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表面处理对高强度紧固件机械性能的影响

文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2017-02-13 16:32【

从事紧固件技术工作多年,总是认为紧固件的机械性能与生产紧固件的材料、冷成型加工的参数设定和成型方式、热处理工艺控制及热处理工艺参数设定有关,错误地认为表面处理对紧固件的机械性能的影响不大,表面处理只是解决紧固件的外观或抗腐蚀能力,延长紧固件使用寿命。而实际情况并非如此,采用表面处理的方法不合适或操作不符合工艺参数要求,直接影响到紧固件的机械性能,绝非局限于表面抗腐蚀能力或外观。

恒丰铆钉产品包括:开口型抽芯铆钉封闭型抽芯铆钉,单鼓型抽芯铆钉,双鼓型抽芯铆钉,内锁拉丝铆钉,外锁拉丝铆钉,轻乐型抽芯铆钉/海马钉,防水型灯笼铆钉等铆枪和相关紧固件,可按客户要求定制。

1、 金属防腐蚀的意义

金属受到环境因素的影响。借着化学或电化学反应所造成的的破坏性侵害,称为腐蚀。

几乎所有的金属制品,在一定的环境中,都会有若干形态的腐蚀现象,而紧固件是金属制品,自然无法避免金属腐蚀问题,其使用环境及时间不同时,腐蚀现象也有明显差异。特别是沿海地区,大气中的盐分及湿度极高,又有许多污染性工业,如:钢铁、石化、火力发电等,加上今年来汽车大幅增加,排放的尾气使空气中充满了腐蚀性的硫化物及微粒,这些都是造成金属腐蚀的主要原因。

金属腐蚀会造成巨额的设备维护成本及严重的经济损失,如因腐蚀而增加设计、制造、保养及维修费用,甚至发生灾难性危害。紧固件的使用范围广,数量需求也非常大,其抗蚀能力的优劣决定其使用的耐久性,对设备的安全可靠性也有非常大的影响。因此,研究抗腐蚀对紧固件的机械性能的影响很有必要。

2、 紧固件的机械性能

汽车紧固件在整车成本中仅占1%,但是数量上则占整车零件数量的70%,汽车装配工作量大部分是安装紧固件。汽车的可靠性在相当大程度上与紧固件本身质量与装配质量相关。费用低、用量大、作用重要是汽车紧固件的独特之处。

螺栓和螺母在整个工业技术领域是最实用的紧固组合,他们可以经受很高的工作负荷,也可以拆卸下来再加以利用。螺栓联接是基于可拆卸联接而创造的,可以用一组或多组螺栓连接两个或多个零件。这样,连接起来的部件都可以像一个两件那样运动或移动。螺栓联接必须有能够抵御外力的作用,使已被连接的零件不会移动,否则会造成螺栓接头的松动、破坏甚至脱落。这就是为什么工程人员所设计的螺栓联接在履行其功能的同时,必须经得住加给它的各种作用。用螺栓连接方式进行装配,其任务是使被装配的零件牢牢地紧固在一起,使外力不能将他们分离。因此,在设计螺栓连接时,直接作用在螺杆周围的力要特别给予考虑,也就是说螺栓的机械性能好坏直接影响螺栓的联接性能。

3、 金属防腐机理

表面防腐处理是指能运用各种方法在金属表面施加保护层,其作用是将金属与腐蚀性的环境隔离,以抑制腐蚀的产生,或减少腐蚀介质与金属表面的接触,而达到防止或减轻腐蚀的目的。保护层应该要符合下述要求:1、耐蚀、抗磨、高硬度;2、结构紧密、完整、空隙小;3、与基体金属结合牢固、粘结力好;4、均匀分布且有一定厚度。保护层通常分为金属涂层和非金属涂层两类,金属涂层是指耐腐蚀性较强的金属在容易腐蚀的金属表面形成保护层,这种涂层又叫镀层。产生金属镀层的方法和种类很多,最常用的是电镀,其次是熔融金属浸镀法(热浸锌)及化学表面处理。

非金属涂层是指用有机高分子材料如特氟龙,及无机材料如陶瓷,在金属表面上形成保护层。该保护层能将基体金属与环境介质完全隔离,防止金属基体因接触其它介质造成腐蚀。

电镀是指在含有欲镀金属离子的溶液中,以被镀的材料或物品为阴极,通过电解作用,即可在基体表面上获得镀层。在电解过程中,电极和电解液之间接口上发生化学反应,阳极释放电子发生氧化反应,阴极吸收电子发生还原反应。电镀可为材料或物品覆盖一层较为均匀及具有良好结合力的镀层,以改变其表面特性及外观,达到对材料的保护或装饰的目的,电镀时需要使用直流电(低电压、大电流),并能适当控制电流密度及通电时间以获得需要的镀层厚度。

紧固件镀锌,因锌与其它电镀用金属相比,价格低廉,且锌的耐蚀性在大多数情况下远远优于钢铁,镀锌层能保护在不连续部分、小孔、破裂及切边处露出的钢铁。所以,一般的紧固件或易遭受大气腐蚀作用的紧固件大都采用镀锌处理。紧固件不像板材或棒材那样形状变化或表面光滑,因此镀锌层的厚度在各部位难得均匀,常常出现头部最厚、螺纹牙顶及牙侧其次、螺纹牙谷最薄。

