緊固件是作緊固連接用的機械設備中最為常見的零部件,其都是在特定的環境下使用的,而緊固件與環境的長時間交互作用總是會使其狀態和性能發生改變,即發生腐蝕,它是緊固件失效的主要形式之一"。緊固件腐蝕輕則會影響螺紋的可拆卸和重復安裝,重則會損害部件間連接的強度,甚至會導致工件的突然失效,造成災難性事故,因此緊固件的防腐一直是大家非常關注的話題。

緊固件常用的防腐技術

緊固件常用的防腐技術緊固件的防腐處理一般都是通過一定的方法在工件表面形成覆蓋層或防腐層以阻礙外界環境對緊固件本身的影響,達到耐腐蝕的效果。緊固件防腐技術主要有以下四種:膜層處理技術、金屬鍍層技術、涂層技術和改變金屬內部組織結構(如不銹鋼)。

1、膜層處理技術

膜層處理技術主要是指利用化學或電化學方法在金屬表面生成一層穩定的化學(電化學)轉化膜的處理過程。如在城軌車輛中,其緊固件的膜層處理采用較多的是發黑/發藍處理和磷化處理。

1.1、發黑和發藍

在含有氧化劑的濃堿性溶液中,140C左右處理-定時間后,使鋼鐵件表面形成一層化學氧化膜的過程(主要成分是Fe,O,)。

發黑/發藍處理的技術特點:

1)膜層厚度0.5-1.5 μm。

2)耐中性鹽霧試驗(NSS)一般只有2 ~5 Hrs,此時氧化膜層已破裂,甚至會出現大量銹跡,如圖1所示。

 

3)氫脆敏感性低,可用做高強度螺栓。

4)作為緊固件其扭矩一預緊力一致性較差。

5)色澤較亮,裝飾效果較好。

6)成本低廉。

1.2、磷化處理

鋼鐵件浸人含錳、磷酸、磷酸鹽及其他試劑的溶液中,使金屬表面生成一層難溶于水的磷酸鹽轉化膜的過程,叫做磷化處理。磷化處理的技術特點。

1)膜層與基體結合牢固(1 ~50 μm厚)。

2)NSS可達10~20 Hrs,甚至72 Hrs。

3)機械強度差,質脆。

4)作為緊固件其扭矩-預緊力一致性很好。

5)色澤呈淺灰等暗色,裝飾效果較差。

6)氫脆敏感性較低,可用做高強度螺栓。

7)成本較低。

2 、金屬鍍層技術

金屬鍍層技術主要是在金屬材料表面使用鍍層技術使其形成金屬薄層,以賦予金屬材料裝飾性或保護性的一種表面處理工藝。在城軌車輛中,緊固件的金屬鍍層技術主要是鍍鋅,以及其他特殊金屬鍍層(鍍鉻、鍍鎳、鍍鎘、鍍銀等)。

2.1鍍鋅

鋅與鐵能互溶,其標準電極電位為-0.76 V,對鋼鐵基體來說,鋅鍍層屬于陽極性鍍層,能更好的保護鋼鐵基體,所以鍍鋅技術在緊固件中應用十分普遍。常用的鍍鋅方法有三種:熱浸鍍鋅、電鍍鋅和機械鍍鋅。

2.1.1 熱浸鍍鋅

熱浸鍍鋅是指鋼鐵件浸在熔融的液態鋅下,使工件表面發生一系列物理和化學反應,從而形成金屬鍍鋅層。熱浸鍍鋅的鍍層厚度很厚(可達30 ~ 60 μm) ,其耐腐蝕性能非常好,廣泛應用于戶外長期使用的鋼鐵件(如電視塔、高速路防護欄等)。對于緊固件而言,熱浸鍍鋅--般適用于M6及以上的螺栓,但其不能用于高強度緊固件,這主要是因為熱浸鍍鋅工藝的作業溫度很高(400C~500C),易對高強度緊固件產生回火軟化。

2.1.2 電鍍鋅

電鍍鋅是利用電解,在鋼鐵件表面形成均勻、致密、結合良好的鍍鋅層。電鍍鋅的鋅層厚度較薄(5~30μm),耐腐蝕性能在鍍鋅防腐處理中是最差的,但其工藝簡單,成本較低,對螺紋旋合問題影響也較小,在緊固件中應用廣泛。由于電鍍鋅具有很高的氫脆敏感性,且很難徹底完成去氫(電鍍鋅層在100C以上其表面會起皮或脫落),所以電鍍鋅不能用于高強度緊固件。

2.1.3 機械鍍鋅

機械鍍鋅是指鋼鐵制件在鋅粉、分散劑及促進劑等化學物質的作用下,利用沖擊介質沖擊鋼鐵制件表面而形成鍍鋅層的表面處理工藝。機械鍍鋅層的厚度一般為5 ~ 50 μm,鍍層表面致密均勻,裝飾效果較好,耐腐蝕性能優異;且鍍層無高溫回火、無氫脆等熱浸鍍鋅、電鍍鋅的缺點,是一種特別適用于緊固件防腐的表面處理工藝。

2.2、其他金屬鍍層

2.2.1 鍍鉻

鉻作為金屬鍍層具有附著力強,耐磨性好,裝飾效果極好,同時具有較高的耐熱性(500C以下都可正常使用)的特點,因此將鉻鍍層作為緊固件的金屬鍍層是十分理想的。

鍍鉻處理主要存在以下缺點:

