01. 背景
大气腐蚀是紧固件腐蚀破坏的主要类型之一，主要腐蚀产物为 Fe 的氢氧化物及其氧化物和少量铁的其他化合物。常用表面处理工艺是采用保护涂层，通过阻隔、抑制腐蚀介质的扩散和电化学防护等方法，达到延缓腐蚀的目的。
传统的表面处理为各种紧固件产品提供了防护性、装饰性和功能性镀层，在国民经济各个行业中具有不可替代的作用。表面处理技术可使紧固件局部或整个表面具备如下功能：
提高耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳、耐氧化、防辐射性能；
提高表面的润滑性；
实现表面的自修复；
改善表面的传热性；
改善表面的导电性或绝缘性；
改善表面的黏着性。
而传统的表面处理在生产过程中不可避免地产生污染环境的物质。在表面处理工业发展初期，如电镀由于不重视电镀废水、废气和废物的处理，造成了很大的环境问题。
20世纪60年代各国政府开始重视环境保护，大多数国家签署了斯德哥尔摩公约、联合国气候公约和国际清洁生产宣言。欧盟相继推出了ROHS、WEEE、EUP 指令和 REAC H法规，严格限制或禁止某些污染物质在工业品中的使用。
长期以来，推进节能减排、促进绿色发展一直都是表面处理行业的重要工作。伴随国家双碳战略的逐步落实，绿色发展理念的不断深入，绿色表面处理应运而生，伴随清洁生产法和电镀废水排放标准等相关文件，传统的表面处理工业正在向节能环保方向发展。表面处理行业迎来了新的机遇和挑战，必将走向绿色低碳高质量发展之路。
02. 传统表面处理技术
2.1 电镀
将金属紧固件浸于含有被沉积金属化合物的水溶液中，以电流通过镀液，使电镀金属析出并沉积在紧固件上，这是电镀的方法。 一般电镀有电镀锌、电镀铜等各种合金。 电镀是在材料上镀上一层金属，以改变紧固件材料的尺寸、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性和表面美观等目的。电镀锌是电镀中应用最多的电镀法，因为它便宜，美观。但是，它的 表面性相对较差且性能不稳定 。
▲ 电镀锌紧固件
2.2 电泳
在电压下，将涂料置于阴阳两极，带电离子移动到阴极，形成一层不溶的膜覆盖在工件表面。这层不溶的膜在工件表面均匀，平整的覆盖，它的光滑度、硬度、耐腐蚀性能、渗透性能非常好，在许多要求高的汽车紧固件表面处理工况下，多选择电泳工艺。
▲ 电泳汽车紧固件
2.3 磷化
磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化可以给紧固件提供一定程度上的表面保护，并且可以在螺纹连接中起到润滑的作用。
▲ 磷化螺母
2.4 钝化
由于金属表面与氧分子形成一层膜层覆盖在金属表面，此膜层性能稳定非常薄，并且覆盖性能良好。它可以把金属与腐蚀介质完全隔开，防止金属与腐蚀介质接触，从而防腐蚀的作用。因此可以延长金属紧固件的寿命，并且可以大大的减少经济成本。
▲ 钝化处理的零件
2.5 渗锌
渗锌处理属于化学表面处理。将金属紧固件置于适当的介质中加热保温热扩散，使锌元素渗入它的表层，以改变其化学成分和组织，从而获得耐腐蚀性能的表面处理工艺。经过热扩散渗锌表面处理的紧固件，不仅能增强它的耐腐蚀性，还可以提高工件表面的硬度、耐磨性等，但是热扩散渗锌处理也会对环境产生一定影响。
▲ 渗锌表面处理的紧固件
2.6 达克罗处理
「达克罗」工艺由中性清洗剂脱脂，抛丸机进行表面氧化层处理，多元合金共渗、冷却、抛丸、钝化、浸渍或喷涂达克罗溶液，经 300℃左右的温度进行烧结固化氧化还原并冷却，是代替对环境污染严重的传统电镀锌、热浸锌类的最佳技术。它可以处理钢、铁、铝及其合金、结构紧固件，既提高了产品质量，又保护了自然生态环境。经过达克罗处理的金属紧固件，表面质量佳，防腐效果好，能长时间不发生锈蚀，但是成本相对于其他防腐形式较高。
