“緊固件材料和熱處理”技術(shù)熱點(diǎn)——材料篇（緊固件人士必看！）
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“緊固件材料和熱處理”技術(shù)熱點(diǎn)——材料篇（緊固件人士必看?。?/span>
本人根據(jù)在金蜘蛛緊固件培訓(xùn)研討會(huì)上主講的“緊固件材料及熱處理”、“冷鐓材料與熱處理方法”、“緊固件的熱處理”、“緊固件熱處理工藝與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)”和“金相檢驗(yàn)與緊固件材料、熱處理”等熱門課題，總結(jié)了以下經(jīng)常被學(xué)員問及的問題，供業(yè)內(nèi)同行參考，不當(dāng)之處請(qǐng)批評(píng)指正。謝謝！
1、什么是添加元素的鋼， 為什么容易淬火開裂？
在GB/T3098.1～2010標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)8.8級(jí)～10.9級(jí)的螺栓使用的材料有明確規(guī)定，對(duì)于需要熱處理的高強(qiáng)度螺栓鋼硫和磷的最大含量極限，從0.035%降到0.025%，其中有“添加元素的碳鋼（如硼或錳或鉻）”一類，并代替原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“低碳合金鋼”。據(jù)悉，此類鋼材采用“廢鋼”作原料、電爐冶煉，往往殘余合金元素過多，控制非常困難，特別是一些難以在冶煉中去除的雜質(zhì)元素，造成最終產(chǎn)品質(zhì)量無法保證。
一般指的是45#、40Cr鋼，此類鋼在我國的使用年限較長(zhǎng)。特別是S、P的含量都在0.025%～0.035%，還有其他的雜質(zhì)Cu銅、Pb鉛、Sn錫、Se硒，當(dāng)鋼中有害元素P、S增加時(shí)，低倍組織檢測(cè)的中心疏松、一般疏松、方形偏析的級(jí)別都在2～3級(jí)，白點(diǎn)、縮孔、氣泡、翻皮等缺陷也可見存在。由于價(jià)格較低，不少緊固件企業(yè)還很喜歡用。在螺栓調(diào)質(zhì)時(shí)時(shí)常發(fā)生淬火裂紋的事故，主要是雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物較多引起，在熱處理時(shí)采取任何措施都不可避免開裂。對(duì)于重要的產(chǎn)品，建議一般不用或避免使用45#、40Cr鋼。
2、目前市場(chǎng)上，20MnTiB、ML20MnTiB硼鋼可制造10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，但是進(jìn)行再回火試驗(yàn)后，機(jī)械性能下降的原因是什么？
螺栓在緊固件中使用量最大，制造的材料主要有鋼、不銹鋼、鈦合金和有色金屬等。目前除少量的大規(guī)格采用溫鐓（溫?cái)D壓），切削加工制造外，大多數(shù)選擇冷鐓（冷擠壓）成型工藝制造。螺栓最終的力學(xué)性能由制造緊固件的材料品質(zhì)所決定，而20MnTiB和ML20MnTiB含碳量下限均低于0.20%，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的要求；20MnTiB鋼螺栓強(qiáng)度≥1040MPa、硬度在32～39HRC的要求時(shí)，是靠降低回火溫度達(dá)到的，當(dāng)采用425℃再回火溫度試驗(yàn)后硬度和強(qiáng)度下降，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中的最低回火溫度的性能要求。從生產(chǎn)實(shí)踐可以看出，螺栓的優(yōu)良綜合機(jī)械性能，不但取決于熱處理工藝和金相組織，更重要的是應(yīng)具有良好的化學(xué)成分匹配。
20MnTiB和ML20MnTiB鋼首先應(yīng)保證碳含量在0.22%～0.24%以上，才能最大限度地提高淬透性，淬火后的硬度≥45～47HRC，以達(dá)到有效的淬硬層深度，才能滿足標(biāo)準(zhǔn)中的最低回火溫度425℃的要求。
