耐高溫螺栓主要應(yīng)用在在發(fā)動(dòng)機(jī)上排氣歧管、增壓器等部位的連接，除了耐高溫要求外還要承受強(qiáng)烈振動(dòng)。
如果排氣歧管聯(lián)接松動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，造成空氣污染或周邊管路自燃，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間使用也有雙頭螺柱或螺栓斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。
螺栓連接松動(dòng)的原因是多方面，有擰緊參數(shù)設(shè)定合理性的問題、擰緊方式的選擇問題、產(chǎn)品供貨質(zhì)量問題、生產(chǎn)線的裝配問題、發(fā)動(dòng)機(jī)工作出現(xiàn)異常等。
這次主要討論由于材料高溫力學(xué)性能衰減導(dǎo)致的連接松動(dòng)，從而對(duì)該種環(huán)境下緊固件的材料及表面處理方式的選擇給出參考意見。
耐高溫螺栓的應(yīng)用
圖1發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管
圖2發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器
不考慮怠速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)排氣溫度一般可達(dá)500℃?700℃：，進(jìn)氣方式使用渦輪增壓的排氣溫度會(huì)更高。
排氣歧管與缸蓋連接處、排氣管與增壓器連接法蘭處、增壓器固定支架、增壓器隔熱罩、EGR閥進(jìn)氣管路等都屬于發(fā)動(dòng)機(jī)比較典型的高溫區(qū)域，這些部位連接件的選擇不同于常溫環(huán)境下的；
連接件的工作環(huán)境，高溫會(huì)使材料的缺口敏感性增加，會(huì)提高螺栓斷裂的可能性。為了了解本企業(yè)設(shè)計(jì)師在這些部位螺栓的選用情況，從企業(yè)產(chǎn)品庫(kù)中抽取了四款發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣歧管周邊區(qū)域螺紋連接使用情況見表1。
包含了進(jìn)氣方式為自然吸氣和渦輪增壓這兩種形式，涵蓋了不同設(shè)計(jì)水平的設(shè)計(jì)師對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管周邊區(qū)域螺栓及螺母選材的一般情況。
耐高溫螺栓的選材
通過觀察表1可以看出，不同的設(shè)計(jì)人員對(duì)于此區(qū)域螺栓連接的選擇是各不相同的，究竟哪種選擇更為合理，大致分為以下三種方案：
a：使用GB/T3098.1和GB/T3098.2規(guī)定的普通螺栓、雙頭螺柱及螺母，表面處理方式為鍍鋅鈍化。
b：使用GB/T3098.1和GB/T3098.2規(guī)定的普通螺栓，雙頭螺柱及螺母，表面處理方式鍍銅。
c：使用GB/T1221中規(guī)定的耐熱鋼，表面處理方式為鍍銅。
首先考慮產(chǎn)品材料的影響。根據(jù)GB/T3098.1中標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍的描述，規(guī)定按此標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的緊固件適用溫度范圍為-50℃~+150℃超過這個(gè)溫度區(qū)間，甚至高達(dá)300℃，就需要對(duì)緊固件的工作性能進(jìn)行確認(rèn)。
8.8級(jí)普通螺栓可用調(diào)質(zhì)型冷鐓碳鋼ML35，10.9級(jí)普通螺栓可用調(diào)質(zhì)型冷鐓合金鋼ML20MnVB。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，金屬材料的塑性變形在應(yīng)力超過彈性極限時(shí)才會(huì)發(fā)生，在工程設(shè)計(jì)中校核螺栓強(qiáng)度時(shí)用到的力學(xué)性能指標(biāo)也多是在常溫下測(cè)定。
