高强度螺栓钢的发展动向

摘 要：介绍了高强度螺栓及其用钢的要求、冶炼和轧制等技术和高强度螺栓钢中耐延迟断裂高强度钢、微合金非调质钢、硼钢的现状和发展趋势。

关键词：高强度钢；螺栓；发展动向

1 引言

高强度螺栓的强度水平一般分为8.8、9.8、10.9和12.9四个级别，通常为调质处理的中碳钢或中碳合金钢，也有非调质钢、硼钢、F-M双相钢或低碳马氏钢。

由于螺栓生产中大都需要墩头，因此螺栓钢大多为冷墩钢。随着冷墩设备的大型化或生产速度的高速化，对冷墩钢的要求也不断提高。螺栓在机构中起着连接、紧固、定位、密封等作用。除了简单作定位的螺栓之外，螺栓在安装时都需要预先拧紧，因此都承受静拉伸载荷。一些螺栓，如连杆螺栓、缸盖螺栓等，除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸（交变）载荷、横向剪切（交变）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还有冲击载荷。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂^[1]。

综上所述，高强度螺栓钢及其制品螺栓应满足以下要求：（1）良好的冷墩性能（变形能力和变形抗力），好的钢材质量（表面质量、非金属夹杂物、偏析、尺寸精度等）。（2）高的抗拉强度，以便低抗拉长、拉断、滑扣和磨损。（3）有较高的塑性和韧性，以减少对偏斜、缺口应力集中和表面质量的敏感性。（4）对在潮湿大气或腐蚀气氛环境下工作的螺栓，要求具有足够低的延迟断裂敏感性。（5）对于承受交变载荷和冲击载荷的螺栓，要求有较高的疲劳抗力和多次冲击拉伸抗力，以抵抗疲劳、多冲断裂。（6）对严寒地区工作的螺栓，还要求螺栓钢具有低的韧?脆转化温度。

2 高强度螺栓钢的冶炼和轧制特点

2.1 冶炼技术

高强度螺栓对钢材的质量要求很高，因而普遍采用炉外精炼和具有电磁搅拌的连铸工艺。其特点是：钢中的C、Si、Mn、Cr、Mo等主要元素可控制在较通常更窄的范围内，钢材均匀性好和产品性能波动范围减小；能减少P、S、O、N等杂质含量并对其进行控制，从而减少钢中非金属夹杂物的数量，使其微细分散化，以提高钢的冷镦性和改善表面质量。
2.2 轧制技术
螺栓钢轧制技术的努力目标主要体现在以下三个方面^[2]：(1)尺寸精度良好的线材(不需拉拔的高精度轧材)；(2)轧制热处理线材(利用控制轧制的非调质线材，控制冷却的轧制退火线材)；(3)无表面缺陷的线材(不需剥皮)。
3 高强度螺栓钢的现状和发展动向
3.1 洁净螺栓钢
降低S含量可提高钢的变形能力，降低P含量可降低钢的变形抗力，同时可减少P、S在晶界的偏聚而减轻晶界脆化。降低S还可以减少钢中的非金属夹杂物，改善钢的韧塑性。因此降低钢中的P、S含量不仅可以改善钢的冷镦性能，还可以改善钢的耐延迟断裂性能。图1（略）中可见，S含量对S45C钢出现裂纹的倾向(出现裂纹的临界变形量)有很大的影响，降低S含量可使这种倾向大大减少，特别是当S含量降低到0.002％时，效果更明显^[2]。我们对洁净度对42CrMo钢应力腐蚀门槛应力强度因子Kia：x；影响的研究结果表明，纯洁钢的K_ISCC较商业钢有较大幅度的提高，见图2（略）。因此，高强度螺栓钢中的P、S有从控制目标≤0.035％降低到≤0.025％(P)、0.020％(S)的趋势。
同样，降低钢中的氧含量，氧化物夹杂的含量随之降低，同样能大大改善钢的冷加工变形能力及制品的表面质量。
3.2 低成本和低能耗高强度螺栓钢
为了增加产品的市场竞争力，在提高钢材性能和冶金质量的同时，还要求尽量减少生产成本，降低对能源的消耗，提高生产效率。为此大力发展省略软化、淬火回火等热处理工序的非调质钢，节约合金元素的硼钢等。
3.2.1 微合金非调质钢
用微合金非调质钢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处理，还可减轻螺纹丝扣的脱碳倾向，提高螺栓成品率，因此经济效果十分明显。
由于微合金非调质线材在冷加工时的硬度较通常的冷加工线材的硬度高，这使得冷加工复杂形状的10.9级螺栓(如凸缘螺栓)时裂纹萌生率高，而且冷加工模具的寿命有所降低，因此微合金非调质钢制造的螺栓主要为7T级和8.8级，加工量少的10.9级双头螺栓也可采用微合金非调质钢制造，其用量正在逐步扩大^[3]。最近开发出的微合金非调质钢则可用来制造12.9级的双头螺栓，日本正在进行实用化工作^[4]。采取的措施主要为调整钢的成分、温度控制及改进螺栓加工方法。表1是几种典型的螺栓用非调质钢的成分和性能。

