镀锌非调质紧固件钢成型行为及表面复合钝化研究

发布时间：2018-04-15 18:11

本文选题：非调质紧固件钢 + 组织性能　；参考：《上海大学》2015年博士论文

【摘要】：近年来,随着我国汽车、轨道交通、工程机械的迅猛发展,对高端紧固件,特别是满足汽车高性能、轻量化要求的高品质镀锌紧固件需求迫切。由于国产紧固件钢经过调质处理,普遍存在强韧性不匹配,易产生裂纹、裂缝,加工硬化率低,表面铬酸盐钝化等问题,大量汽车用高强度紧固件钢仍需进口。而经镀锌复合钝化处理的非调质紧固件钢可省去钢材冷拔前的退火处理和螺栓成形后的调质处理,缩短了生产周期,降低了能源消耗,有效避免了因热处理和涂镀造成的表面氧化、脱碳、工件变形及六价铬污染等问题,日益得到紧固件制造业的青睐。本文选取高强度贝氏体型非调质紧固件钢作为研究对象。研究了实验钢热成型过程的组织演变和冷镦成型行为;并在镀锌紧固件表面进行无机盐-硅烷复合钝化处理,适当添加纳米Si O_2和Ce O_2等,实现无机-有机协同作用,有效增强镀锌紧固件的耐蚀性和自修复能力。论文主要工作如下:通过热模拟实验研究了变形温度、变形量和冷却速度对非调质紧固件钢贝氏体组织转变的影响,分析了实验钢在减定径过程中的组织演变规律并进行了工业轧制实验,确定了轧制工艺参数。实验表明,变形温度越低、变形量越大、冷却速度越大(1~10℃/s范围内),得到的贝氏体组织越细,力学性能越好。单一冷速由于冷却速度较快,材料硬度和强度比双冷速高,降低变形温度和先快冷后缓冷有利于粒状贝氏体析出。分析表明,变形温度780℃,5℃/s冷却至550℃后再以1℃/s冷却至室温的冷却方式,可使贝氏体析出颗粒分布均匀细致。实验钢在减定径阶段,仅发生静态再结晶,中心部位再结晶程度最高,晶粒尺寸由表面到中心逐渐增大,且再结晶发生百分含量越大,晶粒越细小。工业轧制实验表明,减定径机入口温度为780~850℃,轧制后按4~5℃/s速度冷却到550~600℃,然后以1~2℃/s缓冷的轧制工艺,可以满足非调质紧固件钢的组织性能要求。通过室温顶镦实验,研究了实验钢的冷镦成型行为,计算出韧性断裂准则中的临界损伤值和材料常数,并将其应用于六角法兰面螺栓和内六角圆柱螺栓冷镦成形过程韧性断裂的分析。运用热力耦合模拟方法,建立了螺栓冷镦成型的有限元模型,分析了模具结构、摩擦因数、冷镦速度等对六角法兰面螺栓冷镦成型过程中的应力应变、成形载荷、温度分布、金属流动情况以及冷镦开裂的影响。结果表明,实验钢在冷镦高度压缩比为1/3时发生表面破裂,并据此得出实验钢的成型极限图和Oyane韧性断裂准则的临界损伤值C为0.67731,材料常数B为0.8263。六角法兰面螺栓冷镦有限元模拟结果表明,第三工位入模角选择120°~125°较为合适,摩擦因子为0.3时金属充满较好,冷镦速度对冷镦过程的影响较小。通过比较两种典型螺栓在冷镦过程中的损伤演化情况可知,贝氏体型非调质冷镦钢可用于制造六角法兰面螺栓,而制造内六角圆柱螺栓时发生破裂的倾向较大,分析结果与实际情况吻合,可用于指导紧固件产品的生产。通过单一变量试验和正交试验,得到一种镀锌非调质紧固件表面无机-硅烷复合钝化处理工艺。其中,KH560硅烷和KH570硅烷作为主成膜物质在镀锌非调质紧固件表面形成物理屏蔽层把腐蚀物质阻隔在外,另外添加钒酸盐、氟钛酸盐和氟锆酸盐等无机物及纳米Si O_2和Ce O_2等配合硅烷钝化,通过无机-有机钝化的协同作用,增强金属表面钝化膜的耐蚀性能和自修复能力。采用盐水浸泡实验、硫酸铜点滴加速腐蚀实验、电化学实验、划痕腐蚀实验和中性盐雾实验等对硅烷钝化膜进行了性能检测和表征,并对其附着力、钝化膜膜重、导电性、耐水性等进行测试。硅烷复合钝化膜的平均膜厚小于5μm,平均膜重194.5mg/m2,附着力为1级,耐水性和导电性良好,涂层致密均匀平整。利用LSCM、SEM进行了硅烷复合钝化膜表面形貌表征和分析,使用FT-IR、XRD、EDS等方法进行分子结构表征和元素分析,使用SECM、Mott-Schottky、EIS、TAFEL等方法检测钝化膜的耐蚀性能,分析了成膜机理和耐蚀机理,建立了耐蚀机理模型。实验表明,硅烷复合钝化膜主要成分是C、O、Si等元素,其表层是硅烷固化形成的硅烷交联结构Si-O-Si和部分硅烷水解物;硅烷膜覆盖在锌层表面,物理阻隔外界的水和其它腐蚀介质向基体侵蚀,并且硅烷通过化学作用在锌表面形成Si-O-Zn键,水解产生较多的硅羟基,硅羟基之间又发生缩合反应,形成复杂的Si-O-Si织网结构。而在此硅烷膜网状结构上添加的无机盐和纳米颗粒,填充了硅烷膜的缺陷和裂缝,增加了硅烷膜的致密度,使其具有自愈能力,有效防止锌基体被腐蚀。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TG306

【参考文献】