汽車高強度緊固件的氫脆預防及試驗方法

1、汽車高強度緊固件的氫脆預防及試驗方法1前言近年來，隨著汽車、橋梁、航空航天事業(yè)的長足發(fā)展，高強度緊固件的應用 日益廣泛。高強度螺栓在節(jié)約原材料成本、節(jié)省裝配位置及減輕整車重量等方面 無疑有著不可替代的優(yōu)勢，但鋼制高強度緊固件對氫脆的敏感性隱患卻是一個不 容忽視的重要課題，同時也已經(jīng)引起了整個緊固件行業(yè)及用戶的廣泛關(guān)注。汽車高強度緊固件因氫脆問題在裝配生產(chǎn)現(xiàn)場或用戶使用過程中出現(xiàn)早期 斷裂，將使整車或總成質(zhì)量與聲譽受到嚴重影響。 因氫脆斷裂具有不可預期的延 遲性，即使裝配時未發(fā)生脆斷，而是在此后更長時間才發(fā)生斷裂， 更換零件就不 得不在汽車下線后進行，甚至不得不采用召回整車進行返修的措施， 勢必

2、造成極 大的經(jīng)濟損失和名譽損失。雖然國內(nèi)外對于氫脆研究的論文不在少數(shù)， 但由于影響鋼鐵材料氫脆的因素 很多，包括基體材料的強度水平、零件服役溫度、材料表面狀況、應力狀態(tài)等等， 在這些因素交義影響下氫脆的作用機理變得更為復雜，至今仍未有文獻能做出完 整的解釋。目前基本被接受的解釋是氫的陷阱效應理論。目前針對緊固件氫脆的防治及試驗方法標準的出臺也為數(shù)不少，如：國際標準化組織（ISO）、美國汽車工程師協(xié)會（SAE）、德國標準（DIN）、國家標準（GB）等，因此，全球比較大的汽車公司或集團都制定了更加詳細的企業(yè)標準，如：美 國戴姆勒 2克萊斯勒公司、韓國大宇公司、日本本田公司、日本豐田公司、韓國 現(xiàn)代

3、公司、法國 PSA 集團、美國通用公司、德國大眾公司等等。2氫脆的機理一一陷阱效應所謂氫脆，是指氫原子侵入基體材料中而引起的材料延遲失效斷裂。氫脆通常表現(xiàn)為應力作用下的延遲斷裂現(xiàn)象。其主要原理是將鋼鐵基體中一些易于滲入 氫原子的位置形容為“陷阱”，這些位置包括鋼鐵結(jié)構(gòu)中的晶界、位錯中心、非 金屆夾雜物及碳化物等與鋼鐵原子之間形成的固 -固界面，還有應力中心等。當 活動氫原子進入這些“陷阱”，即被束縛而成為非活躍氫原子。氫原子在陷阱位 置的聚集將使材料的斷裂應力下降， 應力集中部位將形成裂紋，裂紋逐漸擴展直 至斷裂發(fā)生，此即為氫脆引起的延遲斷裂現(xiàn)象。氫脆一般發(fā)生在零件受到靜態(tài)載 荷的條件下，緊固

4、件在安裝后可能在數(shù)小時或此后更長的時間內(nèi)出現(xiàn)斷裂。而零件承受動態(tài)高應變載荷時，例如在進行拉伸試驗時，載荷在短時間內(nèi)迅速增加最 后達到零件拉力載荷極限而發(fā)生斷裂，則不易發(fā)生氫脆。因此判斷氫脆不宜采取 拉伸試驗的方法，具體方法將在后文闡述。按陷阱的深度不同，陷阱可分為可逆和不可逆兩種，這取決于陷阱束縛能的 強弱。當陷阱束縛能較弱，即陷阱比較淺，氫原子可輕易擺脫陷阱的束縛重新成 為活躍氫原子，這種陷阱稱為可逆陷阱，也可稱為引力陷阱，這種陷阱的束縛能 主要來自電場、應力場、溫度梯度或非典型的化學勢，這些束縛能不是零件自身 存在的，一般是外界環(huán)境對零件的影響，當外界環(huán)境變化束縛能消失，氫原子可 能會逃逸

