熱滲鋅工藝對鋼制螺栓力學(xué)性能的影響研究

王媛媛，朱培，王小龍，何衛(wèi)平，劉元海，郭曉旭

（中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，荊門 448035）

引言

鋼鐵材料因具有較高的強(qiáng)度、硬度、良好的韌性、優(yōu)良的加工性能，廣泛應(yīng)用于航空、船舶、建筑橋梁等領(lǐng)域。但鋼鐵材料在與各種自然環(huán)境的相互作用下，容易發(fā)生腐蝕。據(jù)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)：全球每年因腐蝕報(bào)廢的鋼鐵材料占全年生產(chǎn)總量的1/3，因腐蝕帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的人員傷亡，嚴(yán)重制約國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此亟需解決鋼材的腐蝕問題[1-3]。

目前鋼鐵材料主要的腐蝕防護(hù)方法有非金屬涂層保護(hù)，如有機(jī)涂層、無機(jī)涂層等處理方法；另外金屬涂層也是常用的防護(hù)手段，如鍍鋅、鍍銅、熱浸鍍鋅、鍍鋁、熱滲鋅等。其中熱滲鋅技術(shù)又稱為熱擴(kuò)散表面強(qiáng)化技術(shù)，涂層利用粉末狀的Zn 原子在加熱狀態(tài)下通過熱擴(kuò)散方式與鋼材表面Fe 原子結(jié)合，形成一層致密均勻的Zn-Fe 合金的防護(hù)涂層。

熱滲鋅涂層和鋼基體之間以冶金結(jié)合的方式連結(jié)在一起，被處理的鋼基體與鋅粉末之間通過擴(kuò)散、化學(xué)鍵合等反應(yīng)過程形成冶金結(jié)合的合金層[4]，該過程分為：①鋅原子通過擴(kuò)散至鋼基體表面，形成固溶體；②以形成的固溶體為界面，Zn、Fe 通過相互擴(kuò)散使固溶層增厚形成Fe-Zn 合金層[4]。由于熱滲鋅涂層具有較好的耐蝕性、耐磨性以及高硬度等優(yōu)勢，且其工藝過程綠色環(huán)保、加工操作簡單、全壽命期維護(hù)成本低，目前已在鐵路、橋梁等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外報(bào)道中主要對熱滲鋅涂層的耐蝕性能進(jìn)行了較多的研究，而在熱滲鋅工藝中形成的Fe-Zn 合金層對鋼制材料的力學(xué)性能研究較少，本文通過對熱滲鋅后的鋼制螺栓的硬度、力學(xué)拉伸以及拉斷后的斷口進(jìn)行分析，研究熱滲鋅工藝對鋼制螺栓的力學(xué)性能影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

強(qiáng)度等級為8.8 級的M8×50、M10×50、M12×50、M16×50 鋼制螺栓。

試驗(yàn)設(shè)備：1.0 m 加熱爐，型號：A250 爐。

1.2 試驗(yàn)件制備

將試驗(yàn)用的螺栓，首先采用清洗劑清洗后，用0.5 mm 的鋼球拋丸去除表面的浮銹等氧化物。每批裝爐量為20 kg 螺栓，裝入A250 加熱爐中，滲鋅粉劑的添加量為0.8 kg，加熱2 h 至410 ℃，然后保溫1 h。冷卻后，振動清洗去除螺栓表面浮灰。

1.3 性能測試

按照不同尺寸大小選取5 組螺栓，每組2 個(gè)試樣，分別標(biāo)記序號為1 至10。將滲鋅后的螺栓用線切割剖開后進(jìn)行鑲樣，制成金相樣品。之后依次用320 目，600 目，800 目，1 200 目，2 000 目砂紙打磨至表面光滑。烘干后用5 %硝酸酒精腐蝕，使用KH-7700 三維數(shù)字顯微鏡測試螺栓滲鋅涂層的厚度及微觀形貌，通過ATT-JS-302全自動維氏硬度計(jì)測試緊固件基材及滲鋅涂層的顯微硬度。

將配對的螺栓和螺母擰入和擰出5 個(gè)、10 個(gè)、20 個(gè)和30 個(gè)完整周期，螺母擰入、擰出時(shí)無軸向載荷，然后通過KH-7700 三維數(shù)字顯微鏡觀察螺栓上螺紋的滲鋅涂層磨損脫落情況。

將滲鋅前后的M8 螺采用萬能試驗(yàn)機(jī)測試?yán)鞆?qiáng)度，對比滲鋅前后拉伸強(qiáng)度的變化，并觀察拉伸失效后的斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 厚度及微觀形貌

不同尺寸螺栓滲鋅涂層厚度測試圖片見圖1，涂層厚度處于（25~45）μm 之間，厚度的均勻性較好。

圖1 螺栓滲鋅涂層厚度測試

圖2 擰入和擰出不同周期后螺紋滲鋅涂層

2.2 擰脫耐磨試驗(yàn)

將配對的M8 螺栓和螺母擰入和擰出5 個(gè)、10 個(gè)、20 個(gè)和30 個(gè)完整周期，螺母擰入、擰出時(shí)無軸向載荷，然后通過KH-7700 三維數(shù)字顯微鏡觀察螺栓上螺紋的滲鋅涂層磨損脫落情況，擰入擰出不同周期后，螺紋滲鋅涂層未見脫落，表明經(jīng)過滲鋅處理后，涂層具有較好的耐磨性。

