工藝和材料作為機(jī)械制造的基礎(chǔ)，對產(chǎn)品質(zhì)量和性能起著至關(guān)重要的作用。緊固件的發(fā)展在于材料創(chuàng)新，通過采用先進(jìn)的冶煉裝備和工藝技術(shù)以及合理的低合金化，高強(qiáng)度緊固件能更好地滿足機(jī)械制造業(yè)實(shí)際使用要求。近 10 年來，國引進(jìn)了機(jī)械車輛緊固件用鋼材，并逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，促進(jìn)了我國的鋼鐵材料及工藝的發(fā)展，逐漸縮小了我國工藝技術(shù)水平和材料應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國家的差距。追求高效、強(qiáng)韌性和輕量化相結(jié)合仍是機(jī)械車輛緊固件鋼材與制造的精髓，冶煉工業(yè)和機(jī)械工業(yè)的緊密結(jié)合不僅會進(jìn)一步促進(jìn)現(xiàn)代化合金技術(shù)的研究，也為機(jī)械車輛高強(qiáng)度緊固件的發(fā)展提供了材料基礎(chǔ)。

1、緊固件材料的性能關(guān)系到機(jī)械車輛使用安全

頻發(fā)的機(jī)械車輛質(zhì)量事故不斷提醒人們不可小覷螺紋緊固件。從某種意義上講車輛裝配質(zhì)量對螺紋緊固件的影響甚至大于其制造質(zhì)量。螺栓用鋼大多為冷鐓鋼。螺栓在機(jī)械構(gòu)件中起著連接、緊固、定位、密封等作用，是應(yīng)用最廣的基礎(chǔ)零件。通常情況下，附加的橫向交變載荷會引起螺栓的松動，軸向交變載荷會引起螺栓的疲勞斷裂，而在環(huán)境介質(zhì)的作用下，軸向拉伸載荷則會引起螺栓的延遲斷裂。在降低成本的同時(shí)，緊固件使用者提出大幅度減輕質(zhì)量，增高強(qiáng)度，以便抵抗拉長、拉斷、滑扣和磨損，可靠的韌性可以減少對偏斜、缺口應(yīng)力集中和表面質(zhì)量的敏感性。在潮濕空氣或腐蝕環(huán)境下工作的螺栓，要求其有足夠低的延遲斷裂敏感性，以及良好的冷鐓性能（變形能力和變形抗力）。隨著汽車與發(fā)動機(jī)的高性能化和材料應(yīng)用應(yīng)力提高，零件尺寸減少，底盤輕量化，對螺栓提出了更高的設(shè)計(jì)應(yīng)力和輕量化的要求，而最有效的措施是提高螺栓用鋼的使用強(qiáng)度。

機(jī)械車輛緊固件的材料選擇還必須考慮工藝路線和工藝要求。螺栓的頭部一般采用熱鐓或冷鐓工藝成形，隨后采用滾、搓或切削工藝制造螺紋。凡須經(jīng)熱壓力加工成形的緊固件，要求選擇具有合適的熱壓力加工性能的材料。對于冷鐓成形的緊固件，不僅要求材料具有良好的冷塑性變形性能，還必須保證按合適的硬度范圍供貨。硬度在 HB170~207 范圍內(nèi)的最好。硬度過高，冷鐓時(shí)難于塑性變形，降低工、模具壽命，產(chǎn)品易開裂，并且可能造成在頂模式?jīng)_模內(nèi)充填不夠。 硬度過低，則冷鐓時(shí)工件容易變形，同時(shí)也常發(fā)生粘?，F(xiàn)象。

螺紋緊固件常采用各種強(qiáng)化處理手段來提高其承載能力。承受重載的合金鋼和優(yōu)質(zhì)中碳鋼螺栓，一般要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。經(jīng)過熱處理后，其強(qiáng)度可提高至 75%，需要經(jīng)常旋進(jìn)旋出的螺栓頭和螺紋，可用氰化處理以提高耐密性。也常采用應(yīng)變硬化的方法來強(qiáng)化螺釘和螺栓，包括對螺紋的頭與桿之間的過渡圓角進(jìn)行滾壓處理。有時(shí)螺紋制件上還需做保護(hù)層，工藝對材料提出各種不同的性能要求，直接影響選材決策。比如，須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的螺紋緊固件，應(yīng)考慮材料的淬透性能，以便保證足夠的淬硬層深度，或者考慮用冷卻速度較緩的冷卻劑，來減少淬裂和引起過大殘余應(yīng)力或淬大變形的可能。經(jīng)切削加工的螺紋緊固件由自動車床或半自動車床組成的生產(chǎn)線上生產(chǎn)，要求其材料具有良好的切削性能，以延長刀具壽命并提高生產(chǎn)效率，這時(shí)常選擇易切削鋼。緊固件的加工工藝及其質(zhì)量控制，不僅決定材料選擇，還和服役過程中早期失效事故有密切關(guān)系。

