日本螺栓用钢的最新发展
车体轻量化是提高汽车燃油效率和减少CO2排放的有效方法之一 。
由于发动机、行走部分零部件的小型、轻量化的需求 ， 紧固件被用于比以往更高的拉伸负荷环境下 ， 因此必须解决表面缺陷或钢中非金属夹杂物等缺陷导致的疲劳强度的降低 ， 以及伴随着氢敏感性增加的延迟破坏等大量技术问题 。
本文从钢材层面对螺栓高强度化及省略制造工序进行了探讨 。
日本JISB0101中 ， 将“螺杆（screw）”定义为有螺纹物品的总称 ， 将“螺栓（bolt）”定义为与螺母组合使用的带有螺纹部件的总称 ， 本文将“螺杆·螺栓用钢”统称为“螺栓用钢” 。
1螺栓强度分类
在JIS中 ， 对螺栓用钢的线材 ， 如图1所示的冷镦用碳钢、冷镦用硼钢、冷镦合金钢 ， 都作出了规定；另外 ， 还对线材二次产品——钢丝影响冷镦性的力学性能、表面缺陷深度等作出了规定 。
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螺栓一般按照强度进行分类 ， 钢制螺栓的力学性能由“碳钢及合金钢制紧固件的力学性能——螺栓、螺杆及植入螺栓（JISB1051）”进行规定 。
表1为按照强度分类的螺栓规格材料和生产工序实例 。
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强度分类4.8-6.8级螺栓 ， 主要采用低碳钢的冷镦用线材（JISSWRCH18A等） 。 在这一强度等级中 ， 除特殊情况外 ， 由于从线材到螺栓生产的工序并不复杂 ， 因此一般较少要求改变钢种或省略工序 。
强度分类8.8-9.8级螺栓 ， 采用中碳钢的冷镦用线材（JISSWRCH40K等） ， 冷镦前后进行球化退火和淬火回火热处理 。
另外 ， 替代中碳钢 ， 改用材料强度较低的低碳硼钢（如JISSWRCHB323）等的情况在迅速增加 。 硼仅需微量添加即可提高钢的淬透性 ， 而在空冷区的冷却速度下不会引起强度的提升 ， 因此 ， 在确保淬火回火时的淬透性的同时 ， 还可抑制线材或钢丝的强度上升 。
强度分类8.8级中 ， 还被作为省略淬火回火热处理的非调质螺栓 。 尽管可以大幅度降低螺栓的生产成本 ， 但有时因螺栓形状引起模具寿命降低 ， 因此 ， 仅适用于长螺栓、双头螺栓、U型螺栓等加工度较低的螺栓 。
强度分类10.9-12.9级螺栓 ， 使用铬钢、铬钼钢等低合金高强钢（JISSCr435等） ， 由于碳含量及合金元素含量越高 ， 冷镦性越差 ， 在生产线材二次产品时 ， 为了在最终拉丝前软化 ， 实施退火或球化退火热处理 ， 冷镦后进行淬火回火热处理 。
强度分类12.9级的区域 ， 特别需要考虑延迟破坏特性 。
强度分类12.9级以上的螺栓 ， 未在JIS中做出规定 。 由于存在发生氢导致的延迟破坏的可能性 ， 区别于JIS标准中的低合金高强钢 ， 各钢材生产企业提出了考虑到延迟破坏特性的独有的高强螺栓用钢材 。
2有助于省略螺栓生产工序的钢材
2.1非调质线材
所谓非调质线材是指可省略螺栓冷镦前的软化热处理和冷镦后的淬火回火热处理的产品 ， 对降低生产成本效果显著 。
另外 ， 对于长螺栓及U型螺栓等易于发生淬火应变的部件 ， 还可省略矫形加工 。
螺栓强度主要由钢丝的强度决定 ， 钢丝的强度由轧制线材的强度及拉丝时产生的加工硬化量决定 。
与传统的软化热处理的淬火回火（调质）用中碳钢钢丝相比 ， 非调质钢丝的强度更高 ， 因此 ， 顶锻螺栓所使用的大半为强度分类8.8级以下 。
9.8级以上时 ， 由于模具寿命显著下降 ， 因此 ， 用于双头螺栓、U型螺栓等形状简单的螺栓 。 但是 ， 8.8级也仍然存在比淬火回火螺栓的模具寿命短的问题 ， 至今尚未完全解决 。
下面将介绍一个强度分类8.8级螺栓用非调质线材中改善模具寿命的案例 。
【日本螺栓用钢的最新发展】1）冷镦性
非调质线材采用通过拉丝加工降低变形阻力的方法 。 轧制材与拉丝材比较如图2 ， 可以看出 ， 虽然拉丝材的抗拉强度高 ， 但变形阻力低 ， 可以认为这是由于鲍辛格效应带来的结果 。
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又如表2所示 ， 非调质线材B比JISSWRCH45K等传统钢减少了Si和固溶N ， 抑制了加工硬化及动态应变时效导致的强度增高 ， 因此 ， 也可作为降低冷镦时变形阻力的钢材 ， 具有与SWRCH45K球化退火材料同等的模具寿命 ， 见图3 。
