紧固件是作紧固连接用的机械设备中最为常见的零部件,其都是在特定的环境下使用的,而紧固件与环境的长时间交互作用总是会使其状态和性能发生改变,即发生腐蚀,它是紧固件失效的主要形式之一"。紧固件腐蚀轻则会影响螺纹的可拆卸和重复安装,重则会损害部件间连接的强度,甚至会导致工件的突然失效,造成灾难性事故,因此紧固件的防腐一直是大家非常关注的话题。

紧固件常用的防腐技术

紧固件常用的防腐技术紧固件的防腐处理一般都是通过一定的方法在工件表面形成覆盖层或防腐层以阻碍外界环境对紧固件本身的影响,达到耐腐蚀的效果。紧固件防腐技术主要有以下四种:膜层处理技术、金属镀层技术、涂层技术和改变金属内部组织结构(如不锈钢)。

1、膜层处理技术

膜层处理技术主要是指利用化学或电化学方法在金属表面生成一层稳定的化学(电化学)转化膜的处理过程。如在城轨车辆中,其紧固件的膜层处理采用较多的是发黑/发蓝处理和磷化处理。

1.1、发黑和发蓝

在含有氧化剂的浓碱性溶液中,140C左右处理-定时间后,使钢铁件表面形成一层化学氧化膜的过程(主要成分是Fe,O,)。

发黑/发蓝处理的技术特点:

1)膜层厚度0.5-1.5 μm。

2)耐中性盐雾试验(NSS)一般只有2 ~5 Hrs,此时氧化膜层已破裂,甚至会出现大量锈迹,如图1所示。

 

3)氢脆敏感性低,可用做高强度螺栓。

4)作为紧固件其扭矩一预紧力一致性较差。

5)色泽较亮,装饰效果较好。

6)成本低廉。

1.2、磷化处理

钢铁件浸人含锰、磷酸、磷酸盐及其他试剂的溶液中,使金属表面生成一层难溶于水的磷酸盐转化膜的过程,叫做磷化处理。磷化处理的技术特点。

1)膜层与基体结合牢固(1 ~50 μm厚)。

2)NSS可达10~20 Hrs,甚至72 Hrs。

3)机械强度差,质脆。

4)作为紧固件其扭矩-预紧力一致性很好。

5)色泽呈浅灰等暗色,装饰效果较差。

6)氢脆敏感性较低,可用做高强度螺栓。

7)成本较低。

2 、金属镀层技术

金属镀层技术主要是在金属材料表面使用镀层技术使其形成金属薄层,以赋予金属材料装饰性或保护性的一种表面处理工艺。在城轨车辆中,紧固件的金属镀层技术主要是镀锌,以及其他特殊金属镀层(镀铬、镀镍、镀镉、镀银等)。

2.1镀锌

锌与铁能互溶,其标准电极电位为-0.76 V,对钢铁基体来说,锌镀层属于阳极性镀层,能更好的保护钢铁基体,所以镀锌技术在紧固件中应用十分普遍。常用的镀锌方法有三种:热浸镀锌、电镀锌和机械镀锌。

2.1.1 热浸镀锌

热浸镀锌是指钢铁件浸在熔融的液态锌下,使工件表面发生一系列物理和化学反应,从而形成金属镀锌层。热浸镀锌的镀层厚度很厚(可达30 ~ 60 μm) ,其耐腐蚀性能非常好,广泛应用于户外长期使用的钢铁件(如电视塔、高速路防护栏等)。对于紧固件而言,热浸镀锌--般适用于M6及以上的螺栓,但其不能用于高强度紧固件,这主要是因为热浸镀锌工艺的作业温度很高(400C~500C),易对高强度紧固件产生回火软化。

2.1.2 电镀锌

电镀锌是利用电解,在钢铁件表面形成均匀、致密、结合良好的镀锌层。电镀锌的锌层厚度较薄(5~30μm),耐腐蚀性能在镀锌防腐处理中是最差的,但其工艺简单,成本较低,对螺纹旋合问题影响也较小,在紧固件中应用广泛。由于电镀锌具有很高的氢脆敏感性,且很难彻底完成去氢(电镀锌层在100C以上其表面会起皮或脱落),所以电镀锌不能用于高强度紧固件。

2.1.3 机械镀锌

机械镀锌是指钢铁制件在锌粉、分散剂及促进剂等化学物质的作用下,利用冲击介质冲击钢铁制件表面而形成镀锌层的表面处理工艺。机械镀锌层的厚度一般为5 ~ 50 μm,镀层表面致密均匀,装饰效果较好,耐腐蚀性能优异;且镀层无高温回火、无氢脆等热浸镀锌、电镀锌的缺点,是一种特别适用于紧固件防腐的表面处理工艺。

2.2、其他金属镀层

2.2.1 镀铬

铬作为金属镀层具有附着力强,耐磨性好,装饰效果极好,同时具有较高的耐热性(500C以下都可正常使用)的特点,因此将铬镀层作为紧固件的金属镀层是十分理想的。

镀铬处理主要存在以下缺点:

