘腐蚀性的阳极电泳涂装也已在生产线上投入实际使用。目前PPG公司的电泳涂装系列已得到众多汽车厂家的认可，并统一了一系列的规格，S424已改为S451，如福特-A2，S451；通用汽车代号G；克莱斯勒PS-7902 C。
表 1 PLUS 类型和摩擦系数范围
PLUS类型 摩擦系数范围（） PLUS XL 0.06～0.09 PLUS L 0.08～0.14 PLUS VL 0.09～0.14 PLUS ML 0.10～0.16 PLUS M 0.12～0.18
电泳涂装的好处是环保。电泳涂装采用水性漆，三价铬钝化；提高了产品的耐腐蚀性能，附着力极佳；不堵孔、不堵螺纹，膜厚均匀，扭矩值一致；传统电镀+钝化工艺，盐雾试验达到144小时左右。采用锌系磷化+富锌底漆+阴极电泳涂装工艺后，盐雾试验可达1000小时以上。若采用电镀+阴极电泳涂装工艺，盐雾试验可达500小时以上（见表2）。
表2 几种涂层盐雾试验结果对比
电镀+阴极电泳+面漆 盐雾试验/h 120 200～300 1000～1500 500～1000 工艺流程 锌系磷化+阳极电泳 锌系磷化+阴极电泳 锌系磷化+富锌底漆+阴极电泳
四、结论
未来汽车紧固件发展将更加个性化，热处理工艺凸显服务特色，智能化、绿色化、轻量化技术将发挥重要作用。技术装备发展是先进制造业发展的基础，还有很大的发展空间，缩小与国外先进水平的差距，任务依然艰巨，任重道远。
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