一种重型卡尺铰链技术领域
本发明涉及一种重型卡尺铰链，属于合金材料加工技术领域。
背景技术
钢铁应用于工业生产和生活中的各个方面，在人类的生活和工作中有着十分重要
的作用，是科技发展的基础，但钢铁在大气中易锈蚀且锈蚀过程相当复杂，对工业生产及人
们的生活产生不同程度的不利影响，带来不必要的经济损失。在我国，据中国工业和自然环
境腐蚀调查项目组2008年调查结果显示，由腐蚀造成的直接经济损失达2300亿元，间接经
济损失为5000～6000亿元，相当于当年我国国民生产总值的5％。因此，研究防止钢铁腐蚀
的方法就变得很重要。
铰链又称合页是用来连接两个固体并允许两者之间做相对转动的机械装置。铰链
可由可移动的组件构成，或者由可折叠的材料构成。重型卡尺铰链由于安装位置的特殊性，
对铰链的要求也是很大的，一般尺寸在150MM以上，承重力较大。而现有技术中的铰链一般
采用普通合金钢通过普通的成型工艺制成，其性能较为一般，尤其是强度、耐温性、耐腐蚀
性较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有较高耐腐蚀性、耐温性及机械性能的重型卡尺
铰链。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种重型卡尺铰链，所述的重型卡尺
铰链由合金钢制成，所述合金钢的组成元素及其质量百分比为：C：0.10-0.15％、Cr：0.4-
0.6％、Si：0.14-0.20％、Mn：0.8-1.15％、Al：0.03-0.05％、N：0.008-0.015％、Mo：0.25-
0.35％、Cu：0.025-0.04％、S：0.005-0.022％、V：0.08-0.15％、RE：0.08-0.15％、P≤
0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明重型卡尺铰链的合金钢中降低了碳含量、铬含量，并添加了稀土元素，通过
各元素之间产生的协同作用提高重型卡尺铰链的综合性能。在合金钢中加入低含量铬的同
时，加入Cu、Mn、Mo、Al、Si、V等合金元素，放弃加入镍、钨等贵重金属元素，能够强化基体，获
得MoC、VC等特殊碳化物和合金碳化物，从而提高重型卡尺铰链合金钢的组织稳定性。Cu、Al
的加入可以提高重型卡尺铰链合金钢的散热性能。Cr、Si、Al能够提高合金钢的抗生长与抗
氧化能力。散热性能、抗生长和抗氧化能力的提高又能进一步提高合金钢的高温性能，使其
在高温环境下使用的寿命有所提高。Mn、Si等元素的加入能够提高钢液的流动性。稀土的影
响与合金元素进行配合，进一步提高重型卡尺铰链合金钢的强韧性。在本发明重型卡尺铰
链的合金钢中若碳含量过低，在加工中的深冷处理会严重影响强度和硬度，若碳含量过高，
塑性低，还会影响后续的成型及电镀过程中的性能，造成开裂等问题。为了避免在渗层中发
生内氧化形成“黑色网状组织”缺陷，本发明重型卡尺铰链合金钢中Si含量要求控制在
0.20％以下。当加入0.14-0.20％Si可以提高重型卡尺铰链的强度，若Si含量低于0.14％，
则会影响重型卡尺铰链的屈服强度。尽管Mn是固溶强化元素，但在本发明重型卡尺铰链合
金钢中，若锰含量大于1.15％，则会大幅度降低重型卡尺铰链的塑性和韧性。重型卡尺铰链
合金钢的耐热性随着Mo含量的增加而增强，此外Cr、Si、Al都可生成致密的氧化物，形成保
护膜。铝是最基本、最有效的细化晶粒元素，在钢中主要以AlN形式存在。AlN主要分布于晶
界，起到钉扎晶界阻止晶粒长大的作用。当合金钢中铝含量较高，但氮含量较低时，则不能
形成足够的AlN使其均匀的分布于奥氏体晶界。AlN数量较少必然导致其分布较多的位置钉
扎晶界作用明显，较少的位置则不能钉扎晶界阻止奥氏体晶粒的长大，这也是产生混晶，即
晶粒局部异常长大的主要原因。经不断试验发现，在本发明重型卡尺铰链合金钢中铝含量
为0.03-0.05％时，控制Al/N≥3能够保证在在后续的热处理时不发生混晶现象。本发明重