▲ 达克罗处理的金属紧固件
2.7 静电喷涂
静电喷涂是指利用电晕放电原理，使雾化涂料在高压直流电场作用下荷负电，并吸附于荷正电基底表面放电的涂装方法。静电喷涂涂装质量较好，漆膜附着力强，且喷涂后的金属紧固件表面质量较好，能够长时间起到防腐的作用。但是静电喷涂对于形状复杂或者轮廓凹凸较深的异型紧固件，难以获得均匀的涂层。
2.8 抛光
利用各种抛光介质( 比如抛光轮) 加入不同的抛光剂对紧固件表面进行加工，以提高工件的光泽感使表面更加光滑，但是抛光不能改变工件的尺寸和形状。抛光时，高速旋转的抛光轮(圆周速度在22m/s以上) 移动到紧固件表面，使磨料在工件表面进行摩擦，从而使紧固件表面更加的光亮、光滑，加工件表面粗糙度一般可达Ra0.63～0.01μm。
2.9 抛丸
用电动机带动旋转的叶轮体，依靠离心力的作用，将直径约在0.2～3.0 的不同类型弹丸( 包括铸钢丸、钢丝切丸、不锈钢丸等) 抛向工件的表面，与抛光不同的是，抛丸使紧固件表面变得粗糙而不是光滑。增加工件表面的粗糙度，可以使后续的喷漆工艺中，漆膜的附着力加大，并且可以提高紧固件的使用寿命。
2.10 喷砂
喷砂是使用压缩空气作为原有动力，让压缩空气形成高速喷射束，然后将喷料( 包括铁砂、金刚砂、石英砂等等) 快速喷射到紧固件表面。此工艺改变了紧固件的外表和形状，可以提高紧固件表面的清洁度并且得到不同的粗糙度，改善紧固件表面的机械性，提高了紧固件和涂层之间的附着力，喷砂工艺可以选择不同的粗糙度，这一点是其它工艺达不到的。对于紧固件表面处理要求较高的的情况下，我们还是会选择喷砂工艺，因为它的清理效果是最好的。
2.11 喷丸
用喷丸进行表面处理，打击力大，容易使紧固件变形，但是清理效果明显。喷丸的优点是灵活性大，对于复杂紧固件的内外表面和管件的内壁都很容易清理，不受场地的限制。它的设备结构简单，维修费用低。喷丸的确缺点是消耗能量大，清理表面易有潮气，容易生锈，清理效率低。
03. 电镀工艺技术的发展
电镀锌是电镀工业领域最大的镀种，镀锌后为了提高镀层的抗腐蚀性能需要进行钝化。
长期以来，人们都是采用六价铬为主要成分的钝化溶液进行钝化,六价铬钝化膜中六价铬的含量非常高达0.5mg／dm2。六价铬属于铬元素的常见氧化态之一，具有很强的化学活性，很容易通过呼吸、接触等途径被人体吸收。同时，六价铬具有较强的毒性，长期接触会对人体健康造成极大影响，短期接触也会带来潜在的致癌风险。在自然界，六价铬会以溶液的形式存在于自然水体之中，来源主要为金属表面处理企业、皮革制造业等工业废水的排放或电站冷凝水的排放。六价铬废水容易对环境内的生态圈中动植物、水体、土壤等造成严重污染，且造成的污染难以恢复。六价铬污染是一种十分严重的生态灾难。
因此，在环保领域、金属材料表面处理领域、汽车回收利用领域等方面，六价铬的检测及控制都是十分重要的。目前，欧盟 ROHS指令、ELV 指令中都规定六价铬含量不能超过0.1%，目前，出口的电子电器产品及汽车产品都要按照限值执行；GB/T30512-2014【汽车禁用物质要求】中也规定六价铬含量不能超过0.1%，汽车紧固件的选择与使用均应按照这一标准执行。
二十一世纪以来，表面处理工业六价铬替代工艺（电镀锌三价铬钝化替代六价铬钝化，三价铬电镀替代六价铬电镀）、合金电镀替代六价铬电镀、铝合金三价铬转化膜、无六价铬电解抛光工艺等表面处理技术设备得到快速发展，铬酸回收工艺、锌镍合金代电镀锌、机械镀锌等环保型工艺材料得到广泛应用。
