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紧固件用钢材现状与进展

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  1. 紧固件用钢材现状与进展

  2. 紧固件用钢材现状与进展 • 紧固件是机械行业的三大基础件之一,制造紧固件可以是钢、有色金属、不锈钢、钛合金或者其他工程材料。其中钢材是紧固件中最基本的材料,通过采用先进冶炼装备,工艺技术以及合理的低合金化,使得中国的紧固件用钢发生了较大的变化,也让目前的高强度紧固件能满足更佳的机械性能需求并实际使用。 • 以螺栓为例,目前,螺栓的强度级别可分为4--12.9级等级。6.8级以下级别的螺栓,大都采用低碳钢系列线材制造,无需热处理;7--12.9级一般用中碳、低合金钢、中碳合金钢系列经过调质热处理。自攻、自攻自钻、自攻锁紧螺钉则以低碳合金钢渗碳表面硬化为主,非调质钢类主要利用微合金冷作硬化,螺栓主要为7--9.8级。

  3. 紧固件用钢材现状与进展 • 一、紧固件的现状 • 紧固件的加工方法可以是热加工,也可以是切削加工,但占90%以上是冷锻加工。冷镦、冷挤压、冷冲压加工工艺制造的产品精度高、质量好、生产效率高,因此紧固件用钢大多为冷镦钢。中国目前紧固件企业有7000多家,年产量约550万吨,年耗钢材820万吨左右,除常用ML35钢外,紧固件用钢的品种规格都比较少,不能满足紧固件的内需和出口。所以不得不借用日本JIS标准中G3505、G3507和美国标准ASTM510A中的牌号。常用的紧固件冷镦用钢牌号见表1。

  4. 紧固件用钢材现状与进展

  5. 紧固件用钢材现状与进展 • 目前国内的冷镦钢实物质量和品种尚不能满足紧固件行业的要求,特别是用于汽车、能源、桥梁、建筑、环保、化工及航空、航天等领域时,高精度、高强度的紧固件、钢结构及非标异型件需求的日益高涨,这都是紧固件行业调整的方向。 • 紧固件用钢的特点是线材由一整根盘条组成,通用性能要求均一,避免同盘条中头尾硬、中间软或者时软时硬,同批交货的线材盘条成分尽量一致,尤其是要调质处理的产品,避免因化学成分差异,而造成热处理后产品力学性能差异过大,对汽车紧固件、非标准型件及钢结构螺栓要求评价成品性能“离散度”和零缺陷的用料更要严格筛选。 • 对盘条直径钢厂应该做到“上公差”交货。应保证拉拔量在0.5mm以内,同一牌号的元素组成比例在允差范围内应更趋优化合理。

  6. 紧固件用钢材现状与进展 • 二、紧固件用钢的新产品开发 • 1、微合金非调质钢 • 用微合金非调质钢制造螺丝可省略螺栓冷拔前的球化退火和螺栓成型后的调质处理,还可减轻螺纹的脱碳倾向,提高螺栓成品率,因此,经济效果十分明显。 • 紧固件用非调质钢主要是冷作硬化型非调质钢,牌号前冠以“LF”字母。由于非调质钢线材的盘条,在冷镦锻加工时的硬度较通常的冷加工线材高,这使得冷加工在制造复杂形状的10.9级凸缘螺栓时,产生裂缝的萌生率提高,而且让冷镦模具的寿命降低,因此微合金非调质钢制造的螺栓主要是为7T级和8.8级,加工量少的10.9级双头螺栓也可采用非调质钢制造。紧固件用非调质钢牌号为LF10Mn Si 和LF20Mn2,要求热轧线材抗拉强度Rm,控制在550-700N/mm2 ,冷拉后800-900 N/mm2 可制造8.8级紧固件。另一种热轧线材抗拉强度Rm控制在600-900 N/mm2,

  7. 紧固件用钢材现状与进展 • 可制造10.9级紧固件。非调质钢总强度的获得不但与钢厂的热轧母材设计强度有关,更与紧固件工厂的拉拔工艺、冷镦、时效处理规程都有密切的关系。 • 为了提高屈服强度和去除加工应力,需要对微合金非调质钢紧固件进行180-400℃的低温回火处理,7T级螺栓在200℃回火处理与电镀后的去氢处理可同时进行。而8.8级螺栓则要用350℃回火处理。 • 2、硼钢 • 把含量为0.0005%-0.003%的硼加到钢中,许多钢种的调质硬度明显增加,因此,在汽车紧固件方面,用硼元素取代贵重稀有元素,可收到较好的经济效益。单就硼元素而言,对钢的冷加工没有明显的影响,只是在热处理时比较明显。硼钢具有高韧性、强塑性、回火温度低、强度

