熱滲鋅工藝對鋼制螺栓力學性能的影響研究

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 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035）

引言

鋼鐵材料因具有較高的強度、硬度、良好的韌性、優(yōu)良的加工性能，廣泛應用于航空、船舶、建筑橋梁等領域。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。據研究機構統(tǒng)計：全球每年因腐蝕報廢的鋼鐵材料占全年生產總量的1/3，因腐蝕帶來巨大的經濟損失和嚴重的人員傷亡，嚴重制約國家的經濟發(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方法有非金屬涂層保護，如有機涂層、無機涂層等處理方法；另外金屬涂層也是常用的防護手段，如鍍鋅、鍍銅、熱浸鍍鋅、鍍鋁、熱滲鋅等。其中熱滲鋅技術又稱為熱擴散表面強化技術，涂層利用粉末狀的Zn 原子在加熱狀態(tài)下通過熱擴散方式與鋼材表面Fe 原子結合，形成一層致密均勻的Zn-Fe 合金的防護涂層。

熱滲鋅涂層和鋼基體之間以冶金結合的方式連結在一起，被處理的鋼基體與鋅粉末之間通過擴散、化學鍵合等反應過程形成冶金結合的合金層[4]，該過程分為：①鋅原子通過擴散至鋼基體表面，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、全壽命期維護成本低，目前已在鐵路、橋梁等領域廣泛應用。

國內外報道中主要對熱滲鋅涂層的耐蝕性能進行了較多的研究，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、力學拉伸以及拉斷后的斷口進行分析，研究熱滲鋅工藝對鋼制螺栓的力學性能影響。

1 試驗

1.1 試驗材料及設備

強度等級為8.8 級的M8×50、M10×50、M12×50、M16×50 鋼制螺栓。

試驗設備：1.0 m 加熱爐，型號：A250 爐。

1.2 試驗件制備

將試驗用的螺栓，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 個試樣，分別標記序號為1 至10。將滲鋅后的螺栓用線切割剖開后進行鑲樣，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、10 個、20 個和30 個完整周期，螺母擰入、擰出時無軸向載荷，然后通過KH-7700 三維數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 螺采用萬能試驗機測試拉伸強度，對比滲鋅前后拉伸強度的變化，并觀察拉伸失效后的斷面形貌。

2 結果與討論

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

將配對的M8 螺栓和螺母擰入和擰出5 個、10 個、20 個和30 個完整周期，螺母擰入、擰出時無軸向載荷，然后通過KH-7700 三維數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 維氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》，通過ATT-JS-302 全自動維氏硬度計測試螺栓滲鋅涂層的顯微硬度，試驗力大小為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 拉伸強度

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

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

圖3 螺栓拉伸強度對比

由表2 及圖3 可知，滲鋅前后緊固件的拉伸強度均大于830 MPa，滿足GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中對于8.8 級螺栓的抗拉強度要求。各種規(guī)格的螺栓其拉伸強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度的影響。

表2 螺栓滲鋅前后拉伸強度

2.5 失效分析

2.5.1 宏觀形貌

對拉伸試驗后的M8 緊固件的斷口進行失效分析。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，螺紋牙底由于結構原因，容易形成應力集中。螺栓在進行拉伸試驗過程中，試樣所受載荷將逐步增大，當螺紋牙底受到的載荷大于最大能夠承受的載荷時，易產生裂紋。裂紋在牙底萌生后將沿著與主應力垂直方向進行擴展，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 拉伸強度試驗后外觀

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合螺栓在拉伸試驗中發(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，結果如圖6（b）所示，未出現缺陷。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構。

2）螺紋金相

截取螺紋縱截面，經4 %硝酸酒精溶液腐蝕后進行金相檢查，螺紋顯微形貌見圖7。可見涂層均勻連續(xù)。

圖7 螺紋金相形貌

3）化學成分分析

采用 ICP 方法和碳硫分析儀對失效試樣進行化學成分分析，結果見表3，數據均為實測。

表3 化學成分分析結果

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

3 結論

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

2）經對熱滲鋅處理后的螺栓力學性能分析，表明經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，螺栓強度等級、抗拉強度均符合標準規(guī)定。表明熱滲鋅工藝對螺栓力學強度影響不大。