紧固件在机械连接中的关键作用及材料选择

螺栓、螺钉、螺母、螺柱等金属零件统称为紧固件，它能将各种机械零件紧密地连接起来，保证设施的正常使用。因此，紧固件广泛应用于船舶、汽车、农业、建筑等各个行业，甚至在军事、核电站、航空航天设备等领域发挥着至关重要的作用[1-4]。机械部件之间的连接效果很大程度上取决于紧固件的机械性能和耐久性。因此，重要的机械设施对紧固件的性能要求较高。良好的耐用性能是机械设施可靠使用的基本保证。

碳钢、合金钢、不锈钢、硼钢是制造紧固件的主要材料[5]。与生铁相比，其碳含量较低，具有较好的耐腐蚀性。但由于大部分钢材是由铁金属组成，在自然环境中不可避免地会发生氧化反应，形成较稳定的氧化物形式，即疏松多孔的铁锈，如式（1）至（7）所示[6-7]。在含有大量腐蚀介质（如酸、强氧化离子等）的复杂环境中，紧固件的腐蚀速度会进一步加快，对机械使用的可靠性造成很大的负面影响[8-9]。因此，学者们经常对紧固件的表面进行预处理，以防止氧气与钢材接触，提高其耐用性，避免紧固件被腐蚀而导致机械部件之间的连接失效。常用的表面预处理技术主要分为发黑、发蓝、有机涂层和金属电镀等[5, 10]。每种技术所使用的材料、工艺、优缺点都不同。为了进一步推动紧固件表面预处理技术的发展，提高各种机械设施的稳定使用，本文对现有的紧固件预处理技术进行了总结，分析了其优缺点及应用现状，为紧固件防腐奠定了理论基础。技术。根据。

钢材腐蚀过程的化学反应式：

1 发黑发蓝工艺

紧固件在常温（130~150℃）或高温（550℃）下进行强氧化处理后，表面可分别生成一层致密的黑色或蓝色氧化膜（Fe3O4），以保护紧固件不与外界接触。环境。腐蚀效应[10-11]，其化学变化过程如式（8）-式（10）[12]所示。常温发黑技术是将紧固件放入篮子中，经过反复脱脂清洗、酸洗、涂油、烘干后染成黑色[13]；高温发蓝是高温碱煮技术，将紧固件浸入含有硝酸盐或亚硝酸盐等强氧化性介质中，元素铁在强氧化作用下首先转化为铁素体和高铁酸盐，然后进一步反应生成致密的 Fe3O4 薄膜。这两种表面预处理工艺起源较早，已具有成熟的生产技术，且易于操作。但所使用的亚铁盐毒性极大，工人的生命健康无法得到保障，且预处理后产生的废液难以处理，对环境有害。

因此，在此基础上，国家进一步提出了更易于操作的钢化发黑技术。该技术仅需装篮、回火、浸入回火发黑液等步骤[14-15]。如图1所示，与常温和高温发黑工艺相比，回火发黑技术不需要反复除油和酸洗，简化了操作步骤，减少了废液的产生，大大降低了环保成本。危险。但有学者提出，回火发黑工艺产生的氧化铁膜硬度低、耐磨性差[10]。因此，钢化发黑工艺仍需改进。

虽然黑蓝工艺可以在紧固件表面产生一层致密的氧化铁膜，但对于高强度紧固件来说，氧化铁膜的硬度和厚度仍然有所欠缺。因此，采用涂层或镀金工艺使紧固件表面附着高强度薄膜，成为防止紧固件腐蚀的又一有效途径。

