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汽车用高强度表面处理钢板
一般来说,钢的屈服强度增加,伸长率降低。但铁素体和马氏体双相钢(DP钢)和由于残余奥氏体加工诱发马氏体相变发生硬化而使变形量增加的TRIP钢(相变诱导塑性钢),比传统高强度钢具有更大的延性。此外,还开发出在200℃左右涂漆烘烤加热时硬度增加的烘烤硬化钢(BH钢)和添加Ti、Nb的超低碳BH钢。
在对高强度钢进行热镀Zn或合金化热镀Zn时,由于钢中的Mn、Si等强化元素和氧的亲和力较大,在镀Zn前的连续退火过程中优先被氧化,在钢板表面生成SiO2、Mn2SiO4等氧化物。这些氧化物降低了Zn液与钢的浸润性,是镀Zn钢板产生“露钢”缺陷的一个原因。
表面处理钢板的发展方向
由于Zn的良好耐蚀性以及对基板的替代腐蚀保护功能,用Zn和Zn合金进行表面处理的钢板得到广泛的应用。可以认为很难用简单方法来取代Zn的这些优良特性。但是,在Zn的替代腐蚀保护功能方面,由于对Zn阳极反应的非极化特性(阳极过电压很难增加),替代腐蚀电位很低,基本上是-1.0V,所以,在替代腐蚀反应过程中氢会渗入钢材,使钢材发生脆化。研究表明,用Al-Mg-Si合金替代Zn进行钢板热镀,可以抑制替代腐蚀电位的降低和氢渗入钢中。因此这是一个通过选择适当的合金组合减小氢脆的表面处理方法。
总之,由于Zn的物理、力学以及化学特性,很难改变Zn在钢板表面处理中的优势地位。因此,重要的不是单纯地用其他金属或合金替代Zn,而是通过钢的热处理、加工、化成处理、涂装等工艺的适当组合,开发出适用于不同用途和不同特性要求的表面处理工艺。
紧固件是一种通用基础件,制造紧固件的材料主要有钢、不锈钢、钛合金和有色金属等。高强度钢板在紧固件中使用量多。高强度钢板的力学性能很大程度上取决于制造紧固件材料的质量。长期以来,由紧固件的失效和损坏引起事故的概率非常高,因此,用于制造紧固件的材料必须严格选择。在未来较长时间内,紧固件仍以钢铁材料为主。
选用紧固件材料必须依据 于2011年10月1日正式实施的《紧固件机械性能高强度钢板、螺钉和螺柱》GB/T3098.1—2010标准(简称新标准);注重紧固件材料机械性能方面,尤其是抗拉强度方面的要求;同时依据产品的服役环境和客户的具体要求,包括工况条件对材料的抗腐蚀性能方面的要求,工作温度对材料的耐热性能(高温强度、抗氧化性能)和低温冷脆性(低温冲击韧度)方面的要求。
(1)严格控制硫和磷质量分数。
新标准中8.8~12.9级的S和P质量分数不大于0.025%。现有的GB/T699和GB/T3077中的“优质钢”规定的S,P质量分数已不能满足新标准的要求,但GB/T3077中的“高级优质钢”和“特级优质钢”满足新标准的要求,GB/T699中“特级优质钢”可以满足新标准的要求。
(2)严格控制脱碳层。
脱碳层是影响紧固件质量和材料使用的重要指标。GB/T3098.1规定:螺纹全脱碳层的深度不得大于0.015mm,8.8和9.8级螺纹未脱碳层的高度为1/2牙高,10.9级为1/3牙高,12.9级为1/4牙高。
(3)严格控制非金属夹杂物。
非金属夹杂物是造成冷镦开裂的主要原因之一,C类(硅酸盐)和D类(球状氧化物)夹杂物的影响更大。颗粒愈大愈易开裂,在距表面2mm以内的夹杂物不应大于0.15μm。对于高强度紧固件材料,要求硅酸盐夹杂物不大于0.5级,球状氧化物夹杂物不大于1级。材料控制主要缺陷:冷镦钢的锭型偏析,材料及退火过程中的表面脱碳,冷镦裂缝,调质中的淬火开裂和变形。
