耐高溫螺栓主要應用在在發(fā)動機上排氣歧管、增壓器等部位的連接，除了耐高溫要求外還要承受強烈振動。
如果排氣歧管聯(lián)接松動，會出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，造成空氣污染或周邊管路自燃，同時長時間使用也有雙頭螺柱或螺栓斷裂的風險。
螺栓連接松動的原因是多方面，有擰緊參數(shù)設定合理性的問題、擰緊方式的選擇問題、產品供貨質量問題、生產線的裝配問題、發(fā)動機工作出現(xiàn)異常等。
這次主要討論由于材料高溫力學性能衰減導致的連接松動，從而對該種環(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。
耐高溫螺栓的應用
圖1發(fā)動機排氣歧管
圖2發(fā)動機渦輪增壓器
不考慮怠速工況，發(fā)動機正常工作時排氣溫度一般可達500℃?700℃：，進氣方式使用渦輪增壓的排氣溫度會更高。
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閥進氣管路等都屬于發(fā)動機比較典型的高溫區(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，高溫會使材料的缺口敏感性增加，會提高螺栓斷裂的可能性。為了了解本企業(yè)設計師在這些部位螺栓的選用情況，從企業(yè)產品庫中抽取了四款發(fā)動機，排氣歧管周邊區(qū)域螺紋連接使用情況見表1。
包含了進氣方式為自然吸氣和渦輪增壓這兩種形式，涵蓋了不同設計水平的設計師對發(fā)動機排氣歧管周邊區(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，不同的設計人員對于此區(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。
首先考慮產品材料的影響。根據GB/T3098.1中標準應用范圍的描述，規(guī)定按此標準生產的緊固件適用溫度范圍為-50℃~+150℃超過這個溫度區(qū)間，甚至高達300℃，就需要對緊固件的工作性能進行確認。
8.8級普通螺栓可用調質型冷鐓碳鋼ML35，10.9級普通螺栓可用調質型冷鐓合金鋼ML20MnVB。根據應力-應變曲線，金屬材料的塑性變形在應力超過彈性極限時才會發(fā)生，在工程設計中校核螺栓強度時用到的力學性能指標也多是在常溫下測定。
但是，設計有時會忽略一個問題，即金屬材料在達到或高于一定的溫度下受到應力作用，即便是所受到的應力小于屈服強度所受到的應力，隨著時間的增長，材料也會緩慢地產生蠕變，并隨著溫度的增高，這種變化會加劇。
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℃以上才會發(fā)生明顯蠕變。
環(huán)境溫度超過蠕變溫度的普通材質緊固件，會在遠低于屈服應力的情況下發(fā)生較大的伸長甚至是斷裂，這時使用常溫下測定的力學指標校核螺栓連接強度就不那么合理了。
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)各個零件材料在髙溫環(huán)境下熱膨脹系數(shù)差異較大，也會加劇螺栓的變形程度。
材料發(fā)生大的蠕變時，鋼的力學性能指標下降，伴隨著擰緊過程中螺栓產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性能降低程度控制在一定的程度范圍內，一般發(fā)動機高溫區(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，設計耐熱溫度都為700℃，螺栓機械性能等級為10.9級，六角法蘭面螺母機械性能等級為10級。材料的耐熱性能與成分關系很大，表3為上述幾種材料的成分對比。
ML35為調質型優(yōu)質碳素結構鋼，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，可以提高鋼的強度和硬度，V可以細化晶粒，提高強度和韌性，因此ML20MnVB可用于12.9級的螺栓。
ML35與調質型耐熱鋼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，既保證一定的強度，也能提高奧氏體鋼的耐高溫強度；
Cr能夠有效的提高材料強度，尤其是對提高高溫狀態(tài)下強度作用顯著，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Ni的含量超過20%時，能夠減輕高溫蠕變現(xiàn)象的產生；Cr含量達到12%時，材料的強度也能夠得到提升；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是強碳化物形成元素，能形成細小彌散的碳化物，還能夠組成并析出復合的碳化物組織，產生彌散強化的作用，提高鋼的高溫強度；
B溶入固溶體中使晶體點陣發(fā)生畸變，能夠阻止元素擴散和晶界遷移，從而提高鋼的高溫強度。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或0.2%屈服應力時的力學性能保證值，通過觀察表4可以看到X40CrSiMol0-2在室溫下屈服強度或0.2%屈服應力為700MPa，在700℃時衰減為100MPa，衰減比較明顯；
X6NiCrTiMoVB25-15-2在室溫下屈服強度或0.2%屈服應力均為590MPa，在700℃時衰減為295MPa，在高溫下的強度表現(xiàn)更好一些。
此外，根據BSEN10090:1998鋁及鋁合金鑄件化學成分和機械性能中表A.3中注解，X40CrSiMol0-2不應該用于700℃以上的溫度環(huán)境；
而針對X6NiCrTiMoVB25-15-2這種材料，根據GB/T3098.8-2010中表8的數(shù)據，經過固溶+時效強化之后，短時間工作溫度為650℃，長時間工作溫度為650℃如果需要對螺栓在高溫條件下的螺栓強度進行計算。
則應考量產品在高溫條件下，經歷一定時間的考驗后，強度數(shù)值及應力狀態(tài)的變化情況，即參照持久強度和蠕變極限，比使用室溫環(huán)境下測得的材料抗拉強度、屈服強度更有現(xiàn)實意義。
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用比較廣泛的一種，技術成熟，成本和性能優(yōu)勢比較明顯。
但是鍍鋅對于10.9級及以上的高強度螺栓來講，有一個不太容易避免的問題就是氫脆，即便在電鍍后進行除氫工藝，也不應設想除氫工藝能夠完全避免氫脆。
此外根據QJ450B-2005中的描述，鋅鍍層的工作溫度不應超過250℃否則會引起鋅脆，而且鋅的熔點為420℃左右，在排氣溫度遠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險。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考慮：
導電性好，如部分焊接螺柱會采用表面鍍銅；
由于銅質地較軟，延展性好，擰緊后會增強摩擦作用，起到增大運動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合力良好，可作為多層涂覆的底鍍層；
銅的熔點為1083℃左右，在高溫環(huán)境下，可以避免螺紋件燒結，給維修和拆卸造成不便。對于發(fā)動機排氣部位的緊固件，使用鍍銅主要就是為了解決高溫燒結的問題。此外，發(fā)動機耐熱螺栓的表面處理方式還可以選擇Magni504或二硫化鉬。關于銅鍍層的厚度，可以參考表5(數(shù)據源自QJ450B-2005)。
結束語
通過對四款發(fā)動機排氣歧管周邊區(qū)域螺栓應用情況的篩選與討論，為設計人員設計發(fā)動機耐熱區(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