5、出陷阱。當氫原子在基體內(nèi)擴散時，可逆陷阱實際上既是氫原子的巢穴，也可轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艢湓拥膩碓础２豢赡嫦葳宓氖`能較強，陷阱比較深，氫原子一旦進入其中就很難再逃逸 出來，例如大角度晶界、夾雜物或碳化物與鋼鐵原子之間形成的固-固界面、孔穴等等位置，這種陷阱是物理性的，也可稱為物理陷阱，它只能成為氫原子的巢 穴。3緊固件制造過程中易增加氫脆風險的工序螺紋緊固件在制造的過程中，如調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)、割化、滲碳、電 化學活洗、磷化、電鍍、滾壓碾制和機加工(不適當?shù)臐櫥鵁?等工序，或 在服役環(huán)境中,由于陰極保護的反作用或腐蝕的反作用, 氫原子有可能進入鋼或 其他金屆的基體，并滯留在基體內(nèi)，在低于屈服

6、強度的應力狀態(tài)下，它將可能導 致延伸性或承載能力的降低或喪失、裂紋(通常是業(yè)微觀的) ，直致在服役過程或儲存過程中發(fā)生突然斷裂，造成嚴重的脆性失效。螺紋緊固件，尤其是高強度 緊固件經(jīng)材料改制、冷成形、淬硬熱處理、磨削或機加工、碾制螺紋后，再進行 表面處理，極易受氫脆的破壞。 但是電鍍處理工序中的酸洗、電鍍是產(chǎn)生氫脆關(guān)鍵的因素之一。(1)、酸洗：零件在酸洗時，鋼鐵與酸反應產(chǎn)生氫， Fe+H+t Fe2+H2f。鋼 鐵此時與活性氫原子直接接觸，即使酸洗時間較短酸濃度較低，仍會有少量氫滲 入。(2)、除油：陰極電解除油雖然除油效率高，但通電時作為陰極的零件表面 會析血氫原子，從而造成滲氫。(3) 、

7、熱處理：高產(chǎn)量的熱處理生產(chǎn)線均采用連續(xù)式網(wǎng)帶爐，淬火爐內(nèi)一般會滴注一定量的甲醇和丙烷作為保護氣余來防止脫碳。保護氣在裂解罐中高溫裂解出 H2、CO、CO2、CH4等，此時零件在高溫環(huán)境下，氫較容易滲入。(4)、電鍍：電鍍時零件同樣作為陰極，陰極上不但沉積鋅、銳等鍍層，同 樣會有氫的析出。不過有研究表明，鍍層對氫有阻隔作用，一旦零件上沉積了一 定厚度的鍍層后，氫就很難再滲入鋼鐵基體，同樣，此前已滲入的氫也很難再逸 出。緊固件易產(chǎn)生氫脆失效危險必須滿足下面的三個特征A、高抗拉強度或硬化或表面淬硬；B、吸附氫原子；C、在拉伸應力狀態(tài)下。隨著零件硬度的提高、含碳量的增加、冷作硬化程度的強化，在酸洗和電

8、鍍 過程中。氫的溶解度和因此產(chǎn)生吸收氫的總量也將增加， 也就是說零件的氫脆敏 感性就越強。直徑較小的零件比直徑較大的零件氫脆敏感性就強。4避免和消除氫脆的措施(1) 、減少金屆中滲氫的數(shù)量必須盡量減少高強度/高硬度鋼制緊固件的酸洗，因為酸洗可加劇氫脆。在 除銹和氧化皮時，盡量采用噴砂拋丸的方法，若洛氏硬度等于或大于HRC 32的緊固件進行酸洗時，必須在制定酸洗工藝時確保零件在酸中浸泡的時間最長不 超過 10分鐘。并應盡量降低酸液的濃度，并保證零件在酸中浸泡的時間不超過 10 分鐘；在除油時，采用活洗劑或溶劑除油等化學除油方式，滲氫量較少，若 采用電化學除油，先陰極后陽極，高強度零件不允許用陰極

