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18566398802摘要：介紹汽車緊固件用鋼的性能要求，以及冶煉、軋制的特點;對相關(guān)的潔凈螺栓鋼、微合金非調(diào)質(zhì)鋼、免退火鋼、硼鋼、耐延遲斷裂高強鋼的現(xiàn)狀和發(fā)展方向進行闡述;指出實施汽車緊固件用鋼國產(chǎn)化的努力方向。
據(jù)2010年1月中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2009 年中國汽車產(chǎn)銷分別為1379. 10萬輛和1364.48萬輛，同比分別增長48%和46%。汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展加大了對鋼鐵材料的需求，雖然我國持續(xù)多年為世界第一大產(chǎn)鋼國，但是汽車發(fā)動機及關(guān)鍵部件緊固件用鋼由于強度的限制還是以進口產(chǎn)品為主，同時汽車的高性能化和輕量化的發(fā)展趨勢，對汽車緊固件的設(shè)計應(yīng)力和輕量化提出了更高的要求，緊固件用鋼高強度化則是解決這一要求最有效的途徑。
1、汽車緊固件用鋼的性能要求
汽車緊固件用鋼要求：
(1)具有良好的表面質(zhì)量、高級別的尺寸精度和低級別的非金屬夾雜物及偏析;
(2)具有較高的抗拉強度及良好的冷鐓性能;
(3)具有較高的疲勞抗力和多次沖擊拉伸抗力;
(4)具有足夠低的延遲斷裂敏感性和較低的韌-脆性轉(zhuǎn)化溫度。
2、汽車緊固件用鋼的冶煉及軋制特點
2.1、冶煉技術(shù)
采用爐外精煉和具有電磁攬拌的連鑄工藝。主要是將鋼中的C，Si，Mn，Cr，Mo等主要元素成分控制在較小的范圍，并且盡可能降低鋼中P，S，0，N等雜質(zhì)含量，達到鋼質(zhì)純凈度高、非金屬夾雜物低，偏析級別低的目的，從而提高鋼的冷鐓性能和改善鋼的表面質(zhì)量。
2.2、軋制技術(shù)
采用具有控制乳制和控制冷卻功能的高速高精度軋制工藝，獲得軋制熱處理線材(非調(diào)質(zhì)或者免退火)，并使其具有良好的尺寸精度(不需要拉拔處理)以及盡可能少的表面缺陷(不需剝皮)。
3、汽車緊固件用鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展方向
3.1、潔凈螺栓鋼
從提高鋼的冷鐓性，改善鋼質(zhì)方面來講，需要盡可能降低鋼中雜質(zhì)元素含量。降低S含量可提高鋼的變形能力，減少鋼中的非金屬夾雜物，改善韌塑性;降低P含量可降低鋼的變形抗力，同時降低P，S含量還可減少其在晶界的偏聚而減輕晶界脆化，并能改善鋼的耐延遲斷裂性能;降低鋼中的0含量，能有效降低氧化物夾雜，從而改善鋼的冷加工變形能力。
鋼鐵研究總院對潔凈度高的ML42CrMo鋼的應(yīng)力腐蝕門檻應(yīng)力強度因子KISCC進行研究，潔凈度髙的鋼的KISCC較商業(yè)鋼有較大幅度提髙，因此，為保證鋼在高強度化后仍具有較高的綜合性能，高強度螺栓鋼P，S含量要進一步降低。
3.2、經(jīng)濟型高強度螺栓鋼
3.2.1、微合金非調(diào)質(zhì)鋼
用微合金非調(diào)質(zhì)鋼制造螺栓，可省略螺栓冷拔前的球化退火和螺栓成形后的淬火回火處理，還可減輕螺紋絲扣的脫碳傾向，提高螺栓成品率，經(jīng)濟效益十分明顯。
微合金非調(diào)質(zhì)鋼常用的微合金化元素有：Ti，Nb，V，B等。在乳制前的加熱過程中應(yīng)保證微合金化元素充分固溶，隨后在控制乳制、冷卻過程中析出彌散微細的微合金化元素碳氮化物，抑制奧氏體晶粒長大，得到細小的晶粒，在提高鋼材強度的同時又能改善韌塑性。值得一提的是B，微量的B可以顯著提高鋼的淬透性，并對珠光體轉(zhuǎn)變有明顯的推遲作用，結(jié)合低溫軋制，有利于鐵素體含量的增加，從而改善鋼的冷鐓性能。微合金化元素在鋼中的主要作用見表1。