1)工艺复杂,镀铬前必须先镀镍或铜。

2)价格昂贵。

3)铬镀层硬、脆,易脱落。

2.2.2 镀镍

镍作为金属镀层具有很好的导电性、很高的硬度、装饰效果好、耐热性好(600C以下都可正常使用),因此紧固件采用镀镍处理也是比较理想的。

镀镍处理主要存在以下缺点:

1)工艺复杂,镀铬前必须先镀铜。

2)镍镀层具有多孔性,镀层较薄时会加速基体腐蚀。

3)价格昂贵。

2.2.3 镀镉

镉作为金属镀层属于阳极性镀层,其具备极强的耐盐酸腐蚀性能、氢脆性低,装饰效果好的特点,尤其适用于海洋性环境应用的紧固件(比如海航飞机、石油钻井平台的紧固件)。

镀镉处理主要存在以下缺点:

①环境污染性较高,镉熔化时产生的气体和可溶性镉盐都有毒。

②价格昂贵。

2.2.4 镀银

银作为金属镀层具有极好的导电性、优良的反光性能、润滑性好及极好的耐热性(870C以下都可正常使用),故镀银处理广泛应用于电子电工、高频元件等领域(如发电机导电螺栓、车辆电瓶引出端子)。

镀银处理主要存在以下缺点:

①工艺复杂,镀银前必须先镀铜。

②价格十分昂贵。

2.2.5 镀锌镍

镀锌镍复合镀层是在镀锌表面处理工艺上优化发展起来的一种新型的合金金属镀层,其具有很多优点。

1)NSS可达500 - 1500Hrs。

2)镀层的电极电位处于Fe和Zn之间,更适合于铝制件装配。

3)镀层硬度高,装饰效果很好。

4)几乎无氢脆,可用于高强度紧固件。

5)耐热性好(8009C以下都可正常使用)。

现锌镍镀层的主要缺点:是较高的价格(约为镀锌的6倍),但它优异的综合性能已越来越得到人们广泛的认同。

3、涂层技术

涂层技术是指将特定的涂料用一定的设备和方式涂覆于物体表面,使其表面生成致密、连续、均匀的薄膜,再经自然或.人工的方法干燥固化形成起保护性或装饰性作用的涂层的一种表面处理技术。

在紧固件中,涂层技术应用最多的是锌铬涂层技术,其是将锌铬涂料涂覆在钢铁件上,经过全闭路循环涂敷烘烤从而在钢铁件表面形成的一种涂层,也叫达克罗处理,其具有以下优良特性。

1)NSS可达500 ~ 1000 Hrs。

2)良好的渗透性。

3)无氢脆敏感性。

4)环境污染性较低。

5)作为紧固件其扭矩-预紧力一致性非常好。

6)价格适中(约为镀锌的2倍)。

达克罗处理主要存在以下缺点:

1)耐磨性差(硬度仅有1 H)。

2)颜色单一(只有银白色和银灰色) ,装饰效果差。

3)导电性差,不宜用于导电连接的零件。

4、改变钢铁的组织形态

4.1 成分的改变(如不锈钢)

不锈钢是不锈耐酸钢的简称,其具有优良的耐腐蚀性能和良好的装饰效果,在各个领城都有着广泛的应用。现一般认为不锈钢的耐腐蚀机理主要如下。

1)Cr含量超过13%时,钢的电极电位会从负的电极电位升至正的电极电位,使钢铁基体本身呈“惰性”;

2)Cr会在钢铁表面形成致密的富Cr钝化膜,从而进一步保护基体。

3)不锈钢按组织形态分为:马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体-铁素体不锈钢等,其中尤以奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能最好,如A2、A4不锈钢。

不锈钢主要有以下不足:①屈服强度很低(一般不超过300 MPa),不适合重大结构件的连接。

②易出现螺纹咬死。不锈钢螺栓拧紧时易造成螺纹表面破坏,此时其会自发产生一层氧化层,从而加剧螺栓粘着锁死。

③易产生晶间腐蚀。在一定温度下不锈钢中的C和Cr会形成化合物,尤其在晶界附近,这样会造成晶界出现“贫Cr区”,导致晶界腐蚀。

④耐CI介质腐蚀性较差(除了A4不锈钢)。

⑤价格较高(约为达克罗处理的4倍)。

4.2 热处理状态的改变

钢铁材料主要是多相组织(杂质、碳化物、金属间化合物等第二相通常作为阴极存在钢铁中,而Fe基体作为阳极)。多相组织中相与相之间存在电位差,形成腐蚀微电池。第二相有可能是阳极致钝相,也有可能是阴极溶解相,两者都会对基体的耐腐性性能产生影响。

比如不锈钢,其在焊接和热处理时要十分小心。不锈钢经高温固溶处理后,在400C~850C之间加热,大量的CrsC。和Cr,C;碳化物会沿晶界析出,使晶界附近形成贫Cr区。碳化物作为腐蚀电池的阴极,贫Cr区作为腐蚀电池的阳极,从而导致晶界腐蚀,其耐腐蚀性能会大大降低。