表1 典型的螺栓用微合金非调质钢的成分和性能（质量分数，%）

目前使用的非调质钢，组织上为低碳含锰的铁素体+珠光体型和贝氏体型，并添加有微合金元素Nb、V、Ti等细化晶粒和析出强化元素。在生产方面，采用炉外精炼减少夹杂物并控制成分在较窄的范围，通过控制轧制和控制冷却(如Stelmor冷却)，细化组织以提高韧性并产生析出强化。鉴于微合金非调质钢轧材的力学性能波动直接影响螺栓制品的性能，因此微合金非调质钢材的冶金工艺控制十分关键。
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螺栓进行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。8.8级螺栓在300℃回火处理^[3]。
3.2.2 硼钢
为了进一步提高冷加工性能和省略球化退火处理，开发了低成本的低中碳高强度硼钢。其成本设计的基本原则是降低含碳量，改善钢的冷变形能力，加入微量硼以弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失。另外根据需要还可加入适量Cr、Mn等合金元素，进一步提高淬透性。由于少量硼代替大量合金元素，钢材成本降低；碳和合金元素含量低，冷加工性能良好，轧材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。表2给出了开发出的一些典型的高强度螺栓用硼钢。

表2 日本典型的高强度螺栓用硼钢（质量分数，%）

通常8.8级螺栓用与SAE l0B23相当的低碳含锰系硼钢制造，9.8级和10.9级螺栓用与SAE 10B35相当的中碳系硼钢制造。但是由于硼钢的抗回火软化能力小，其回火温度要比低合金螺栓钢低80～100℃，因此用硼钢制作的10.9级高强度螺栓的延迟断裂敏感性大。为此开发出了耐延迟断裂的10.9级螺栓用硼钢。具体途径是通过提高硼钢中的Ti含量或添加Nb等微合金元素，并控制轧制使微合金元素碳氮化物弥散析出，抑制淬火时奥氏体晶粒长大，同时降低P、S和C含量，从而改善硼钢的耐延迟断裂性能。
如日本大同特殊钢^[5]，最近开发出一种10.9级耐延迟断裂的螺栓用硼钢。为了在425℃以上温度回火时得到 1 000MPa以上的强度，碳含量控制为0．25％，同时控制Mn、Cr、Si的含量，确保轧态获得低硬度的铁素体+珠光体的组织。此外，由于降低了杂质元素P、S的含量和添加Nb细化了晶粒，因而新开发的硼钢在l 000～1 300MPa的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10.9级的汽车螺栓。日本新日铁^[6]、神户^[7]新近开发的FIRST等硼钢与此类似。
日本采用低碳硼钢生产高强度螺栓已经比较普遍，像建筑、汽车、拖拉机、挖土机等行业的高强度螺栓已经大量使用硼钢制造。
3.3 超高强度化一耐延迟断裂高强度螺栓钢
随着汽车、机械、建筑、轻工等行业的发展，对制造各类紧固件(如螺栓、螺钉、螺母等)使用的材料提出了愈来愈高的要求，如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，对作为联接部件的螺栓提出了更高设计应力和轻量化的要求，在这方面尤以汽车制造业的要求最强烈。螺栓的轻量化不单单是螺栓本身的减重，对发动机和动力系统的轻量化亦起着十分重要的作用。对此，最有效的措施便是螺栓钢的高强度化，如在美国，汽车使用的螺栓强度级别均在9.8级以上L93。目前，一些汽车、建设机械用螺栓甚至要求抗拉强度大于1 400MPa，见图3LXOJ（略）。