微合金非調(diào)質(zhì)鋼的組織為低碳含錳的鐵素體+ 珠光體型和貝氏體型，由于微合金化元素細化晶粒的作用以及在鐵素體和珠光體中彌散析出碳、氮化物的強化相，使鋼在軋制后不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理即可獲得中碳鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后所達到的力學(xué)性能。微合金非調(diào)質(zhì)鋼主要用于加工8.8級高強度螺栓，國內(nèi)外已經(jīng)應(yīng)用的鋼種牌號有：日本神戶KNCH8S、日本住友金屬SUC80、中國大陸的LF10MnSiTi，LF20Mn2， LF18Mn2V以及馬鋼生產(chǎn)的MFT8。也有少量的10.9級雙頭螺栓采用微合金非調(diào)質(zhì)鋼制造。而對于更高強度級別，如12.9級的髙強度螺栓，還沒有采用微合金非調(diào)質(zhì)鋼制造的實例。
通過實現(xiàn)在兩相區(qū)溫度軋制，冷作強化非調(diào)質(zhì)鋼正在由微合金化為主轉(zhuǎn)向以形變誘導(dǎo)超細化組織為主的方向發(fā)展，用不添加或少添加微合金元素的鋼生產(chǎn)能用于冷鐓加工髙強度緊固件的線材、棒材，既節(jié)約資源、能源，又保護環(huán)境，因此，開發(fā)節(jié)能環(huán)保型髙強度緊固件用鋼生產(chǎn)技術(shù)，是近期乃至未來線材、棒材生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向。
3.2.2、免退火中碳鋼或中碳合金鋼
普通熱軋態(tài)交貨的鋼材往往需要先進行球化退火才能滿足冷繳成形的要求，其目的就是要通過球化退火使鋼材微觀組織中的片狀碳化物(滲碳體)呈球狀，從而得到具有低變形抗力和優(yōu)異塑性的材料。而免退火中碳鋼或中碳合金鋼就是使球狀滲碳體在一定條件下直接從過冷奧氏體中穩(wěn)態(tài)析出。研究證明，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變過程中滲碳體以片狀形態(tài)從母相中析出是一個亞穩(wěn)態(tài)，理論上潛藏著向熱力學(xué)更為穩(wěn)定的球狀滲碳體自發(fā)轉(zhuǎn)化的趨勢，為此吳凡等人還對片狀滲碳體轉(zhuǎn)化為球狀滲碳體所需的激活能進行了測定。
穩(wěn)態(tài)的球狀滲碳體不可能從穩(wěn)態(tài)的奧氏體中析出。據(jù)研究，低碳鋼在高應(yīng)變速率、大應(yīng)變下，進行稍高于Ar3的形變，可得到2μm以下的超細鐵素體，從而對其周圍未轉(zhuǎn)變奧氏體的分解方式產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為奧氏體在隨后冷卻或退火過程向退化珠光體加速轉(zhuǎn)變并緩慢粗化。對于珠光體含量較高的中碳鋼，通過控制軋制實現(xiàn)奧氏體的非平衡化，再通過隨后的控制冷卻就有可能獲得球狀的滲碳體，而非片狀滲碳體，從而實現(xiàn)了在線軟化處理。
傳統(tǒng)的高速線材軋機難以實現(xiàn)在線軟化處理，原因是不能夠進行低溫大變形量控制軋制以及控制冷卻線過短。