4、 表面处理对机械性能的影响

生产高强度紧固件的工艺包括:线材的球化退火、酸洗、磷化和皂化、紧固件成型、预清洗、奥氏体化、淬火、中间清洗、回火、表面处理(如电镀)和对于除氢的再回火处理等。虽然在氮气和天然气保护气氛中进行球化,退火处理期间仍然会吸收氢气,而在酸洗和磷化期间也会增加吸收氢气。如果紧固件不清洁,在后续的热处理中就会产生进一步的氢脆。

在进行后续热处理之前,紧固件的表面一定要清洁,做到没有任何非金属污染物,这一点非常重要,如果在紧固件表面残留有润滑剂的磷和硫,它们就会扩散到基体中,并形成三角铁素体,进而增加氢的吸收并引起脆裂。基于这一点,热处理之前的预清洗是非常重要的。

预清洗工艺是由去油、去鳞、冲洗和干燥工序组成的。如果紧固件消除不了鳞,可能导致后续热处理的脆裂。

紧固件的淬火和回火通常是在用丙烷浓化了吸热反应的保护气氛中进行的,氮气和甲醇的混合物在炉内裂解也用作一种保护气氛。在保护气氛中氢,根据运载气体的成分,在31%~67%之间变化。氢分子渗入紧固件表面,并在奥氏体温度下被溶解掉。在基体里的氢的可溶度比在高温下高6倍,因此,在淬火以后,在紧固件内部发现氢的含量高,在温度超过300℃回火时,氢就会渗进基体里。

表面处理通常是电镀、涂层或磷化等,所有的表面处理有一个共同的前提是必须去除黑色层,或者说紧固件表面有金属光亮,为了获得金属光的表面,又必须对零件进行酸洗处理。

酸洗是在稀盐酸中进行的,把紧固件放在热盐酸里搅动浸泡10~15分钟,可以这样认为:从酸洗处理到表面处理(如电镀)期间,大部分都会有氢浸入到紧固件表面。为了避免或者降低延迟氢导致的断裂危险,在电镀表面处理之后,对紧固件进行连续热处理,这种再退火工艺是在温度200℃左右进行的,处理的时间很大程度上取决于在酸洗处理期间吸收氢的数量和施加在紧固件表面涂层的渗透率。紧固件再退火处理的唯一目的是加速氢的渗出。

紧固件除油、镀前酸洗及电镀过程中所产生的的原子态氢很容易被基体金属吸附,并进入金属内部。高强度紧固件因此而形成氢脆隐患。当氢原子进入钢基体后,在应力作用下,会引起韧性和承载力的降低,发生断裂或者突然脆性失效。有这种现象的产品,通过常规拉力试验检查不出其韧性降低,这就是由氢脆引起的延迟脆性失效或氢应力断裂。为了减少紧固件电镀后的氢脆敏感性,凡抗拉强度≥1050Mpade钢制紧固件,电镀后都应在4小时内进行除氢处理。

氧化处理是将钢铁浸于含氧化剂的碱性溶液中,例如硝酸钾或硝酸钠和氢氧化钠的溶液中,并保持沸点为140℃左右,或将钢件浸于硝酸钠级硝酸钾的熔盐中,取出后淬于水中,在其表面可得到一层黑色氧化物即氧化铁膜,其成分为氧化亚铁与氧化铁的混合物,是提高钢铁防腐能力的一种简便又经济的方法。钢铁氧化膜的厚度极薄,氧化处理过程中溶液的氧化剂浓度越高,生成氧化膜的速度也越快,而且膜层致密、牢固。溶液中碱的浓度适当增加,获得氧化膜的厚度增大,碱的含量过低,氧化膜就会薄而脆弱。溶液的温度适当升高,可以提高氧化致密度。工件含碳量越高,越容易氧化,氧化时间越短。氧化处理时间主要根据钢件的含碳量和工件氧化要求来调整。调整时间的长短和氧化液的浓度高低直接影响产品性能。抗拉强度高于1000Mpade的高强度螺栓可能发生碱脆,导致黑色氧化过程中在内部或外部应力作用下自发开裂,即带有残余应力的10.9级以上高强度紧固件在碱液中进行化学氧化易引起“碱脆”,导致紧固件性能得不到正常发挥。

5、 结论

1、 高强度紧固件在选择电镀表面处理时,应在技术文档中规定并注明电镀之后、铬酸盐钝化之前(4小时之内)及时进行去氢处理。当去氢处理不彻底或与热处理回火脆性重迭时,导致高强度紧固件功能丧失,后果非常严重。

2、 10.9级以上高强度紧固件禁止在碱性溶液中进行表面氧化处理,否则,发生“碱脆”开裂,导致紧固件性能得到正常发挥,造成致命缺陷。

恒丰铆钉20年专注于不锈钢抽芯铆钉的制造、研发,并荣获国家9项实用新型专利认证,1项高新技术产品认证,被评为江苏省高新技术(后备)企业。严格执行ISO/TS16949:2009汽车质量管理体系标准。拥有先进的8条不锈钢板材连续拉伸流水线和各型线材冷镦机械,成为国内产能大,品种全的不锈钢抽芯铆钉(不锈钢拉钉)生产基地。

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