绿色表面处理综合考虑了环境影响和能源资源效率，通过科技创新和技术提升，解决传统表面处理资源消耗大、污染严重的问题。
第一代三价铬钝化工艺通过提高活性成分的浓度，提高温度，结合使用各种抑制剂，再通过硅酸盐和聚合物的后处理，达到了汽车制造的需要；第二代三价铬钝化工艺通过添加金属盐和弱有机酸增加了钝化膜的厚度，较大地提高了钝化膜的耐腐蚀性能；第三代三价铬钝化工艺采用三价铬氧化物和高性能表面活性抑制剂。例如，二氧化硅、纳米粒子等有机结合，三价铬的沉积量达到0.3～3mg／dm2,二氧化硅的沉积量达到0.5～1mg／dm2,厚度可以达到400nm以上,由铬的氧化物和胶体共同作用形成的三价铬钝化膜的耐蚀性能较好。
目前，三价铬钝化工艺已经在国内得到了比较普遍的应用，处理过的产品有电器紧固件和汽车紧固件等，且符合欧盟的规定，并大批量出口到欧洲、北美和日本等国家。
三价铬钝化工艺通过调整着色剂等方法，已经拥有彩色钝化、蓝白钝化、金黄色钝化、军绿色钝化、黑色钝化等多种钝化颜色，并广泛应用于各种防护性、装饰性镀层。
① 向低污染或无污染方向发展。减少或完全取代污染环境的六价铬、铅、镉、镍等重金属在电镀行业中的使用。
② 向节能节材节水方向发展。采用新型的高压开关电源可以大幅度提高转换效率，降低电能消耗；采用新的水处理技术回收金属、节约用水；从电镀淤泥中回收金属正在各个电镀企业中推广使用。
③ 节能环保绿色电镀工艺技术发展需求迫切。我国已经出台了新的电镀废水废气废物的处理排放标准，因此，对节能环保绿色电镀工艺技术的需求更加迫切。
当前在国家绿色低碳发展战略指引下，紧盯绿色清洁能源发展趋势，不断加大绿色能源产品研发力度，在表面处理研发和生产上将取得重大突破。
04. 确定螺栓表面处理要求
设计时如何确定表面处理工艺要求，是影响螺栓质量的关键因素之一。对于确定螺栓表面处理要求，主要基于两个方面进行考虑。
① 表面处理的要求是否合适，将直接关系到螺栓后期能否适应实际工况。在潮湿或有腐蚀介质的环境中，螺栓是否经过表面处理是决定寿命的关键因素。如对于海洋平台、风电机组和核电机组上的螺栓，众多国际、国家、行业标准都对表面处理要求做出明确的规定。
② 部分表面工艺会带来有害的氢元素，引起氢脆断裂。在热处理、气体渗碳、清洗、酸洗、磷化、电镀过程，以及在使用环境中作为阴极保护或腐蚀反应的结果，都能引入氢元素。氢元素也会在制造过程中引入，如滚轧成型、机械加工，以及焊接或钎焊操作等。绝大部分氢脆引起的断裂都和表面处理工艺有关，如酸洗、电镀处理等过程使钢材受氢元素侵入。
为解决螺栓氢脆问题，世界各国采取了很多方法，主要有四种。第一，对于电镀后的螺栓进行严格驱氢处理。第二，螺栓电镀采用低氢脆电镀工艺。第三，螺栓表面防护不用电镀，采用无氢脆的涂覆方法。第四，采用高强度耐候钢、耐蚀钢材制造螺栓，表面不电镀。
螺丝君经验与总结
综合各类研究，对于影响高强度螺栓失效主要有五方面：
① 设计受力计算不合理；
② 材料选用不当；
③ 热处理技术要求确定不合理；
④ 螺纹结构、尺寸精度设计不合理；
⑤ 螺栓表面处理要求不合理。
近年来，表面处理工艺层出不穷，紧固件的表面处理涂层根据化学成分不同，主要可分为有机、无机、金属及复合涂层等类型。但传统表面处理工艺还是有较大的市场，螺栓表面处理要求不合理是影响高强度螺栓早期失效的原因之一，为了使各位小伙伴有更加系统全面的认识，提出以上建议，并为改进工艺提供参考。
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