9、電解除油；在熱處理 時，嚴格控制甲醇和丙烷的滴注量； 在電鍍時，堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲 氫量較少。(2) 、采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層一般認為，在電鍍 Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb 時，滲入鋼件的氫容易殘留下 來，而 Cu、Mo、Al、Ag、Au、W 等金屆鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度，滲氫較少。在滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下，可采用不會造成滲氫的涂層，如 機械鍍鋅或無銘鋅鋁涂層，不會發(fā)生氫脆，耐蝕性高，附著力好，且比電鍍環(huán)保。(3) 、鍍前去應力和鍍后去氫以消除氫脆隱患若零件經(jīng)淬火、焊接等工序后內(nèi)部殘留應力較大， 鍍前應進行回火處理，回 火消除應力實際上可以減少零件內(nèi)的

10、陷阱數(shù)量，從而減輕發(fā)生氫脆的隱患。、控制鍍層厚度由丁鍍層覆蓋在緊固件表面，鍍層在一定程度上會起到氫擴散屏障的作用， 這將阻礙氫向緊固件外部的擴散。當鍍層厚度超過 2.5 m 時，氫從緊固件中擴 散出去就非常困難了。因此硬度 32HRC 的緊固件，鍍層厚度可以要求在12m；硬度 32HRC 的高強度螺栓，鍍層厚度應控制在 8 mmax。這就要求在 產(chǎn)品設(shè)計時，必須考慮到高強度螺栓的氫脆風險，合理選擇鍍層種類和鍍層厚度。在一般情況下，除了局部淬硬型緊固件外，硬度超過 49HRC 的高強度鋼制 零件不允許采用電鍍的表面處理形式。5除氫的方法和方式高強度緊固件由丁氫脆產(chǎn)生的脆性斷裂，一般發(fā)生的很突然，

11、是無法預料 的，故這種失效的形式造成的后果是很嚴重的。 尤其是在有安全性能要求時，減 少氫脆的產(chǎn)生是很有必要的，因此，高強度緊固件去除氫脆是一項很重要的工作 工作。對丁高強度緊固件除氫的方法和方式各個標準或中規(guī)定的不盡相同，但我們比較贊許硬度小丁 32HRC，可以不進行除氫處理，也不需要做氫脆試驗；硬度大 丁或等丁 32HRC,并經(jīng)酸洗及涂油、磷化、機械鍍鋅、電鍍鋅等表面處理的緊 固件必須進行除氫處理的觀點。表 1列出了相關(guān)標準中對除氫方法和方式的要要求進行驅(qū)氫處理的緊固件的硬度， 對丁表面淬硬型的緊固件，決定其去氫 處理方式主要取決丁其“表面硬度”。對整體調(diào)質(zhì)或局部淬硬型緊固件，決定其 去氫

12、處理方式主要取決丁其“芯部硬度”。表 1相關(guān)標準主要內(nèi)容進行烘烤的硬度范圍烘烤要求SAE/USCAR-5鋼氫脆的防護方法芯部或表回硬度353HV酸洗涂油、磷化、機械鍍等零件：放置48小 時或在110C下烘烤至少1小時電鍍零件：在200C下烘烤至少4小時日本H汽車公司驅(qū)氫處理方法 32 HRC硬度 A40 HRC的酸洗零件：在185土10C下 烘烤至少4小時硬度 A32 HRC的電鍍零件：在185土10C下 烘烤至少4小時日本T汽車公司驅(qū)氫處理方法 353HV且 390HV電鍍或磷化的零件：在200C下烘烤至少4小時韓國D汽車公司電鍍零件除氫檢驗 35 HRC電鍍零件：在200C下烘烤一段時間美

13、國DC公司氫脆的預防方法 32 HRC酸洗（除銹及氧化皮）、涂油（不再進行其他表 面處理）、磷化：放置48小時 或：在115土10 C下烘烤1小時機械鍍：放置48小時 或 在200土15C下烘烤1小時32 HRC36 HRC電鍍：200土10C至少烘烤4小時37 HRC39 HRC電鍍：200土10C至少烘烤8小時在目前采取的除氫措施中，烘烤是最有效的手段。有研究表明，零件表面有 一定厚度的鍍層時，氫很難透過鍍層向外擴散出去。盡管在烘烤處理中只除去了 很小一部分氫，烘烤處理可使鋼中的氫重新分布， 擴散到材料內(nèi)部的永久（或不 可逆）陷阱位置而成為非活躍狀態(tài)，并使之不易丁聚集到較為危險的陷阱位置。

