高強度螺栓中δ鐵素體影響的研究與探討

莊小斌，肖芳

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

1 引言

在國標GB/T 3098.1：2010中，明確規定，對于12.9/12.9級的高強度螺栓表面，不允許金相中檢出存在白色磷化物聚集層[1]。其中，該白色磷化物聚集層在金相中，呈現δ相，厚度約為10～20μm（見附圖 1）。

圖1

由于近年來，緊固件加工工藝成熟，在汽車和其他相關行業中，使用了越來越多高強度螺栓，同樣，對緊固件的要求也越來越嚴格。為了避免由白色磷化物聚集（δ鐵素體）導致的延遲破壞，本文提出了相應的預防和控制措施。

2 產生的機理

磷在鋼中，會融入鐵素體中，呈現δ相，使鐵素體的強度和硬度提高。但同時會使鋼在低溫下的塑性、耐沖擊韌性都急劇下降，使鋼變脆，這種現象成為“冷脆”。

因此，在鋼種的含磷量要嚴格控制，高級優質鋼中，含磷量應控制在0.035%以下。

除了鋼材在制造中殘余的磷之外，磷還有其他途徑進入到鋼材中。用于制造高強度螺栓的材料為低碳合金鋼，但在螺栓元線材抽制之前，一般會先采用磷酸鋅皮膜表面處理作為線材表面的潤滑膜。用于降低其表面的摩擦系數，以滿足后續的抽制、冷鐓冷成型的加工潤滑要求。

這層磷化膜中磷，在后續的調制熱處理過程中，溫度達到奧氏體化溫度后，表層的磷將會擴散，并融進入零件表層中的奧氏體中。并在調制處理之后，呈現白色的磷化物層。

3 對高強度螺栓的影響

高強度螺栓表層的這一層δ鐵素體轉化層，會大大降低其表層的塑性變形能力，而高強度螺栓是圓柱形螺紋緊固件，其主要功能，就是通過擰緊螺栓過程中，產生的螺桿變形，來產生夾持力，起到固定連接件的功能。

在工作狀態下，其螺紋部分所承受的載荷會大大高于其芯部，特別是在螺紋中徑區域。

這時候，螺紋表層的磷化物聚集層的硬化，會導致芯部與表面的彈性極限不一致，從而導致內外變形程度不同，在表面有微裂紋的產生。

圖2

一般高強度螺栓，會使用在關鍵的位置，多有高載荷的交變應力的需求。微裂紋在交變應力下，會很快擴張，導致螺栓的疲勞強度大大降低的現象[2]。

4 預防途徑

目前，行業內在預防δ鐵素體的影響上，普遍使用的方式有兩種。

1）在高強度螺栓進行調質熱處理之前，將其表層的磷化層進行去除。由于一旦加熱到了840℃~860℃，磷擴散融入了奧氏體中，將無法再進行去除動作。一般會選擇在熱處理前，采用酸洗或堿洗的方式，對磷化膜進行去除。其中，又以熱堿洗方式作為優選。

2）在螺栓元線材處理階段，采用無磷轉化膜進行替代，作為后續制程的潤滑層。通過無磷轉化劑的應用，從源頭預防了磷的進入，也是未來緊固件行業內，解決該問題的一大途徑。

5 總結

由于δ鐵素體層會大大降低高強度螺栓的疲勞性能。依據規范，對于12.9級性能的螺栓，已對δ鐵素體的要求已經做出了具體的要求，德國大眾公司，更是將該要求推廣至10.9級螺栓。所以在國內，對于用在關鍵的高載荷、交變載荷的應用環境的螺栓，也建議不應含有δ鐵素體的情況。如：副車架懸掛固定螺栓。