2 涂装工艺

涂层工艺是指采用喷涂或浸涂等技术，在紧固件表面覆盖一层致密的耐腐蚀材料。耐腐蚀材料可分为有机材料和无机材料。有机材料通常是高聚物，其表面具有疏水性和疏油性，可以有效防止紧固件在复杂环境下暴露于氧气和湿气中渗透到基体金属中[16-17]。无机材料主要是锌、铝合金材料。惰性金属极其稳定，在环境中不易生锈，并且具有良好的硬度，可以满足高强度紧固件的要求[18]。从表1可以看出，所用的有机材料有聚氨酯面漆[19]、聚四氟乙烯乳胶[16]、TiBi Coat 47涂层[20]和有机氟[10、21]等。这些材料可根据紧固件的位置。特定环境设计功能。朱江等. [16]指出PTFE乳胶颗粒具有良好的疏水性，可以阻碍水分子腐蚀紧固件的传输路径。涂料与防护编辑部[19]认为，聚氨酯面漆具有良好的耐候性，在暴露环境下能保持良好的附着力，提高机械设施在暴露环境下的耐久性。李世红[20]指出，由氟碳树脂和树脂粘结剂制成的TiBi Coat 47涂层可以在任何环境下对含有该涂层的紧固件提供良好的防腐效果，并具有良好的抗损坏和润滑功能，但其成本较高较高，在紧固件表面防腐中应用不多。董晓林等.文献[21]表明，由氟碳树脂制成的氟碳涂料具有优异的耐候性和自润滑性能，甚至可以确保紧固件在海洋环境中免受海水腐蚀。因此，有机涂层技术可以根据紧固件所处的环境开发出抵抗恶劣因素的特定功能，具有良好的发展前景。

涂层技术中使用的无机材料有锌合金、铝合金等，合金涂层能够防腐蚀的主要原因是其表面致密，不易被氧化。此外，合金镀层还具有原电池效应，阻碍紧固件的电化学腐蚀。于雷、李强、唐伟斌[23-25]指出，铜锌合金和锌铝合金可以使水呈弱碱性，可以使金属形成微电池状态，减少金属被电化学腐蚀的可能性。但有研究指出，对于紧固件等重要连接件，应采用相容性较好的合金材料，并采用电位差较小的两种合金材料，以避免电位差过大引起腐蚀。 [26]。需要注意的是，紧固件涂层工艺的好坏需要通过观察表面来确定表面是否有裂纹或损伤，以及是否具有良好的光泽度和光滑度[2,19,27]。

3 镀金工艺

如今，采用镀金工艺对紧固件表面进行预处理在我国已经非常普遍，而且成本也比较低。与金属镀层的防腐原理类似，镀金工艺不仅可以在紧固件表面形成致密的合金层，而且还具有原电池效应，可以避免紧固件的氧化腐蚀和电化学腐蚀。镀金工艺主要可以是电化学镀金，也可以分为直流镀金和脉冲镀金[28-29]。如图2所示，该过程是将紧固件放入电解液中，人为输入电流，将电解液中的金属离子转化为固态固体形式，覆盖紧固件的表面[28, 30]。与直流镀金相比，脉冲镀金后紧固件表面生成的合金膜孔隙率较低，消除了氢脆效应，降低了合金膜的内应力，使紧固件具有更好的抵抗力。腐蚀性能[28]。常用的电镀材料有锌、铬等，与电镀锌相比，电镀铬的成本较高，但由于铬的硬度和耐磨性较好，因此该工艺常用于高强度紧固件的表面预处理[ 5, 31]。同时，电镀工艺的主要影响因素为电镀液浓度、温度、电流密度等。何兆民[32]对现有直流镀铬工艺进行了优化，结果表明CrO3的最佳浓度为250 g/L。 ，温度为58℃，阴极电流密度需要保持在30 A/dm2。预处理后紧固件的耐腐蚀性能良好。此外，有学者指出，纯镀锌很难满足高强度紧固件的防腐需求。通过使用锌基合金，可以从材料角度优化电镀锌工艺的效果，其中锌镍合金已成为发展主流[10]。值得注意的是，如果紧固件表面的金属镀层被破坏，表面金属可能会受到电极的过度保护，导致氢析出，紧固件的韧性会降低，导致紧固件失效。机械部件连接，即氢脆。因此，需要采取一定措施来避免这种现象，如增加金属膜厚度、除油、酸洗等[33-35]。与黑/蓝技术类似，电镀技术中使用的电解质溶液消耗后，产生的电镀污泥成分复杂，含有大量重金属离子。如果随意排放，极易造成环境污染、损害人体健康等危害[36 -37]。因此，需要进一步的净化方法，如固化、热处理、生物堆肥等，以减少其危害[36-37]。