型卡尺铰链合金钢中加入0.08-0.15％V细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒不仅是强化合
物形成元素，还是钢材优良的脱氧剂，能与碳的结合，形成高熔点、高硬度、高弥散度且稳定
的VC碳化物，且0.08-0.15％V与0.8-1.15％Mn起协同作用，共同提高钢的强度和硬度，其原
因在于V与Mn配合使用不仅可以细化晶粒，还可以得到更高体积分数的弥散分布析出颗粒，
同时起到细晶强化和弥散强化的作用，还可以提高重型卡尺铰链的强度、韧性以及抗腐蚀
能力。且本发明重型卡尺铰链合金钢中由于0.08-0.15％稀土的存在，与0.08-0.15％V一起
增强了重型卡尺铰链合金钢组织细化的程度，从而使其扩散系数降低，减轻其氧化程度。同
时碳化物在回火的过程中析出速度和长大速度都较为缓慢，提高了钢的强度和抗回火稳定
性。
未加入稀土时，合金钢组织非常不均匀，相对碳化合物尺寸较大，网状二次碳化合
物较为明显。加入少量的稀土时，合金钢二次碳化合物断网明显。一定范围内稀土含量越
高，组织越来越均匀，越来越细。稀土含量的增加使得碳化合物支晶和莱氏体网格越来越
细，进而提高合金钢的冲击韧性。含稀土越多，碳化物尺寸越小，这种特征在提高放大倍数
后非常明显。此外稀土元素还可融入碳化合物中，或者与氧、磷、硫、硅、铝发生反应生成氧
化物等，降低有害杂质对脆性的影响。经不断试验发现，在本发明重型卡尺铰链合金钢中添
加0.08-0.15％稀土对碳化合物尺寸的减小，与合金元素的配合，在晶界处的分布以及减小
有害物质的影响等综合效果较为明显。
一般的合金钢中，硫、磷等杂质元素的非金属夹杂会破坏钢的基体连续性，在静载
荷和动载荷的作用下，往往成为裂纹的起点，影响合金钢的性能，但是本发明为了提高重型
卡尺铰链切削性，需要添加一定的硫含量。
本发明还提供一种重型卡尺铰链的加工工艺，所述的加工工艺包括如下步骤：
按重型卡尺铰链所用合金钢的组成元素及质量百分比配料，将原料熔炼成钢水，
钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得重型卡尺铰链坯件；
热处理：将重型卡尺铰链坯件先加热到560-580℃，然后加热至780-840℃，再加热
至960-1000℃用淬火油进行淬火处理，保温1-3小时后在冰盐水中冷却至室温，然后在300-
350℃回火处理，保温1-2小时，得重型卡尺铰链半成品；
将重型卡尺铰链半成品在38-45℃的电镀液中处理30-50min，经钝化处理、封闭处
理得重型卡尺铰链成品。
本发明将加工成型的重型卡尺铰链坯件经过淬火加高温回火的双重热处理，在高
温回火时会出现二次硬化效应，随着回火温度的升高，钢的强度、硬度降低，塑性、韧性升
高。然后在坯件表面电镀，形成耐腐蚀、耐磨的镀铬层，接着对其进行钝化、封闭处理，进一
步提高重型卡尺铰链的综合性能，尤其是耐腐蚀性、硬度和强度。另外，本发明原料炼钢中
采用真空冶炼。合金钢中的氧含量和非金属夹杂物，尤其是氧化物，对重型卡尺铰链合金钢
的疲劳寿命有着相当大的影响，因此，本发明采用真空冶炼，提高合金钢的纯净度，进而提
高重型卡尺铰链的接触疲劳性能，提高其使用寿命。通过真空冶炼氧含量从28mg/kg降低到
16mg/kg，氧化物总量从64.9mg/kg降低到44.8mg/kg，存活率为50％时的接触疲劳寿命提高
了29％，存活率为95％时接触疲劳寿命提高了20％。
作为优选，热处理中先以7-10℃/min的速率升温至560-580℃，再以6-10℃/min的
速率升温至780-840℃，然后以10-12℃/min的速率升至960-1000℃。
在上述重型卡尺铰链的加工工艺中，电镀液的成分及比例为Cr2O3:180-220g/L，
H2SO4：1.5-2.0g/L，余量为去离子水。通过上述电镀处理在其表面形成的镀铬层的厚度为5-
20μm。
作为优选，电镀时依次分三阶段进行电镀，第一阶段的电流密度为2.0-2.5A/dm2，