14、 也就是說烘烤處理可以防止緊固件中的氫聚集到應力集中的部位，失效時間和臨界應力水平得以延長和提高。因此，目前烘烤處理在減小高強度緊固件氫脆傾向 上是很有效的。5.1 經(jīng)酸洗及涂油、磷化、機械鍍鋅表面處理的緊固件的除氫方法對丁高強度緊固件，硬度大丁或等丁 32HRC,并經(jīng)酸洗及涂油、磷化、機 械鍍鋅等表面處理的緊固件不要求進行氫脆試驗，因為上述過程中吸氫量較少， 吸收的氫通常會在 48小時內(nèi)自行釋放，因此緊固件生產(chǎn)商應在交付零件給客戶 之前放置 48 小時。也可采取烘烤去氫方法，對丁酸洗涂油和磷化的零件，應在 115 土 10 C 下烘烤 1 小時；對丁經(jīng)過酸洗后再機械鍍鋅的零件， 應在 200

15、 土 15 C 下烘烤1小時。5.2 經(jīng)電鍍鋅表面處理的緊固件的除氫方法電鍍過程中滲氫較多，零件在鍍后應盡快去氫。鋼制高強度緊固件必須在電 鍍后 1 小時內(nèi)進行適當?shù)某龤涮幚?，且除氫烘烤是在鍍鋅之后，且銘酸鹽鈍化之 前進行。烘烤時間是否足夠主要取決丁材料的硬度、機械性能級別、鍍層厚度等。 硬度 32HRC 的，可以不進行烘烤去氫處理，也不需要做氫脆試驗；硬度 32HRC 的高強度螺栓，若硬度為 3236HRC 時，需在 200 土 10 C 至少烘烤 4 小時；若硬度為 3739HRC 時，需在 200 土 10 C 至少烘烤 8小時，并且烘烤后 都要求做氫脆試驗。不論是電鍍，還是磷化表面處理

16、，封閉處理工序應在烘烤工序完成后再進行。6氫脆的檢測方法電鍍的高強度/高硬度緊固件在交付客戶之前必須進行氫脆試驗。氫脆的試 驗檢測方法有平行支撐面法、氣泡法等 6.1平行支承面法平行支承面法是目前用的比較普及的一種試驗方法，ISO、DIN、EN、GB、SAE 等標準都是規(guī)定的采用這種方法。僅試驗扭矩的設(shè)置和試驗時間長短不同而已。、國家標準的規(guī)定國家標準 GB/T 3098.17-2000檢查氫脆預載荷試驗 平行支承面法（等同 采用國際標準化組織ISO 15330: 1999標準，與德國標準 DIN EN ISO 15330也 完全一致。）標準中規(guī)定：預載荷試驗應在適當?shù)脑囼瀶A具上進行。 緊固件

17、承受的應力應在其屈服點以 內(nèi)，或者處在破壞扭矩的范圍內(nèi)。扭矩既可通過匹配螺母（或螺栓）施加，也可 通過轉(zhuǎn)動攻有螺紋的鋼板施加?？杀ＷC相應緊固件所需應力能處丁其屈服點內(nèi)， 或破壞扭矩范圍內(nèi)的其他加載方法和夾具， 也允許采用。該應力或扭矩應至少保 持 48 小時以上。每隔 24 小時應將緊固件再擰緊到初始應力或扭矩， 同時檢查緊固件是否因氫脆已發(fā)生破壞。（1）、螺栓、螺釘和螺柱：試驗夾具應使用兩面平行的硬度45HRC 的淬硬鋼板，鋼板上制有垂直丁板面的一個或多個孔，如圖 1;沒有平支承面的螺栓和 螺釘（如沉頭螺釘）的夾具見圖 2。取 5 個螺栓或螺釘試件按圖示裝火，再分別 擰緊至屈服點，記錄下達到