日本神戶制鋼公司第7線材廠于1999年對設(shè)備進行改造，增加了超重載能力的減定徑機組并將斯太爾摩風(fēng)冷運輸線從原來的48 m增加到了100 m，2001年改造后的線材軋機成功實現(xiàn)在線軟化處理，生產(chǎn)出的SCM435冷鐓鋼盤條強度在800 MPa以下，低于傳統(tǒng)的900 MPa以上。
國內(nèi)馬鋼對高強度冷鐓鋼的在線軟化處理工藝研究較早，其生產(chǎn)的SWRCH35K - M免退火鋼用戶可直接進行拉拔冷鐓生產(chǎn)。安陽鋼廠高速線材生產(chǎn)線采用摩根6代軋制技術(shù)、斯太爾摩風(fēng)冷運輸線長105 m，經(jīng)過多年摸索，生產(chǎn)的SCM420-440系列高強度冷鐓鋼也達到了在線軟化處理工藝要求的效果，以SCM435為例，其電解夾雜總質(zhì)量分數(shù)平均為0.005 8%，中心疏松和中心縮孔級別為0.5級，其熱軋態(tài)組織主要為鐵素體+珠光體，總脫碳層深度小于0.15 mm，φ6.5~16mm各規(guī)格盤條晶粒度級別均在8級以上，硬度HRB值為90左右。用戶可實施9 h的簡化退火工藝，比采用30 h以上的球化退火工藝處理時間減少了2/3以上。
3.2.3、硼鋼
硼鋼的特點：
(1)具有良好的冷變形能力，可以省去冷變形前的退火處理;
(2)淬火脆性傾向低，可以用水淬;
(3)微量硼的加人可部分替代昂貴的合金元素的添加;
(4)低碳鋼的延遲斷裂敏感性相對較低。
硼鋼成分設(shè)計的基本原則是降低含碳量，改善鋼的冷變形能力;加入質(zhì)量分數(shù)為0.0005% ~0.003 5%的微量硼以彌補因降碳造成的強度和淬透性的損失。另外還可根據(jù)需要加入Cr，Mn，Ti等合金元素，進一步提高淬透性。
通常8.8級螺栓用與SAE10B23相當(dāng)?shù)牡吞己i系硼鋼制造，9.8級和10.9級螺栓用與SAE10B35相當(dāng)?shù)闹刑己i系硼鋼制造，或者用與ML40Cr，ML35CrMo 相當(dāng)?shù)腗L35MnB，ML370B硼鋼制造。但由于硼鋼的抗回火軟化能力小，其回火溫度要比SCM435，ML40Cr低60 ~ 80，因此用硼鋼制造的10.9級高強度螺栓的延遲斷裂敏感性大。
國內(nèi)解決這一問題的途經(jīng)是通過提高硼鋼中V含量，同時降低P，S和C含量，從而改善硼鋼的綜合力學(xué)性能。國內(nèi)于1992年成功研制了ML15MnVB，ML20MnVB鋼，并列入GB/T 6478-2001《冷鐓和冷擠壓用鋼》，用于制造發(fā)動機連桿螺栓、缸蓋螺栓以及摩托車用高強度螺栓，品質(zhì)甚優(yōu)，在1000 ~1200MPa的抗拉強度范圍內(nèi)的耐延遲斷裂性能相當(dāng)于或優(yōu)于SCM435鋼。
日本大同特殊鋼新近開發(fā)出一種10.9級耐延遲斷裂的螺栓用砸鋼，其成分為：w(C)=0.25 %，w(Si)=0.03%，w(Mn)=1%，w(P)=0.01%，w(S)=0.002%，w(Cr)=0.3%，w(Ti)=0.05%， w(Nb)=0.025%，w(B)=0.002%，軋態(tài)組織為低硬度的鐵素體+珠光體，由于降低了雜質(zhì)元素P，S含量，并添加Ti，Nb細化晶粒，該鋼種在1000-1300 MPa強度范圍內(nèi)的耐延遲斷裂性能相當(dāng)或優(yōu)于SCM435鋼，已用于制造10.9級汽車螺栓。
國內(nèi)安陽鋼廠也已經(jīng)按美標(biāo)成功開發(fā)生產(chǎn)10B21系列硼鋼，其w(N)為 0.0022% -0.0054%，平均值0.0038% ;w(0)為 0.0016% -0.0036%，平均值0.0028%。熱軋態(tài)組織為鐵素體+珠光體，總脫碳層深度小于0.15 mm，盤條晶粒度級別均在8級以上，1/2冷頂鍛合格率100 %。但此鋼種在連鑄拉坯期間有時出現(xiàn)密集的角部小橫裂，對應(yīng)盤條表面則產(chǎn)生大量結(jié)疤，成品率不高，因此10B21系列硼鋼在安陽鋼廠大規(guī)模生產(chǎn)還有待時日。