但是，設(shè)計(jì)有時(shí)會(huì)忽略一個(gè)問題，即金屬材料在達(dá)到或高于一定的溫度下受到應(yīng)力作用，即便是所受到的應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度所受到的應(yīng)力，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，材料也會(huì)緩慢地產(chǎn)生蠕變，并隨著溫度的增高，這種變化會(huì)加劇。
以ML35這一類碳鋼為例，蠕變溫度一般發(fā)生在300℃~350℃之間，合金鋼一般發(fā)生在400℃~450℃之間，而耐熱鋼則在500℃以上才會(huì)發(fā)生明顯蠕變。
環(huán)境溫度超過蠕變溫度的普通材質(zhì)緊固件，會(huì)在遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力的情況下發(fā)生較大的伸長(zhǎng)甚至是斷裂，這時(shí)使用常溫下測(cè)定的力學(xué)指標(biāo)校核螺栓連接強(qiáng)度就不那么合理了。
此外，如果氣缸蓋、排氣歧管、雙頭螺柱及螺母組成的連接系統(tǒng)各個(gè)零件材料在髙溫環(huán)境下熱膨脹系數(shù)差異較大，也會(huì)加劇螺栓的變形程度。
材料發(fā)生大的蠕變時(shí)，鋼的力學(xué)性能指標(biāo)下降，伴隨著擰緊過程中螺栓產(chǎn)生的夾緊力降低甚至消失，使螺栓擰緊系統(tǒng)失效，因此從材料選擇角度來講，不建議使用a方案和b方案。
方案c選擇的材料為耐熱鋼，是為了保證螺栓連接在髙溫下的力學(xué)性能降低程度控制在一定的程度范圍內(nèi)，一般發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)域耐熱螺栓常用的材料見表2。
在圖1中，使用雙頭螺柱將排氣歧管固定在氣缸蓋上，雙頭螺柱及螺母使用的材料均為40Crl0Si2Mo，設(shè)計(jì)耐熱溫度都為700℃，螺栓機(jī)械性能等級(jí)為10.9級(jí)，六角法蘭面螺母機(jī)械性能等級(jí)為10級(jí)。材料的耐熱性能與成分關(guān)系很大，表3為上述幾種材料的成分對(duì)比。
ML35為調(diào)質(zhì)型優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，與ML20MnVB相比，缺少B，V等元素，Mn含量也少于ML20MnVB。Mn，B是增加淬透性的元素，可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，V可以細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性，因此ML20MnVB可用于12.9級(jí)的螺栓。
ML35與調(diào)質(zhì)型耐熱鋼40Crl0Si2Mo相比，缺少Ni，Cr，Mo元素。Ni為穩(wěn)定的奧氏體化元素，有利于提高材料在高溫下耐腐蝕性，既保證一定的強(qiáng)度，也能提高奧氏體鋼的耐高溫強(qiáng)度；
Cr能夠有效的提高材料強(qiáng)度，尤其是對(duì)提高高溫狀態(tài)下強(qiáng)度作用顯著，并且Cr能夠在材料表面形成一層氧化膜，阻止或減緩材料在高溫狀態(tài)下的氧化現(xiàn)象；Mo能夠提高材料的抗蠕變能力，能顯著提高鋼的抗氧化性，改善熱塑性。
40Crl0Si2Mo與沉淀硬化型耐熱鋼06Crl5Ni25Ti2MoAlVB相比，Ni，Cr的成分差異比較大，此外，還缺少Al，Ti，B，V這四種元素。
當(dāng)Ni的含量超過20%時(shí)，能夠減輕高溫蠕變現(xiàn)象的產(chǎn)生；Cr含量達(dá)到12%時(shí)，材料的強(qiáng)度也能夠得到提升；A1元素的少量參與能夠提高材料的高溫抗氧化性能；
Ti和V是強(qiáng)碳化物形成元素，能形成細(xì)小彌散的碳化物，還能夠組成并析出復(fù)合的碳化物組織，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化的作用，提高鋼的高溫強(qiáng)度；