电镀时间为5-8min，第二阶段的电流密度为2.5-3.5A/dm2，电镀时间为15-30min，第二阶段
的电流密度为3.6-3.8A/dm2，电镀时间为10-12min。在不同的阶段采用不同的电流密度，随
时间逐渐加大电流密度，有利于膜的均匀沉积，防止沉积不均匀导致的脱落现象。
在上述重型卡尺铰链的加工工艺中，封闭处理为将重型卡尺铰链半成品先浸入硅
烷试剂中进行硅烷化处理，取出干燥后再在封闭液中处理50-150s，其中封闭液的成分为7-
11g/L的Na2MoO4.H2O，10-15g/L磷酸盐，10-30g/L磷酸，pH为4.2-4.6，封闭处理的温度为55-
62℃。
本发明重型卡尺铰链加工中在钼酸盐溶液封闭处理前先进行硅烷化处理，进一步
改善其耐腐蚀性能。经钼酸盐溶液封闭处理后，重型卡尺铰链表面膜层较为连续完整致密。
钼酸盐较好地填充了硅烷膜的针孔和微裂纹，对基体起到了很好的物理屏障作用，降低了
基体被腐蚀的可能性。随着钼酸盐封闭时间的延长，腐蚀面积先减小，耐蚀性提高。但是当
封闭时间超过120s后，腐蚀面积增大，耐蚀性逐渐下降。其原因在于硅烷化的镀锌-镍重型
卡尺铰链浸入到钼酸盐溶液中后首先填充了硅烷膜的孔隙，耐蚀能力提高；随着封闭处理
时间的增加，钼酸盐转化膜的厚度不断增加，耐蚀能力继续增加，到封闭处理100s时达到最
佳状态；其后随着封闭处理时间的继续增加超过150s，转化膜会发生开裂现象，且逐渐成为
耐蚀性的主控因素，导致重型卡尺铰链表面膜层抗蚀性能整体性呈现下降趋势。
作为优选，硅烷化处理时的温度为32-38℃，pH为3.5-4.5，时间为80-100s。
进一步优选，所述的硅烷试剂通过7％乙烯基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与去离子
水按体积比为(4-8):(92-96)混合搅拌水解1-2h制得。
本发明中使用的硅烷试剂合成简单，该无污染，硅烷化处理过程简单，该硅烷试剂
的分子含有X3Si(CH2)nY结构(其中，X代表可水解基团，Y代表有机官能团)。有机官能团硅烷
可水解为硅醇Si-OH，硅醇羟基在金属基体表面形成氢键，进一步脱水形成Si-O-M(M为金属
基体)，以共价键结合，同时硅醇分子间相互缩合成Si-O-Si链，最终聚合形成较厚的三维网
络结构膜层，覆盖在金属基体表面，从而大幅度提高重型卡尺铰链基体的耐蚀性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明重型卡尺铰链的成分配伍合理，通过其组成元素及其元素之间产生的协
同作用，提高重型卡尺铰链的硬度、强度、耐腐蚀性等性能。
2、本发明重型卡尺铰链通过先淬火加高温回火的双重热处理，再在其表面电镀，
经钝化后进行硅烷化处理的封闭处理，进一步提高重型卡尺铰链的耐腐蚀性、耐温性及机
械性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并
不限于这些实施例。
实施例1
原料炼钢：按重型卡尺铰链所用合金钢的组成元素及质量百分比配料：C：0.12％、
Cr：0.5％、Si：0.16％、Mn：0.98％、Al：0.042％、N：0.012％、Mo：0.28％、Cu：0.035％、S：
0.015％、V：0.12％、RE：0.12％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质；将原料熔炼成钢
水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得重型卡尺铰链坯件。
将重型卡尺铰链坯件先以8℃/min的速率加热到570℃，然后以8℃/min的速率加
热至800℃，再以11℃/min的速率加热至980℃用淬火油进行淬火处理，保温2小时后在含有
40-60％NaCl的冰盐水中冷却至室温，然后在320℃回火处理，保温1.5小时，得重型卡尺铰
链半成品。
将重型卡尺铰链半成品在42℃的电镀液中处理40min，电镀液的成分及比例为