3.2.4、耐延遲斷裂的高強度鋼
延遲斷裂是指材料在靜止應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時間后突然脆性破壞，是材料-環(huán)境-應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化，是氫致材質(zhì)惡化的一種形態(tài)。當(dāng)強度超過1200MPa時，高強度螺栓鋼延遲斷裂變得十分突出，由此造成的事故屢屢發(fā)生。因此，耐延遲斷裂高強度螺栓鋼的開發(fā)是近年來國內(nèi)外研究的工作熱點之一。
髙強度螺栓大多采用回火馬氏體制造，此類鋼對延遲斷裂的敏感性較大。應(yīng)從組織因素對高強度螺栓耐延遲斷裂性能的影響考慮，可采用適當(dāng)?shù)牡葴靥幚砉に囈垣@得下貝氏體及適量的馬氏體、殘余奧氏體的復(fù)相組織，利用馬氏體組織的高強度和貝氏體、奧氏體組織良好的延遲斷裂抗力來實現(xiàn)髙強度下良好的耐延遲斷裂性能?；蛲ㄟ^適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚝@得無晶界或晶界碳化物較少的微細馬氏體組織，同樣可以具有良好的耐延遲斷裂性能。
國內(nèi)外在耐延遲斷裂鋼種開發(fā)時常采取以下措施。
(1)減少晶界偏析。盡可能降低雜質(zhì)元素P，S 含量，同時降低Mn含量，防止晶界脆化(P降低晶界結(jié)合強度，S在腐蝕環(huán)境下促進氫的吸收，Mn易導(dǎo)致P，S共偏析)。
(2)細化晶粒。加人Ti，Nb，V，Al等元素，生成彌散析出的碳氮化物以細化奧氏體晶粒，提高強度，改善鋪性。
(3)提高回火溫度。加入抗回火軟化能力強的元素Mo，V等，提髙回火溫度以避開容易引起晶界脆化的回火溫度區(qū)域，并可使碳化物細小均勻。
(4)調(diào)整合金元素。如添加Ni、降Mn，以獲得較高的缺口韌性。
(5)盡可能減少鋼表面侵人的氫量，即添加抑制腐蝕坑生成的合金元素，如Mo。
(6)使侵入的氫無害化。加人適量的微合金元素Ti，Nb，V，形成細小的碳氮化物，從而使氫均勻分布并抑制氫的擴散。
近年來國內(nèi)外已先后成功開發(fā)出了一系列耐延遲斷裂性能優(yōu)良的高強度螺栓鋼，如日本住友金屬的ADS系列、神戶制鐵的KNDS系列，都是通過添加微合金化元素并調(diào)節(jié)其含量和配比，以得到髙強度和優(yōu)良的耐延遲斷裂性能，其使用效果均明顯好于SCM440鋼。中國大連鋼廠在鋼鐵研究總院的指導(dǎo)下，在42CrMo鋼的基礎(chǔ)上，通過降低S，P，Si， Mn含量，成功開發(fā)出1 300 MPa級的髙強度螺栓鋼 42CrMoVNb(ADF1)，其綜合力學(xué)性能有較大幅度提高，制作的13.9 ~ 14.9級高強度螺栓已在依維柯汽車和康明斯發(fā)動機上使用。
4、結(jié)語
中國汽車行業(yè)的快速發(fā)展給國內(nèi)汽車緊固件用鋼帶來了巨大的市場機遇，而汽車緊固件用鋼的高強度化已經(jīng)成為市場發(fā)展的必然趨勢，有條件的中國鋼鐵企業(yè)應(yīng)加快汽車緊固件用鋼的研發(fā)和生產(chǎn)，借鑒國內(nèi)外先進的生產(chǎn)工藝和已經(jīng)取得的成果，提高汽車緊固件用鋼的國產(chǎn)化率。
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