由上可见，电镀工艺虽然相对成熟，但仍可以在材料和工艺方面进行优化，以避免紧固件出现氢脆，获得更好的耐腐蚀性能。此外，电镀污泥极易对环境和人体健康造成危害。采取有效措施处理电镀污泥是电镀工艺进一步发展的必由之路。

4 展望

成熟的紧固件防腐技术已成为各种机械设施正常使用的重要保障。但现有的防腐技术仍需进一步完善。今后各种防腐工艺应从以下三点进行研究。

首先，发黑/发蓝工艺不能应用于高强度紧固件的防腐处理。但由于该技术具有成本较低、不需要额外材料等优点，因此可以用来加工普通紧固件。未来，应通过简化工艺步骤进一步降低成本。

其次，可功能设计的有机涂层工艺具有良好的发展前景。因此，应根据紧固件在各种复杂环境下所需的功能，开发能适应环境的功能性涂层材料。

第三，经过镀金处理的紧固件很容易发生氢脆。因此，进一步改进镀金工艺以避免紧固件氢脆现象成为该工艺发展的唯一出路。

5 结论

本文总结了现有紧固件防腐技术的工艺、材料、优缺点，分析了紧固件未来的发展方向。研究表明，发黑/发蓝过程将金属零件置于强氧化环境中，导致表面形成致密的Fe3O4薄膜，阻止氧气和水进入金属基体，导致紧固件生锈。该工艺极其成熟，但产生的氧化铁膜硬度较低，限制了其在高强度紧固件中的应用。涂层工艺是在紧固件表面覆盖一层有机或无机薄膜，以防止其被腐蚀。该工艺可以针对紧固件所处的环境，使紧固件在复杂环境下具有相应的防腐功能，并具有良好的性能。发展前景。镀金工艺将紧固件放入电解液中，并通过电流将电解液中的金属离子转化为元素金属。该工艺比较成熟，但容易出现氢脆，仍有改进空间。最后展望了三类工艺未来的发展方向，提出黑/蓝工艺应通过简化步骤降低成本，而有机镀膜工艺应根据具体环境开发功能性镀膜材料，镀金工艺有待进一步优化。避免紧固件氢脆。

本公众号由北京爱快科技发展有限公司运营，欢迎大家进行技术交流。感兴趣的朋友可以添加以下微信号进入我们的讨论群：

本公众号由北京爱快科技发展有限公司运营，欢迎技术交流。请添加上方微信二维码或致电我们：

杜：18601022409

让我们共同探讨螺栓预紧力测量的相关技术和市场信息，共同推动这个行业的发展，实现共赢。北京阿法斯特公司（Afast Company）专业从事超声波和视觉螺栓预紧力测量技术。其主要产品包括系列螺栓预紧力测量仪器、长期螺栓预紧力监测产品、智能紧固件、螺栓轴力控制智能紧固工具。

参考：

[1] 苏忠良.金属紧固件的质量控制[J]．厦门科学技术，2022（2）：57-59。

[2]王长青，楚小月．核电站紧固件来厂（现场）检验方法[C]//山东核科学技术-山东核学会2022年论文汇编（第1部分）。电力（北京）工程监理有限公司，上海核工程研究设计院，2022：5。

[3] 梁成成.汽车紧固件常见问题及预防措施研究[J].汽车零部件，2022（1）：89-94。

[4] 张云龙.高强耐腐蚀海上风能紧固件研究[D].舟山：浙江海洋大学，2022．[5]郑少华。表面复合处理工艺对合金钢紧固件力学性能及耐蚀性能的影响[D].成都：西南交通大学，2014。

[6] 秦树杰，王欣，曹宝珠，等。钢材腐蚀行为研究进展[J].海南大学学报(自然科学版), 2023, 41(1): 104-114.

[7] 张胜元，金晶，邓亮。典型大气环境下钢材腐蚀行为研究进展[J].热处理技术, 2021, 50(18): 15-18.

[8]尤文雄，赖一峰.复杂环境下水工钢结构建筑防腐研究及应用[J].水利建设与管理, 2007, 27(12): 65-66, 14.