Cr2O3:200g/L，H2SO4：1.8g/L，余量为去离子水；电镀时依次分三阶段进行电镀，第一阶段的
电流密度为2.2A/dm2，电镀时间为6min，第二阶段的电流密度为2.8A/dm2，电镀时间为
22min，第二阶段的电流密度为3.7A/dm2，电镀时间为11min；然后将电镀后的半成品先钝化
处理，再浸入硅烷试剂(硅烷试剂通过7％乙烯基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与去离子水按体
积比为6:94混合搅拌水解1.5h制得)中在36℃，pH为4.0的条件下进行硅烷化处理90s，取出
干燥后再在封闭液中处理100s即可得本发明重型卡尺铰链成品，其中封闭液的成分为8g/L
的Na2MoO4.H2O，12g/L磷酸盐，20g/L磷酸，pH为4.4，封闭处理的温度为58℃。
实施例2
原料炼钢：按重型卡尺铰链所用合金钢的组成元素及质量百分比配料：C：0.14％、
Cr：0.45％、Si：0.18％、Mn：1.05％、Al：0.038％、N：0.010％、Mo：0.28％、Cu：0.038％、S：
0.018％、V：0.1％、RE：0.14％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质；将原料熔炼成钢
水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得重型卡尺铰链坯件。
将重型卡尺铰链坯件先以9℃/min的速率加热到575℃，然后以9℃/min的速率加
热至720℃，再以11℃/min的速率加热至970℃用淬火油进行淬火处理，保温2.5小时后在含
有40-60％NaCl的冰盐水中冷却至室温，然后在340℃回火处理，保温2小时，得重型卡尺铰
链半成品。
将重型卡尺铰链半成品在40℃的电镀液中处理45min，电镀液的成分及比例为
Cr2O3:210g/L，H2SO4：1.6g/L，余量为去离子水；电镀时依次分三阶段进行电镀，第一阶段的
电流密度为2.4A/dm2，电镀时间为7min，第二阶段的电流密度为3.2A/dm2，电镀时间为
18min，第二阶段的电流密度为3.6A/dm2，电镀时间为11min；然后将电镀后的半成品先钝化
处理，再浸入硅烷试剂(硅烷试剂通过7％乙烯基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与去离子水按体
积比为5:95混合搅拌水解1.2h制得)中在34℃，pH为4.2的条件下进行硅烷化处理85s，取出
干燥后再在封闭液中处理120s即可得本发明重型卡尺铰链成品，其中封闭液的成分为10g/
L的Na2MoO4.H2O，14g/L磷酸盐，16g/L磷酸，pH为4.5，封闭处理的温度为60℃。
实施例3
原料炼钢：按重型卡尺铰链所用合金钢的组成元素及质量百分比配料：C：0.15％、
Cr：0.4％、Si：0.20％、Mn：0.8％、Al：0.05％、N：0.015％、Mo：0.25％、Cu：0.04％、S：
0.005％、V：0.15％、RE：0.08％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质；将原料熔炼成钢
水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得重型卡尺铰链坯件。
将重型卡尺铰链坯件先以7℃/min的速率加热到560℃，然后以6℃/min的速率加
热至780℃，再以10℃/min的速率加热至960℃用淬火油进行淬火处理，保温3小时后在含有
40-60％NaCl的冰盐水中冷却至室温，然后在300℃回火处理，保温2小时，得重型卡尺铰链
半成品。
将重型卡尺铰链半成品在45℃的电镀液中处理30min，电镀液的成分及比例为
Cr2O3:180g/L，H2SO4：1.5g/L，余量为去离子水；电镀时依次分三阶段进行电镀，第一阶段的
电流密度为2.5A/dm2，电镀时间为5min，第二阶段的电流密度为3.5A/dm2，电镀时间为