高强度钢板用钢材是碳素钢和为增加强度、淬透性而添加铬、钼、镍、锰等合金元素的合金钢,以及耐蚀为主的不锈钢等,此外,还有添加微量硼使淬透性大幅度提高的硼钢。20MnTiB,ML20MnTiB,10B21和10B23硼钢可制造9.8级、10.9级高强度高强度钢板。采用的热处理方法是:高温淬火、快速冷却以获得低碳马氏体,再进行中温回火,可以满足高强度钢板的服役条件。我国自主开发的钢种20MnTiB主要用于钢结构连接件,现主要用于10.9级车桥轮胎高强度钢板、螺母及差速器高强度钢板。但高强度钢板实物质量和新标准的要求还有一定的差距,需要进行成分调整。比如,新标准规定B 质量分数为0.003%,但20MnTiB钢的B 质量分数为0.0035%,超过标准规定。还有,20MnTiB钢的碳质量分数未达到0.22%以上,不能满足新标准提高淬硬性的要求。
在海洋环境、油田污水及含氯离子的化工介质中,氯离子含量高,一般不锈钢产品在此环境中的耐腐蚀能力尚好,但易发生点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀,影响使用寿命。高强度钢板是一种在含氯离子腐蚀环境中具有优良耐蚀性的材料。多年来的现场使用经验表明,高强度钢板产品具有腐蚀率低、使用寿命长、且耐点蚀、耐缝隙腐蚀能力强的优点。、
上海材料研究所的研究者们利用电化学方法,按照 标准对高强度钢板试样进行点蚀电位和缝隙腐蚀测试,进一步研究其耐局部腐蚀的机理。
试验用高强度钢板及对比材料316L、1Cr18Ni9Ti不锈钢均进行固溶处理,尺寸为10mm×10mm×10mm。对不锈钢而言,化学成分特别是Cr、Mo、Ni等耐蚀元素的综合作用,不仅决定了不锈钢组织形态,还决定了不锈钢表面钝化膜成分与性质。高强度钢板组织较均匀,晶界只有少量沿晶碳化物,减少了因晶界腐蚀而发生点腐蚀和缝隙腐蚀的诱因。
对不锈钢表面钝化膜形成有影响的成分主要是Cr、Mo、Ni等元素。钝化膜是一层很薄的致密氧化物膜。根据电化学理论,在NaCl溶液中,Cl-主要是通过与钝化膜中的O2-发生交换吸附破坏钝化膜进而于与Fe、Cr、Mo、Ni等金属离子发生反应,促进金属基体阳极溶解而腐蚀。
增加不锈钢抗点蚀能力有效的合金元素是Cr、Mo。根据化学成分分析,三种钢的Cr含量相差不多,属于18Cr型不锈钢,都能形成钝化区。Mo是提高不锈钢耐蚀性的有效元素,在不锈钢中同时加入Cr、Mo元素,材料的化学稳定性、钝化膜耐蚀性尤其是耐点腐蚀性能,都能明显提高。Ni是形成奥氏体和稳定奥氏体的 元素,可以避免氧化膜的还原,也能提高钢的耐点蚀性能。高强度钢板的点蚀电位比316L、1Cr18Ni9Ti不锈钢的高,这可能是高强度钢板的Mo、Ni含量高、耐点蚀当量大的缘故。比较试验结果发现:
(1)高强度钢板与对比材料316L、1Cr18Ni9Ti锈钢的Ni含量大致按2%左右递减,Mo含量按2%~3%递减。根据PREN结果,高强度钢板的耐点蚀能力强。
(2)固溶后的高强度钢板的金相组织是奥氏体组织,含有弥散分布的第二相和少量沿晶碳化物。
(3)在30℃的3.5%NaCl溶液中,高强度钢板的自腐蚀电位和点蚀电位比对比材料316L和1Cr18Ni9Ti不锈钢的高,这表明高强度钢板耐均匀腐蚀和耐点腐蚀的能力高于对比材料。
(4)缝隙腐蚀试验结果表明,高强度钢板施加0.800V恒电位后的瞬间电流急剧降低;随时间的延长,电流也逐渐缓慢降低;试验面无明显腐蚀、环氧树脂密封完好。诱发缝隙腐蚀后能再钝化的正电位VRP>0.800V。(余冶)
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