但是，随着钢材强度的提高，特别是当强度超过1 200MPa时，延迟断裂就变得十分突出。高强度螺栓属于带缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位如杆与头部的过渡处或曝硬根部产生延迟断裂。因此，高强度螺栓钢的延迟断裂是一个十分典型的事例^{[1，10，11]}，由此造成的事故屡屡发生，经济损失相当惊人。因此，耐延迟断裂高强度螺栓钢的开发是近来国内外研究工作热点之一^[11]。
耐延迟断裂高强度钢开发时通常采取的具体措施为^[9，10]：减少晶界偏析，细化晶粒和提高回火温度等。
近年来国内外对耐延迟断裂的高强度螺栓钢进行了广泛的研究开发，先后成功地开发出了一系列耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，如日本住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列、中国钢铁研究总院的ADF系列等，见表3。

表3 耐延迟断裂的高强度螺栓钢（质量分数，%）

ADS2和ADS3分别是住友金属工业在80年代后期和90年代中期开发出的耐延迟断裂的新型螺栓钢^[10,12]。在相同的强度水平下，开发钢的延迟断裂抗力明显高于JIS SCM440。特别是对于含Mo量较高和添加V、Nb的ADS3钢，由于回火温度较高，其耐延迟断裂性能还明显高于ADS2。高温回火后碳化物均匀弥散分布和较小的内应变是其延迟断裂抗力高的主要原因。
日本神户制钢开发出主要用Ti、Al改善耐延迟断裂性能的KNDS系列高强度螺栓钢^[13]。与常用的JISSCM440钢相比，KNDS系钢的延迟断裂抗力有明显改善。KNDS2适用于1 200MPa级的凹头螺栓，已批量生产，KNDS3和KNDS4可用于1 300?1 500MPa级的高强度汽车螺栓。
最近，钢铁研究总院^[14]在42CrMo钢的基础上，通过降低S、P、Si、Mn的含量，添加微合金元素V、Nb并增加Mo的含量，成功地开发出一种1 300MPa级的高强度螺栓钢ADFl，其耐延迟断裂性能较42CrMo钢有较大幅度的提高，见图4（略）。
现在的高强度螺栓几乎全部采用回火马氏体钢，这类钢对延迟断裂的敏感性较大。一些研究发现^[15]，具有下贝氏体组织的钢较回火马氏体钢的延迟断裂抗力要好，但下贝氏体组织的一个明显缺点是屈强比偏低。神户^[16]新研制的一种在比较低的温度(300～375℃)恒温处理具有贝氏体组织的螺栓钢，这种钢即使在1 500MPa以上的强度水平下其耐延迟断裂性能仍大幅度提高，远远超过回火马氏体高强度钢。
4 结 语
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。
鉴于过去延迟断裂事故的频繁发生，高强度螺栓钢的用化进程还很迟缓。其原因除了对高强度螺栓延迟断裂的机制还没有完全研究清楚外，另一个重要的原因是目前还没有科学定量的耐延迟断裂性能评价方法。最近日本、韩国和中国分别投入巨资重点实施的“超级钢计划”^[18]、“高性能结构钢计划”^[19]和“新一代钢铁材料的重大基础研究”^[20]中，1 500MPa级的高强度螺栓钢的研究开发便是其中的一个重要课题。其研究结果必将大力推动超高强度螺栓钢的实用化进程。