B溶入固溶體中使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，能夠阻止元素?cái)U(kuò)散和晶界遷移，從而提高鋼的高溫強(qiáng)度。從材料成分上來講，06Crl5Ni25Ti2MoAlVB比40Crl0Si2Mo性能更為優(yōu)異。
表4為X40CrSiMol0-2和X6NiCrTiMoVB25-15-2在不同溫度條件下屈服點(diǎn)或0.2%屈服應(yīng)力時(shí)的力學(xué)性能保證值，通過觀察表4可以看到X40CrSiMol0-2在室溫下屈服強(qiáng)度或0.2%屈服應(yīng)力為700MPa，在700℃時(shí)衰減為100MPa，衰減比較明顯；
X6NiCrTiMoVB25-15-2在室溫下屈服強(qiáng)度或0.2%屈服應(yīng)力均為590MPa，在700℃時(shí)衰減為295MPa，在高溫下的強(qiáng)度表現(xiàn)更好一些。
此外，根據(jù)BSEN10090:1998鋁及鋁合金鑄件化學(xué)成分和機(jī)械性能中表A.3中注解，X40CrSiMol0-2不應(yīng)該用于700℃以上的溫度環(huán)境；
而針對(duì)X6NiCrTiMoVB25-15-2這種材料，根據(jù)GB/T3098.8-2010中表8的數(shù)據(jù)，經(jīng)過固溶+時(shí)效強(qiáng)化之后，短時(shí)間工作溫度為650℃，長(zhǎng)時(shí)間工作溫度為650℃如果需要對(duì)螺栓在高溫條件下的螺栓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。
則應(yīng)考量產(chǎn)品在高溫條件下，經(jīng)歷一定時(shí)間的考驗(yàn)后，強(qiáng)度數(shù)值及應(yīng)力狀態(tài)的變化情況，即參照持久強(qiáng)度和蠕變極限，比使用室溫環(huán)境下測(cè)得的材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度更有現(xiàn)實(shí)意義。
耐高溫螺栓表面處理的選擇
方案a中選的表面處理方式為鍍鋅鈍化，鍍鋅是金屬表面處理各種類型中應(yīng)用比較廣泛的一種，技術(shù)成熟，成本和性能優(yōu)勢(shì)比較明顯。
但是鍍鋅對(duì)于10.9級(jí)及以上的高強(qiáng)度螺栓來講，有一個(gè)不太容易避免的問題就是氫脆，即便在電鍍后進(jìn)行除氫工藝，也不應(yīng)設(shè)想除氫工藝能夠完全避免氫脆。
此外根據(jù)QJ450B-2005中的描述，鋅鍍層的工作溫度不應(yīng)超過250℃否則會(huì)引起鋅脆，而且鋅的熔點(diǎn)為420℃左右，在排氣溫度遠(yuǎn)高于此溫度的情況下，鍍鋅層在緊固件持^使用條件下有脫落甚至融化的風(fēng)險(xiǎn)。綜合以上，a方案中選擇表面鍍鋅是不合適的，不能起到髙溫防腐作用。
方案b和方案c選擇了表面鍍銅。緊固件鍍銅主要有以下幾點(diǎn)考慮：
導(dǎo)電性好，如部分焊接螺柱會(huì)采用表面鍍銅；
由于銅質(zhì)地較軟，延展性好，擰緊后會(huì)增強(qiáng)摩擦作用，起到增大運(yùn)動(dòng)阻力和防松脫的效果，可確保防松可靠；
銅鍍層與基體金屬結(jié)合力良好，可作為多層涂覆的底鍍層；
銅的熔點(diǎn)為1083℃左右，在高溫環(huán)境下，可以避免螺紋件燒結(jié)，給維修和拆卸造成不便。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣部位的緊固件，使用鍍銅主要就是為了解決高溫?zé)Y(jié)的問題。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱螺栓的表面處理方式還可以選擇Magni504或二硫化鉬。關(guān)于銅鍍層的厚度，可以參考表5(數(shù)據(jù)源自QJ450B-2005)。
結(jié)束語
通過對(duì)四款發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管周邊區(qū)域螺栓應(yīng)用情況的篩選與討論，為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱區(qū)域緊固件材料與表面處理的選擇提供參考建議。
來源：螺絲君研究院 GAF螺絲君