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2）线材的强度波动
非调质线材由于轧制后的线材强度直接影响螺栓的强度 ， 因此有必要抑制线材的强度波动 。 为此 ， 不仅需要降低化学成分变化幅度 ， 同时还需要通过在热轧时控制冷却的方法 ， 减少线材的强度波动 。
2.210.9级螺栓用硼钢
传统的10.9级螺栓使用JISSCr440、JISSCM435等低合金高强钢 ， 为了确保冷镦性 ， 需要在螺栓成型前进行软化热处理 。 而当使用可确保优秀淬透性硼钢的情况下 ， 可减少碳和合金添加量 ， 提高材料的冷镦性 ， 有望省略生产工序 。
但是 ， 传统的硼钢存在着耐延迟破坏性较差的质量层面的问题 ， 以及奥氏体晶粒粗大化引起的韧性下降问题 。 下面介绍10.9级螺栓用硼钢 。
1）冷镦性
冷镦材料的主要合金元素增量有增加变形阻力的倾向 ， 特别是C及Si的影响较大 。 如表3所示 ， 相对于JISSCM435 ， 该新硼钢通过抑制C、Si、Cr、Mo等的添加量得到了良好的冷镦性 ， 可实现软化工序的省略或简略 。
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2）耐延迟破坏性
传统的硼钢（JISSWRCHB526等）在螺栓淬火时 ， 由于奥氏体晶粒粗大化 ， 导致耐延迟破坏性降低 。 因此 ， 在传统硼钢的基础上 ， 进一步添加Ti含量 ， 通过控制轧制 ， 使细微的Ti化合物析出到钢中 ， 通过提高鲍辛格效应 ， 防止淬火时的晶粒粗大化 。
同时 ， 通过降低C、P、S含量以及添加Ti的效果 ， 谋求耐延迟破坏性的改善 。 如图4所示 ， 新硼钢与传统硼钢相比 ， 具有优秀的耐延迟破坏特性 。
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3高强螺栓用钢最新研究动向
3.1调质型高强螺栓
强度分类12.9级以上的高强螺栓中 ， 已有文献报道 ， 用于中型卡车的飞轮螺栓的材料强度达到1300-1500MPa ， 两轮车的连杆螺栓强度达到14.9级 ， 土木建筑用螺栓中 ， 也有屈服强度约为传统强力螺栓1.5倍的F14T超高强螺栓 。
此外 ， 如表4所示 ， 各公司开发了各种高强螺栓用钢 ， 主要用以下方法提高强度和提高耐延迟破坏性 。
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①在尽量减少杂质P、S的同时 ， 通过减少促进晶界偏析的Mn实现晶界强化 。
②通过添加Ti、Nb、V等进行高温回火热处理 ， 使其析出细微碳化物 。 细微的析出物可以捕捉扩散到应力集中部位引起延迟破坏的氢 ， 从而减少有害的氢 。 而高温回火热处理则可防止原奥氏体晶界的膜状渗碳体的析出 ， 抑制晶界强度的下降 。
用表4中的钢种B举例说明强度分类12.9级以上的高强螺栓用钢 。
钢种B在JIS中的铬钼钢的基础上 ， 添加了Mo、Ti、V ， 通过该碳化物的析出硬化 ， 提高了回火软化阻力 ， 因此 ， 即使与JISSCM440钢在同样的回火温度下 ， 也能得到高强度 。
另外 ， 原奥氏体晶粒粒径被细化到8μm ， 通过添加Ni和Ti提高耐蚀性 ， 从而还抑制了腐蚀环境中氢的发生及吸收 。
钢种B在临界扩散性氢含量的优势如图5所示 。
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JISSCM440的临界扩散性氢含量在抗拉强度为1200MPa时达到约0.19ppm ， 强度提高到1500MPa时 ， 即使仅有0.01ppm程度的少量扩散性氢也会发生延迟破坏 。
而钢种B则不然 ， 即使抗拉强度达到1500MPa ， 临界扩散性氢含量0.20ppm以上 ， 尽管强度高 ， 但比JISSCM440~1200MPa级具有更优秀的耐延迟破坏性 。
另外如图6所示的带切口拉伸方式延迟破坏试验中 ， 表4的钢种A、B都显示出优于JISSCM440的延迟破坏性 ， 从延迟破坏试验后的试验片断面可以确认 ， 相较于JISSCM440因晶界破坏而断裂 ， 钢种B则转为结晶内破坏 ， 确认氢脆得到了抑制 。
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另外 ， 该概念的高强螺栓用钢 ， 不仅耐延迟破坏性能提高 ， 还在细微析出的合金碳化物的作用下实现了500℃高温环境下优于硼钢（33B2 ， 强度分类10.9级）及低合金高强钢（34Cr4 ， 强度分类12.9级）的强度并具有蠕变性能 。