15min，第二阶段的电流密度为3.8A/dm2，电镀时间为10min；然后将电镀后的半成品先钝化
处理，再浸入硅烷试剂(硅烷试剂通过7％乙烯基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与去离子水按体
积比为4:96混合搅拌水解2h制得)中在32℃，pH为3.5的条件下进行硅烷化处理100s，取出
干燥后再在封闭液中处理150s即可得本发明重型卡尺铰链成品，其中封闭液的成分为11g/
L的Na2MoO4.H2O，10g/L磷酸盐，30g/L磷酸，pH为4.2，封闭处理的温度为55℃。
实施例4
原料炼钢：按重型卡尺铰链所用合金钢的组成元素及质量百分比配料：C：0.10％、
Cr：0.6％、Si：0.14％、Mn：1.15％、Al：0.03％、N：0.008％、Mo：0.35％、Cu：0.025％、S：
0.022％、V：0.08％、RE：0.15％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质；将原料熔炼成钢
水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得重型卡尺铰链坯件。
将重型卡尺铰链坯件先以10℃/min的速率加热到580℃，然后以10℃/min的速率
加热至840℃，再以12℃/min的速率加热至1000℃用淬火油进行淬火处理，保温1小时后在
含有40-60％NaCl的冰盐水中冷却至室温，然后在350℃回火处理，得重型卡尺铰链半成品。
将重型卡尺铰链半成品在38℃的电镀液中处理50min，电镀液的成分及比例为
Cr2O3:220g/L，H2SO4：2.0g/L，余量为去离子水；电镀时依次分三阶段进行电镀，第一阶段的
电流密度为2.0A/dm2，电镀时间为8min，第二阶段的电流密度为2.5A/dm2，电镀时间为
30min，第二阶段的电流密度为3.6A/dm2，电镀时间为12min；然后将电镀后的半成品先钝化
处理，再浸入硅烷试剂(硅烷试剂通过7％乙烯基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与去离子水按体
积比为8:92混合搅拌水解1h制得)中在38℃，pH为4.5的条件下进行硅烷化处理80s，取出干
燥后再在封闭液中处理50s即可得本发明重型卡尺铰链成品，其中封闭液的成分为7g/L的
Na2MoO4.H2O，15g/L磷酸盐，10g/L磷酸，pH为4.6，封闭处理的温度为62℃。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，采用普通合金钢加工重型卡尺铰链。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，采用普通电镀工艺(如电镀锌或电镀铬)加工重型卡尺
铰链。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，采用普通的封闭剂进行处理，即未经过硅烷化处理。
在上述实施例中未明确说明的工艺均为现有技术中普通常规的工艺，如熔炼、浇
注、轧制、钝化处理等。
将实施例1-4及对比例1-3中加工得到的重型卡尺铰链进行性能测试，测试结果如
表1所示。
表1：实施例1-4及对比例1-3中加工得到的重型卡尺铰链的性能测试
从表1可知，本发明重型卡尺铰链采用配伍合理的合金钢加工成，并通过先淬火加
高温回火的双重热处理，再在其表面电镀，经钝化后进行硅烷化处理的封闭处理，进一步提
高重型卡尺铰链的耐腐蚀性、耐温性及机械性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领
域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并
不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。