18、屈服點時的擰緊扭矩，這 5 個擰緊扭矩的平均值即為 氫脆試驗的擰緊力矩。圖 1 螺栓、螺釘和螺柱用的試驗夾具圖 2-沒有平支承面的螺栓和螺釘用圖 3-自擠自攻螺釘和自鉆自攻螺試驗試驗釘用試驗夾具(2) 、自擠螺釘、自攻螺釘和自鉆自攻螺釘：試驗夾具是一塊預制螺紋孔的鋼 板，如圖 3。取 5 個螺釘試件分別擰入試驗板直至螺釘頭部與試驗板貼合。繼續(xù) 擰緊螺釘使 5個螺釘分別達到其破壞扭矩，其中的最小值的 90%即為試驗扭矩 由丁十字槽、內(nèi)花形槽等扳擰形式可能會在擰緊過程中出現(xiàn)槍頭滑脫而無法將螺 釘擰至斷裂，此時就取規(guī)定的最小破壞扭矩的 90%作為試驗扭矩。(3)、彈簧墊圈和錐形彈性墊圈：墊圈試件應用

19、硬度大丁墊圈試件的平墊片 (且最低硬度為40HRC)相互隔開，若干個一起穿在螺紋公稱直徑與被試墊圈 公稱直徑相同的螺栓上，如圖 4,錐形墊圈應成對組裝試驗，將組裝件擰緊至被 試墊圈試件完全壓平*。圖 4錐形彈性墊圈的試驗夾具將試件裝入試驗夾具后，施加試驗扭矩并至少持續(xù) 48 小時，螺栓等試件應至 少每隔 24 小時重新擰緊至初始的試驗扭矩，在試驗完成之前，應進行最后一次 擰緊。然后將試件卸載后取下來，目測檢查試件，若無任何目測可見的裂縫或斷 裂，則判定通過該項試驗。值得注意的是，該標準規(guī)定的試驗方法僅適用丁過程控制，并不作為驗收檢查的試驗項目。、美國汽車工程師協(xié)會 SAE/USCAR-7 標準

20、的規(guī)定是：從待測零件批中隨機抽取 5 件，向零件或夾具施加扭矩直至零件最終損壞， 記錄每個緊固件的最大破壞扭矩，計算出 5 個數(shù)值的平均值，此值的 80%將作為 測試扭矩。然后采用相同夾具、相同負載方法向待測零件施加測試扭矩， 具體被 檢測的零件數(shù)量應由供需雙方協(xié)商決定并在控制計劃中規(guī)定。施加扭矩后的零件 靜置 24 小時后逐一檢查，在此期間零件出現(xiàn)任何損壞則整批零件判為不合格， 必須作報廢處理；如無損壞發(fā)生，則繼續(xù)負載24小時后再次施加測試扭矩，然后取下零件，目視檢查這些零件應無裂紋產(chǎn)生， 如有任何裂紋產(chǎn)生，則整批判為 不合格，同樣必須報廢。、韓國 D汽車公司標準規(guī)定的是：采用扭矩法，就是將

21、擰緊螺栓至規(guī)定的擰緊力矩后再擰約60。角，放置 15小時后目測 6.2 氣泡法這是一種比較快速、簡便的試驗方法，可將盛有適量凡士林的燒杯置于電爐 上加熱熔融，加熱到100110C 并恒溫約五分鐘以除去其中的水分，再將已活洗 除去表面油漬污物的零件完全浸入油液中，若在10秒鐘內(nèi)觀察到零件表面有氣泡逸出，則表明該零件含有一定量的氫。 也可用液態(tài)石蠟油，則試驗時需加熱至 大約 150C。不過此法只能看出零件中是否含氫,但其含氫量是否足以造成氫脆卻無法判 定。 由于零件的加工過程中或多或少會接觸到氫， 我們認為，從嚴格的意義來說， 此方法對實際生產(chǎn)和交付檢查并無指導意義。7脫磷處理值得一提的是，一般表