此外 ， 还有关于以开发1600-2000MPa级的超高强螺栓为目标的研究 ， 在汽车发动机的阀门弹簧有应用业绩（抗拉强度1600-1900MPa）的JISSUP12的基础上 ， 进一步增加Si含量、添加Mo ， 使用这2个钢种（表5） ， 进行了淬火回火热处理材料的定重负载延迟破坏评价 。
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图7所示为JISSUP12（钢A）3个抗拉强度水平（1600MPa（A16）、1800MPa（A18）、2000MPa（A20）） ， 以及增加Si含量—添加Mo的钢种（钢B）1个抗拉强度水平（1800MPa（B18））的情况下 ， 拉伸负荷比与采用临界氢含量[Hc]与从环境中侵入的扩散性氢含量[He]的指标[Hc]/[He]的关系（各[He]分别为：0.05ppm、0.05ppm、0.11ppm、0.61ppm） 。
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结果显示 ， 耐延迟破坏性能以A16为最佳 ， 其后依次为B18、A18、A20 ， 在该强度范围内 ， 抗拉强度越低 ， 且添加Mo更为有效 。 而当[Hc]/[He]为1以上的负载保持在抗拉强度的0.3-0.6倍 。 因此 ， 在被用于螺栓时存在需要解决的问题 。
1600MPa级塑性区域紧固螺栓已开始实际应用 。 主要思路是通过高温回火热处理 ， 可得到减少了晶界膜状碳化物的细微碳化物分散组织 ， 成分设计中采用与JISSCM440相比更高C-高Si-高Mo-低P-
低S措施实现回火软化阻力和析出硬化以及原奥氏体晶界的强化 。 化学成分如表6所示 ， 0.58%C-1.9%Si-0.3%Mn-1.2%Cr-1.7%Mo钢（样品-A）进行550℃回火热处理制造的螺栓 ， 在具有1600MPa抗拉强度的同时 ， 实现了与抗拉强度1200MPa的JISSCM440螺栓同等的延迟破坏寿命 ， 且[Hc]/[He]超过5 ， 已经作为汽车发动机的塑性区域紧固螺栓进行量产 。
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3.2珠光体型高碳高强螺栓
与前述调质钢型（淬火回火钢）思路不同的珠光体组织型的1600MPa级超高强螺栓也投入了实际应用 。 该螺栓使用高碳钢 ， 不添加特别元素而满足所需的性能 。
由于不进行软化热处理而进行冷加工 ， 存在加工性较差的问题 ， 但改变螺栓形状即可解决 。 改善延迟破坏的思路如图8所示 ， 通过拉丝加工成为珠光体组织 ， 不再残存可能成为延迟破坏起点的原奥氏体晶界 ， 且使氢的捕获能力得以提高 。
换而言之 ， 可以捕获氢的铁素体—渗碳体界面的面积比较大 ， 并在铁素体中导入位错 ， 因此可以捕获大量的氢 。
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研究结果显示 ， 有着被拉丝加工的珠光体组织的1600MPa级的螺栓A比用JISSCM435钢的淬火回火组织的1200MPa级螺栓B具有更高的强度 ， 且尽管负荷应力很高 ， 但临界氢含量与有着应用业绩的1200MPa级螺栓B相当 。
3.3改进了热处理的高强螺栓
此外 ， 还有在热处理上下功夫提高耐延迟破坏的思路 。 通过对JISSCM440钢进行改良过冷奥氏体形变热处理+高频回火热处理提高了延迟破坏特性 。
通过改良过冷奥氏体形变热处理 ， 减少并细化晶界碳化物 ， 又通过高频回火热处理 ， 使原奥氏体晶粒内的碳化物细微分散 ， 因此 ， 提高了延迟破坏特性 。
4最后
被广泛应用于汽车领域以及产业机械领域、建筑、土木领域中的螺栓 ， 只要存在紧固部件小型化和减少作业量的需求 ， 就将要求螺栓强度的进一步提高 。
迄今为止 ， 对妨碍高强度化的主要原因进行了研究 ， 解决了一定技术问题 ， 为了确保螺栓强度的进一步提高和品质稳定 ， 必须努力促进表面处理及加工技术的进步 。
在ISO标准中 ， 作为高强钢的氢脆敏感性评价方法 ， 规定了临界氢含量的测定方法 ， 但还不是充分的评价规定 ， 期待今后在微观领域的分析技术以及延迟破坏评价技术的进步 。
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