1)工藝復雜,鍍鉻前必須先鍍鎳或銅。

2)價格昂貴。

3)鉻鍍層硬、脆,易脫落。

2.2.2 鍍鎳

鎳作為金屬鍍層具有很好的導電性、很高的硬度、裝飾效果好、耐熱性好(600C以下都可正常使用),因此緊固件采用鍍鎳處理也是比較理想的。

鍍鎳處理主要存在以下缺點:

1)工藝復雜,鍍鉻前必須先鍍銅。

2)鎳鍍層具有多孔性,鍍層較薄時會加速基體腐蝕。

3)價格昂貴。

2.2.3 鍍鎘

鎘作為金屬鍍層屬于陽極性鍍層,其具備極強的耐鹽酸腐蝕性能、氫脆性低,裝飾效果好的特點,尤其適用于海洋性環境應用的緊固件(比如海航飛機、石油鉆井平臺的緊固件)。

鍍鎘處理主要存在以下缺點:

①環境污染性較高,鎘熔化時產生的氣體和可溶性鎘鹽都有毒。

②價格昂貴。

2.2.4 鍍銀

銀作為金屬鍍層具有極好的導電性、優良的反光性能、潤滑性好及極好的耐熱性(870C以下都可正常使用),故鍍銀處理廣泛應用于電子電工、高頻元件等領域(如發電機導電螺栓、車輛電瓶引出端子)。

鍍銀處理主要存在以下缺點:

①工藝復雜,鍍銀前必須先鍍銅。

②價格十分昂貴。

2.2.5 鍍鋅鎳

鍍鋅鎳復合鍍層是在鍍鋅表面處理工藝上優化發展起來的一種新型的合金金屬鍍層,其具有很多優點。

1)NSS可達500 - 1500Hrs。

2)鍍層的電極電位處于Fe和Zn之間,更適合于鋁制件裝配。

3)鍍層硬度高,裝飾效果很好。

4)幾乎無氫脆,可用于高強度緊固件。

5)耐熱性好(8009C以下都可正常使用)。

現鋅鎳鍍層的主要缺點:是較高的價格(約為鍍鋅的6倍),但它優異的綜合性能已越來越得到人們廣泛的認同。

3、涂層技術

涂層技術是指將特定的涂料用一定的設備和方式涂覆于物體表面,使其表面生成致密、連續、均勻的薄膜,再經自然或.人工的方法干燥固化形成起保護性或裝飾性作用的涂層的一種表面處理技術。

在緊固件中,涂層技術應用最多的是鋅鉻涂層技術,其是將鋅鉻涂料涂覆在鋼鐵件上,經過全閉路循環涂敷烘烤從而在鋼鐵件表面形成的一種涂層,也叫達克羅處理,其具有以下優良特性。

1)NSS可達500 ~ 1000 Hrs。

2)良好的滲透性。

3)無氫脆敏感性。

4)環境污染性較低。

5)作為緊固件其扭矩-預緊力一致性非常好。

6)價格適中(約為鍍鋅的2倍)。

達克羅處理主要存在以下缺點:

1)耐磨性差(硬度僅有1 H)。

2)顏色單一(只有銀白色和銀灰色) ,裝飾效果差。

3)導電性差,不宜用于導電連接的零件。

4、改變鋼鐵的組織形態

4.1 成分的改變(如不銹鋼)

不銹鋼是不銹耐酸鋼的簡稱,其具有優良的耐腐蝕性能和良好的裝飾效果,在各個領城都有著廣泛的應用。現一般認為不銹鋼的耐腐蝕機理主要如下。

1)Cr含量超過13%時,鋼的電極電位會從負的電極電位升至正的電極電位,使鋼鐵基體本身呈“惰性”;

2)Cr會在鋼鐵表面形成致密的富Cr鈍化膜,從而進一步保護基體。

3)不銹鋼按組織形態分為:馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼、奧氏體-鐵素體不銹鋼等,其中尤以奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能最好,如A2、A4不銹鋼。

不銹鋼主要有以下不足:①屈服強度很低(一般不超過300 MPa),不適合重大結構件的連接。

②易出現螺紋咬死。不銹鋼螺栓擰緊時易造成螺紋表面破壞,此時其會自發產生一層氧化層,從而加劇螺栓粘著鎖死。

③易產生晶間腐蝕。在一定溫度下不銹鋼中的C和Cr會形成化合物,尤其在晶界附近,這樣會造成晶界出現“貧Cr區”,導致晶界腐蝕。

④耐CI介質腐蝕性較差(除了A4不銹鋼)。

⑤價格較高(約為達克羅處理的4倍)。

4.2 熱處理狀態的改變

鋼鐵材料主要是多相組織(雜質、碳化物、金屬間化合物等第二相通常作為陰極存在鋼鐵中,而Fe基體作為陽極)。多相組織中相與相之間存在電位差,形成腐蝕微電池。第二相有可能是陽極致鈍相,也有可能是陰極溶解相,兩者都會對基體的耐腐性性能產生影響。

比如不銹鋼,其在焊接和熱處理時要十分小心。不銹鋼經高溫固溶處理后,在400C~850C之間加熱,大量的CrsC。和Cr,C;碳化物會沿晶界析出,使晶界附近形成貧Cr區。碳化物作為腐蝕電池的陰極,貧Cr區作為腐蝕電池的陽極,從而導致晶界腐蝕,其耐腐蝕性能會大大降低。