3、美制內(nèi)六角盤頭螺釘1/4-20×1/2，材料：SCM435，機(jī)械性能12.9級(jí)，要求扭矩20N?m，熱處理后扭矩只有17～18N?m，是什么原因造成的？
這個(gè)問題很關(guān)鍵。SCM435鋼含碳量取中下限的話，這個(gè)問題解決不了，SCM435鋼其含碳量提高到中上限或采用42CrMoA、SCM440鋼后，這個(gè)問題就好解決了。為此，所有的鋼材都應(yīng)根據(jù)螺栓等級(jí)選擇合適的含碳量，鋼中的碳量發(fā)生變化，淬火溫度就會(huì)變化，不僅抗拉強(qiáng)度、硬度會(huì)變化，而且扭矩也會(huì)變化。另外，重新調(diào)質(zhì)熱處理也可滿足技術(shù)要求。
4、用馬氏體型不銹鋼30Cr13舊牌號(hào)3Cr13制成封閉圓環(huán)彈簧片，厚度0.75mm，硬度要求39～43HRC，彈性試驗(yàn)要求室溫回彈10次以上。目前的工藝能滿足硬度要求，但彈性合格率只有30%左右。在不改變材料的前提下，如何保證產(chǎn)品的彈性？
這涉及一個(gè)成分的問題，我們搞熱處理的如果不把成分放在第一位那是搞不好的?？梢圆捎煤剂俊?.32%～0.35%的鋼材，帶狀組織偏析應(yīng)控制在2級(jí)以下，其中控制非金屬夾雜物的等級(jí)，如硫化物類、氧化鋁類、球狀氧化物類均不大于1.5級(jí)（包括粗、細(xì)系）。若彈性不夠，考慮增加一道300～310℃再回火工序，然后快冷?？梢栽囋?。
5、汽車上用的不銹鋼焊接螺母是采用哪種奧氏體不銹鋼牌號(hào)？
奧氏體不銹鋼具有良好的一般抗蝕性，在許多介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐全面腐蝕性能，但對(duì)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂較敏感。任何熱處理工藝都不會(huì)使其硬化；但由于N含量的增加或冷成型強(qiáng)化，可使鋼的力學(xué)性能有所提高。奧氏體型鋼具有良好的可焊性，也有較高的低溫沖擊韌度，還有防止脆性的高安全性。
12Cr18Ni9(SUS302)舊牌號(hào)1Cr18Ni9。一般用途的標(biāo)準(zhǔn)18-8型CrNi不銹鋼，耐腐蝕性優(yōu)于同類的12Cr17Ni7（SUS301）鋼，冷加工后能使抗拉強(qiáng)度有很大提高，但伸長(zhǎng)率不如12Cr17Ni7，用于通用的耐蝕螺栓，需機(jī)加工的焊接螺母、自攻螺釘。
Y12Cr18Ni9(SUS303)舊牌號(hào)Y1Cr18Ni9。在18-8型奧氏體型不銹鋼的基礎(chǔ)上提高含S量以提高切削加工性能，可添加Mo和Zr元素，適于批量切削加工緊固件，尤其是采用棒材加工螺母時(shí)。
022Cr19Ni10（SUS304L）舊牌號(hào)00Cr19Ni10。除強(qiáng)度稍低外，其他性能與06Cr19Ni10(SUS304)相同，主要用于需焊接且焊接后又不進(jìn)行固溶處理的螺母。
6、未來汽車發(fā)展的方向是輕量化、節(jié)能化、安全環(huán)保。在組裝不可成缺的螺紋連接上，追求更高設(shè)計(jì)應(yīng)力，輕量化的要求，更加合理的緊固技術(shù)。為了減小高強(qiáng)度緊固件延遲斷裂的危險(xiǎn)，采用何種不銹鋼制造發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓？
一般采用沉淀硬化不銹鋼也稱時(shí)效硬化鋼，基體為奧氏體或馬氏體組織，并能通過沉淀硬化處理使其硬（強(qiáng)）化的不銹鋼。這類鋼在具有高抗腐蝕性的同時(shí)還具有高強(qiáng)度；其耐腐蝕性不但與成分有關(guān)，且與熱處理密切相關(guān)，微細(xì)相的析出、時(shí)效反應(yīng)對(duì)耐蝕性能都是有害的。鋼的高強(qiáng)度是因?yàn)樽罱K在較低溫度下熱處理時(shí)從馬氏體相中析出金屬間化合物的結(jié)果，另因這類鋼的高強(qiáng)度特點(diǎn)，使用時(shí)也可能發(fā)生氫脆和應(yīng)力腐蝕。