2.3 顯微硬度

按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》，通過ATT-JS-302 全自動維氏硬度計(jì)測試螺栓滲鋅涂層的顯微硬度，試驗(yàn)力大小為10 N。從表1 中可以看出，滲鋅涂層的顯微硬度基本處于（360~390）HV，相比普通鍍鋅層（100~120）HV 明顯提升了3 倍以上。

表1 螺栓滲鋅涂層顯微硬度

2.4 拉伸強(qiáng)度

按照GJB 715.23A-2015《緊固件試驗(yàn)方法 拉伸強(qiáng)度》的要求，對不同尺寸螺栓未進(jìn)行表面處理和經(jīng)過熱滲鋅處理后的拉伸強(qiáng)度性能進(jìn)行測試，比較熱滲鋅前后螺栓的拉伸強(qiáng)度變化情況。

為更直觀對比滲鋅前后緊固件拉伸強(qiáng)度的變化情況，將試驗(yàn)得到的拉伸強(qiáng)度結(jié)果繪制成曲線圖，不同尺寸緊固件的拉伸強(qiáng)度變化情況見圖3。

圖3 螺栓拉伸強(qiáng)度對比

由表2 及圖3 可知，滲鋅前后緊固件的拉伸強(qiáng)度均大于830 MPa，滿足GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中對于8.8 級螺栓的抗拉強(qiáng)度要求。各種規(guī)格的螺栓其拉伸強(qiáng)度在滲鋅前后變化相差較小，表明可以忽略熱滲鋅工藝對螺栓拉伸強(qiáng)度的影響。

表2 螺栓滲鋅前后拉伸強(qiáng)度

2.5 失效分析

2.5.1 宏觀形貌

對拉伸試驗(yàn)后的M8 緊固件的斷口進(jìn)行失效分析。從圖4（a）中箭頭所示的斷裂位置來看，螺栓的斷裂均位于螺紋段。且斷裂位置均位于螺紋牙底處，螺紋牙底由于結(jié)構(gòu)原因，容易形成應(yīng)力集中。螺栓在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)過程中，試樣所受載荷將逐步增大，當(dāng)螺紋牙底受到的載荷大于最大能夠承受的載荷時(shí)，易產(chǎn)生裂紋。裂紋在牙底萌生后將沿著與主應(yīng)力垂直方向進(jìn)行擴(kuò)展，直至斷裂。從圖4（b）可以看出，斷口外觀均為可見宏觀塑性變形特征。

圖4 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)后外觀

2.5.2 斷口分析

試樣斷口形貌見圖5。圖5（a）為宏觀形貌，斷口整體呈斜面，可見平坦和陡峭區(qū)兩個(gè)區(qū)域，陡峭區(qū)可見剪切唇特征，可能是螺栓失穩(wěn)后發(fā)生最終斷裂造成的，故該區(qū)應(yīng)是斷口的終斷區(qū)。圖5（b）為起裂區(qū)微觀形貌，起裂區(qū)位于螺紋牙底處，該區(qū)域未見明顯夾雜、氣孔等缺陷。

圖5 斷口微觀形貌

將斷口分為 A、B、C、D 四個(gè)區(qū)域，各區(qū)域微觀形貌分別見圖6（c）~（f），斷裂均為韌窩形貌。通過觀察斷口形貌并結(jié)合螺栓在拉伸試驗(yàn)中發(fā)生斷裂的情況，均為韌性過載斷裂。

圖6 微觀形貌

2.5.3 金相檢查

1）斷口金相

將試樣鑲樣、磨樣、拋光后觀察斷口截面金相顯微形貌（取樣位置如圖所示），結(jié)果如圖6（a）圖所示，在拋光態(tài)下斷口源區(qū)未見夾雜、疏松等冶金缺陷。采用 4 %硝酸酒精溶液腐蝕拋光面后再次觀察，結(jié)果如圖6（b）所示，未出現(xiàn)缺陷。從圖6（c）可以看出，基體組織為回火索氏體正常組織，表明熱滲鋅工藝并沒有改變基體材料的組織結(jié)構(gòu)。

2）螺紋金相

截取螺紋縱截面，經(jīng)4 %硝酸酒精溶液腐蝕后進(jìn)行金相檢查，螺紋顯微形貌見圖7?？梢娡繉泳鶆蜻B續(xù)。

圖7 螺紋金相形貌

3）化學(xué)成分分析

采用 ICP 方法和碳硫分析儀對失效試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3，數(shù)據(jù)均為實(shí)測。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果

其中有害元素S、P 含量符合GB/T 3077-2015 中優(yōu)質(zhì)鋼的要求（S ≤0.030 %，P ≤0.030 %）。由測試結(jié)果可知，熱滲鋅工藝并未改變基體材料的化學(xué)成分。

3 結(jié)論

1）經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，熱滲鋅工藝處理后不會改變鋼制材料的組織結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分，而提升了鋼制螺栓的擰脫耐磨性能及顯微硬度。

2）經(jīng)對熱滲鋅處理后的螺栓力學(xué)性能分析，表明經(jīng)過熱滲鋅工藝處理后的螺栓，拉伸斷口源區(qū)未見夾雜、氣孔等缺陷，螺栓強(qiáng)度等級、抗拉強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。表明熱滲鋅工藝對螺栓力學(xué)強(qiáng)度影響不大。