[9] 王波.复杂硝酸盐环境下X70钢应力腐蚀实验研究[D].杭州：浙江工业大学，2009。

[10] 卢太宇，郭饶龙，李彦军，等。螺纹紧固件表面防护技术综述[J].电镀与表面处理, 2022, 44(12): 61-68。

[11]紧固件的四种表面处理方法[J]．材料保护，2018，51（5）：114。

[12]蒋瑞祥，纪天浩，康国富，等。提高黑螺钉防腐质量的方法[J].航空标准化与质量，2022（4）：53-56。

[13]徐建良.全自动发黑加工线[J].机械工程师，2016（3）：99-101。

[14] 沉宪治.回火发黑工艺[J]．物质保护，1995（10）：35、46。

[15]赵长生.钢材回火发黑工艺试验及应用[J].热加工技术，1993(2)：52． [16]朱江，钱向华，孙灿，等．紧固件防护涂层的制备及耐蚀性能研究[J]．装备监理，2019（11）：59-60。

[17]曹洪涛，李雪婷。基于海洋环境的紧固件腐蚀防护要求及技术措施[J].表面技术，2013，42（1）：105-108。

[18] 万秉华，林忠良，魏亮亮，等．不同预处理方法对钛合金紧固件铝镀层附着性能的影响分析[J].航空航天标准化，2019（3）：6-10、38。

[19]本刊编辑部WILLIAM D C.如何科学评价涂层性能及其测试方法的研究[J].涂料与防护，2018，39（9）：60-62。

[20] 李世宏.钢紧固件频繁拆装区域腐蚀防护改进探讨[J].南方农业机械, 2017, 48(16): 30, 32.

[21] 董晓林，史晓军，黄彦斌，等。螺纹紧固件腐蚀防护技术应用现状[J].电镀与表面处理, 2016, 35(9): 481-485.

[22] 郭文健.紧固件氟碳涂层的制备及防护性能研究[D].青岛：中国海洋大学，2012。

[23]于蕾.铜锌合金材料抗氧化皮腐蚀机理分析[J].氮肥与合成气, 2020, 48(10): 6-7.

[24] 李强.合金材料防垢防腐机理及实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009。

[25]唐伟斌.钢筋混凝土结构中Zn-Al合金牺牲阳极材料电化学性能研究[D].兰州：兰州理工大学，2020。

[26] 刘新甲.舰载机载设备腐蚀防护对策[J].电子产品可靠性与环境测试，2022, 40(2): 112-116。

[27]王军.基于机器视觉的外螺纹表面缺陷检测技术[J].光源与照明，2021（8）：71-72、75。

[28] 乔正阳，李江，刘奔，等。脉冲镀金工艺研究进展[J].表面技术, 2023, 52(7): 92-102。

[29]王少峰，肖阳，薛云志。国内镀金技术发展现状[C]//中国航天电子技术研究院科学技术委员会.中国航天电子技术研究院科学技术委员会2020年学术年会论文集。郑州航天电子科技有限公司，2020：7。

[30]戴兴达.太赫兹矩形波导微腔电化学加工技术[D].南京：南京航空航天大学，2019。

[31] 刘晓强，孟繁江，丁宗华，等。核电反应堆内部构件紧固件镀铬工艺研究[J].电镀与表面处理, 2021, 40(21): 1615-1618。

[32] 何兆民.紧固件表面镀铬工艺及性能研究[D].沉阳：沉阳工业大学，2016。

[33]张大雷.海洋大气中热镀锌钢氢渗透行为及脆性研究[D].青岛: 中国科学院研究生院(海洋研究所), 2010.

[34]吴福乐.金属氢脆的机理及预防[J]．设备管理与维护，1994（5）：13-14.[35]朱瀚，温家豪.高强度风电紧固件氢脆研究进展及分析[C]//中国农业机械工业协会风力机械分会.第九届中国风电后市场交流合作大会论文集。中国船舶重工集团公司第713研究所，中船重工海威郑州高新技术有限公司，2022：7。

[36]刘海军.电镀污泥处理现状及未来展望[J].云南化工, 2021, 48(8): 18-20.

[37] 方世玉.电镀废水处理及回用技术研究[J].清洁世界，2021，37(9)：110-111。