22、面或芯部硬度超過 353HV 的高強度緊固件在熱處理 前需要進行表面活潔操作，去除表面所有的磷和潤滑劑殘余和其他有害污染物。 為便于零件成型，也起一定的防腐蝕效果，原材料一般進行過磷皂化處理，在熱 處理時磷會滲入鋼鐵基體形成 a 鐵素體，可用 3%硝酸灑精腐蝕金相試片，在金 相顯微鏡下即可觀察到零件表面的白亮層， 這時的磷將會加劇零件的脆性。由于熱處理的高溫條件利于磷侵入基體， 因此對于必須熱處理的高強度緊固件， 脫磷 處理是必須要求進行的。8結(jié)束語：高強度緊固件的氫脆問題已是國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的重要課題。曾經(jīng)出現(xiàn)過汽車彈簧、墊圈、螺釘、片簧等鍍鋅件，在裝配之后數(shù)小時內(nèi)陸續(xù)發(fā)生斷裂，斷裂比 例達

23、40吩 50%某特種產(chǎn)品鍍鎘件在使用過程中曾出現(xiàn)過批量裂紋斷裂，曾組 織過全國性攻關(guān)，制訂嚴格的去氫工藝。另外，有一些氫脆并不表現(xiàn)為延遲斷裂 現(xiàn)象，例如：電鍍掛具（鋼絲、銅絲）由于經(jīng)多次電鍍和酸洗退鍍，滲氫較嚴重， 在使用中經(jīng)常出現(xiàn)一折便發(fā)生脆斷的現(xiàn)象；獵槍精鍛用的芯棒，經(jīng)多次鍍銘之后， 墮地即斷裂；有的淬火零件（內(nèi)應力大）在酸洗時便產(chǎn)生裂紋。這些零件滲氫嚴重，無需外加應力就產(chǎn)生裂紋，再也無法用去氫來恢復原有的韌性。緊固件由于氫脆產(chǎn)生的脆性斷裂，一般發(fā)生地很突然，是無法預料的，故這 種失效的形式造成的后果是很嚴重的。 尤其是在有安全性能要求時，減少氫脆的 產(chǎn)生是很有必要的，因此，高強度緊固件去

24、除氫脆是一項很重要的工作。參考文獻:鋼氫脆的防護SAE/USCAR-52007年 03 月氫脆的測試方法SAE/USCAR71998年 12 月緊固件標準實施指南中國標準出版社出版2006年 03 月汽車緊固件的氫脆美克萊斯勒汽車公司電鍍產(chǎn)品檢驗氫脆的方法（EDS-T-7140） 韓大宇汽車公司除氫處理（TSH5105G） 氫脆的預防方法（PS-9500）日豐田汽車公司美克萊斯勒汽車公司彈性緊固件電鍍鋅氫脆分析及預防為有效地提高彈性緊固件（彈簧墊圈、錐形墊圈、鞍形墊圈、波形墊圈等）抗蝕防護性能 和裝飾性，多半要進行 表面處理，如發(fā)黑、磷化、電鍍鋅等處理。其中電解 鍍鋅及鈍化處理 應用更為廣泛。加上彈性緊固件的硬度一般在42-50HRC之間，由于 材料及表面處理 的原因,它對氫比較敏感，在電鍍后，除氫處理未達到驅(qū)氫目的，其殘存的氫會造成彈性緊固件的延退斷裂。目前，由延遲斷裂氫脆引發(fā)的彈性緊固件 斷裂自然是一個嚴重的產(chǎn)品質(zhì)量問題,人們可以采取各種技術(shù)來減少和預防彈性緊固件的氫脆問題。1.材料缺陷的影響彈性緊固件 材料表面缺陷對電 鍍鋅的有害影響是不容忽視的, 比如鋼板表面輕微裂紋折 疊、斑痕蝕坑夾雜和超過允許深度的脫碳層，都會對彈性緊固件鍍鋅產(chǎn)生十分有害的影響,壓彎成型不當造成表面插劃傷，局部應力集中等都會有不良影響。2.熱處理工藝的影響熱處理