05Cr17Ni4Cu4Nb（SUS630）舊牌號(hào)0Cr17Ni4Cu4Nb，常用的沉淀硬化不銹鋼，它同時(shí)具有馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度和奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能，綜合性能良好，在315℃仍有高的強(qiáng)度和耐腐蝕性，用于既要求強(qiáng)度高，又要求耐腐蝕性好的汽車螺栓。07Cr17Ni7Al（SUS631）舊牌號(hào)0Cr17Ni7Al，可塑性好，易硬化，在較高溫度仍有高的強(qiáng)度和耐腐蝕性，特別是冷、熱變形性能優(yōu)良，熱處理強(qiáng)化效果顯著，適于變型成形的高強(qiáng)度、耐腐蝕汽車螺栓。07Cr15Ni7Mo2Al（SUS632）舊牌號(hào)0Cr15N-i7Mo2Al，在07Cr17Ni7Al（SUS631）的基礎(chǔ)上加入合金元素鉬，以保證熱處理時(shí)得到更高的強(qiáng)度。
06Cr15Ni25Ti2MoAlVB（SUS660）舊牌號(hào)0Cr15Ni25Ti2-MoAlVB。鐵-鎳基合金，它在高溫下同時(shí)具有高的強(qiáng)度和好的耐腐蝕性，切削加工性能和熱加工性能良好，可使用在650～700℃的高溫下，用于耐熱、耐腐蝕性的受力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓。
此外，馬氏體型不銹鋼是指具有較好的熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的鋼，如42Cr9Si2和40Cr10Si2Mo鋼。在高溫下具有較高的強(qiáng)度，又稱馬氏體型耐熱鋼。GB/T 1221-2007 《耐熱鋼棒》標(biāo)準(zhǔn)中指的42Cr9Si2舊牌號(hào)4Cr9Si2和40Cr10Si2Mo舊牌號(hào)4Cr10Si2Mo鋼是發(fā)動(dòng)機(jī)上重要螺栓材料，工作時(shí)要承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。
小結(jié)：
隨著冷鐓技術(shù)的發(fā)展，對(duì)冷鐓鋼的需求明顯增加。由于冷鐓緊固件設(shè)備大部分為多工位冷鐓機(jī)，其冷鐓水平相對(duì)較為穩(wěn)定，對(duì)緊固件品質(zhì)的影響并不很大，而主要影響因素在于冷鐓鋼的質(zhì)量，其本身或固有的質(zhì)量缺陷直接影響到緊固件的最終品質(zhì)水平。目前，大多數(shù)緊固件企業(yè)對(duì)冷鐓鋼都有嚴(yán)格的要求，并通過各種途經(jīng)和信息尋求最能適應(yīng)冷鐓工藝的鋼種。生產(chǎn)高強(qiáng)度緊固件有兩大關(guān)鍵點(diǎn)：一是材料，二是熱處理。無論哪一點(diǎn)有問題，都將導(dǎo)致高強(qiáng)度緊固件的性能失效。尤其是對(duì)冷鐓汽車高強(qiáng)度螺栓而言，其選用材料方面更為嚴(yán)格，我國汽車緊固件用冷鐓線材的開發(fā)研究，還處于相對(duì)落后的狀態(tài)。
在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)使用量大的碳鋼或合金鋼、不銹鋼高強(qiáng)度螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)的修訂越來越重要，也越來越緊迫。 需要對(duì)材料中S、P含量問題、脫碳層、非金屬夾雜物和酸浸低倍組織等進(jìn)行探討，還有對(duì)緊固件實(shí)物質(zhì)量中的碳硼鋼制造品質(zhì)問題提出建議。研究和開發(fā)符合我國資源情況的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的高強(qiáng)度冷鐓鋼，對(duì)我國緊固件行業(yè)在國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)具有重要的作用。
高強(qiáng)度螺栓