  8. 紧固件用钢材现状与进展 强度高的特点,很适合生产高强度螺栓紧固件。 为了进一步提高冷加工性能和省略球化退火处理,开发低成本的低、中碳高强度硼钢,其设计的基本原则是降低含碳量,改善钢的冷变形能力,并加入微量硼以弥补因降碳而造成的强度和淬透性损失。通常8.8 级螺栓用与SAE10B21、SAE10B22M相当的低碳含锰系硼钢制造,由于少量硼代替含大量合金元素,钢材成本降低,而碳合金元素含量低,造成冷加工性能良好,轧材盘条可以直接拉拔和冷镦加工,不需要预先球化退火处理节约了螺栓的制造成本。 近年来紧固件新钢种不断变化,采用国外钢种牌号

  9. 紧固件用钢材现状与进展 • 10B23、10B25LHC、MnB123H等。这主要是出口订单上规定要使用的牌号。MnB123H钢系日本神户钢厂自行研制的牌号,为了在425℃以上温度回火时得到1000 N/mm2 以上的强度,碳含量控制在0.25%。同时控制Mn、Si的含量,确保轧态获得低硬度的铁素体+珠光体组织,硬度在80-85HRB范围,可省略球化退火,直接冷镦成型。此外,由于保证了淬透性J10(据淬端10mm )=35-42HRC(这是Ti和B合金元素的贡献),并降低了杂质元素P、S的含量,因而在930-1200 N/mm2及强度范围内的耐延迟断裂性能相当于或优于SCM435钢,该钢已应用于8.8、9.8和10.9级的汽车、摩托车螺栓。 • 3、免退火与简化退火钢 现代高速轧机的进步和计算机控制技术的结合,热机轧制工艺技术在线材盘条生产中有许多进展,经过常规粗

  10. 紧固件用钢材现状与进展 中轧制的轧钢被冷却到二相区温度(约750℃)进行控制精轧和冷却的生产工艺,使线材盘条获得相似于球化退火的效果。 • 中碳钢(如SWRCH 35K)通过热机精轧和轧后冷却,可以获得粒状珠光体+细珠光体+铁素体组织,减面率在5%-10%,拉拔后成品线材硬度在87-92HRB,直接上机冷镦,可免除球化退火工序,经济效益十分明显。对直径 12mm以上的线材盘条,可缩短球化(软化)退火时间,也可以达到节能降低生产费用的目的。从生产实践来看,采用退火和简化退火线材,其生产工艺简单,操作稳定,适宜批量生产有广阔的市场前景。 三、紧固件用钢研制展望 汽车的高性能化和轻量化、建筑结构的高层化以及大桥的超长化等,对作为联接部件的紧固件提高了更高应力

  11. 紧固件用钢材现状与进展 • 的要求。当今,最有效的措施是提高紧固件用钢的使用强度,因此世界各国相继研制开发了高强韧性、高延迟断裂抗力的紧固件钢,如日本开发了抗拉强度为1372 N/mm2(14.9级)高延迟断裂抗力螺栓钢。目前这类钢通常是以Cr-Mo系中碳钢为基础,通过提高钢的纯净度,降低P、S、Mn的含量,并提高Mo含量,加入细化晶粒的N和V。如日本住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列以及中国钢铁研究总院的ADF系列等,见表2。

  12. 紧固件用钢材现状与进展

  13. 紧固件用钢材现状与进展 • 日本住友研发的ADS3钢含Mo量较高并添加V和Nb,耐延迟断裂性能明显高于JIS SCM440,由于回火温度较高,高温回火后碳化物均匀分布,具有较小的内应变是其延迟断裂抗力高的主要因素。日本神户开发的KNDS系列钢,主要加入Ti、Al、Ni元素,与常用的 JIS SCM440相比,延迟断裂抗力有明显的改善,KNDS3和KNDS4已批量生产1300-1500 N/mm2级的高强度汽车螺栓。北京钢铁研究总院在42CrMo钢的基础上,通过降低P、S、Mn、Si的含量,ADF1钢其耐延迟断裂较42CrMo钢有较大幅度的提高,已在东风康明斯发动机缸盖的螺栓上应用。 • 近年来,采用45CrNiMoTi钢结构用螺栓1500 N/mm2级被使用,其性能优于回火马氏体高强度螺栓。45CrNiMoTi钢属贝氏体钢很少见到有(晶界)碳化物析出,避免了穿晶破坏而发生的延迟断裂。

  14. 紧固件用钢材现状与进展 • 为了节省能源和资源,今后对降低成本的要求会越来越迫切,因此,价格低廉,能够省略或者简化制造过程的微合金非调质钢和硼钢的使用量必将会显著增加,而同一牌号的钢材延伸出多个变货状态的品种,例如SWRCH 35K--M钢,有免退火、退火+磷化膜状态,以满足不同客户的需求。 • 针对汽车、石油、航天各行业的技术进步,对配套的紧固件不但在形式尺寸上,而且在性能与可靠性上也都提出了很高的要求,而大量采用合金、低合金钢种,以及配合高强度、耐高温、耐高压、耐腐蚀的要求,这实际都是在对紧固件所用的材料提出更高的要求。冶金工业与机械工业紧密结合和合作不仅会进一步促进现代化合金技术的研究,同时也为提高紧固件行业的发展提供材料的基础,因此需要全行业加以充分关注。