2、機(jī)械車輛緊固件常用的合金鋼材

微合金化鋼是在鋼的基本化學(xué)成分中添加微量 ( 一般不大于 0.2%) 合金元素，使鋼的一種或幾種性能得到明顯改善。發(fā)展高強(qiáng)度緊固件用鋼的主要技術(shù)路線可以概括為：采用微合金化非調(diào)質(zhì)棒線材制造非熱處理緊固件，對需要熱處理材鋼種要減少合金元素含量來防止高強(qiáng)度緊固件的延遲斷裂，用以提高緊固件的工作強(qiáng)度。通常 8.8級螺栓用 ML35 鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后制成，在生產(chǎn)和使用上存在一定問題，如冷鐓開裂、熱處理時(shí)容易淬裂和脫碳，在裝拆及服役過程中，存在滑扣、變形、斷裂、六角頭磨圓等問題。CH35ACR 冷鐓鋼是替代 ML35 鋼制造 ≥M14 的較大規(guī)格螺栓材料，將 CH35 鋼與 ML35 鋼對比，在 Si、Mn含量方面有差異，前者添加了 Cr 元素，并減少了 P、S 含量，不僅在油中冷卻的淬火臨界直徑增加為 18~20mm，而且在相同的高溫回火后的硬度差比較大，抗回火穩(wěn)定性能強(qiáng)。

非調(diào)質(zhì)鋼是在熱軋狀態(tài)或正火狀態(tài)或鍛造后空冷狀態(tài)下具有與調(diào)質(zhì)熱處理態(tài)相當(dāng)?shù)木C合力學(xué)性能的中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼。提高非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度的方法主要是通過添加合金元素和軋制，細(xì)化組織。采用對焊接性影響較小而又廉價(jià)的硅和錳作為非調(diào)質(zhì)鋼主要合金元素，通過控制軋制細(xì)化組織，提高非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度和韌性。這類鋼在熱軋狀態(tài)、鍛造狀態(tài)或正火狀態(tài)下的力學(xué)性能既縮短了生產(chǎn)周期，又節(jié)省了能源。用非調(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，還可減輕螺紋牙尖的脫碳傾向，提高螺栓成品率，經(jīng)濟(jì)效果十分明顯。由于非調(diào)質(zhì)鋼線材在冷加工時(shí)的硬度較高，使得加工模具壽命降低。目前使用的非調(diào)質(zhì)鋼，在生產(chǎn)方面，采用爐外精煉減少夾雜物并控制成分在較窄范圍的方法，控制軋制和冷卻、細(xì)化組織以提高韌性并產(chǎn)生析出強(qiáng)化。ML08Mm2Si 雙相冷鐓鋼是替代ML35 鋼開發(fā)研制的，它具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的冷加工成型性能，可提高鋼材的冷鐓性，增加鋼材的利用率。通過冷拔變形強(qiáng)化而達(dá)到螺栓的強(qiáng)度要求，簡化了緊固件熱加工工序，節(jié)約能耗，有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益。

低碳馬氏體硬度為 45~50HRC，屈服強(qiáng)度達(dá)1000~1300MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá) 1200~1600MPa，具有好的塑性、韌性以及良好的冷加工性、可焊性和熱處理畸變小等優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，含碳量在0.15%~0.25% 范圍內(nèi)的鋼淬火強(qiáng)化效果好，綜合力學(xué)性能高。一般中碳（合金）結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)常規(guī)熱處理，為了追求高的塑性和韌性，采用淬火、高溫回火等措施，勢必犧牲強(qiáng)度，若要保持高強(qiáng)度水平，采用淬火、低溫回火，又會顯得塑性、韌性不足。低碳（合金）結(jié)構(gòu)鋼淬火后的結(jié)構(gòu)具有較高的屈服強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，以及良好的冷加工性，可焊性和熱處理畸變小等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械車輛上的重要螺栓，如連桿螺栓、缸蓋螺栓和半軸螺栓等，一般采用 40Cr 或 35CrMo 鋼制造，由于其冷鐓性能差，常常因冷鐓開裂、掉頭而產(chǎn)生大量廢品，并且由于螺栓存在不確定質(zhì)量隱患而導(dǎo)致事故發(fā)生。Mn-V-B 冷鐓鋼的開發(fā)，在M20 以下可保證獲得全部馬氏體組織，其淬火態(tài)和 200℃回火態(tài)為典型的位錯板條馬氏體，可用來取代 40Cr 調(diào)質(zhì)處理，既具有較高的強(qiáng)度又有良好的韌性和低的冷脆轉(zhuǎn)化溫度。現(xiàn)有的低碳（合金）鋼 8.8 級、9.8 級鉚接螺栓，經(jīng)過不同淬火介質(zhì)淬火，獲得低碳馬氏體后，可以滿足螺栓的服役要求。此外，采用低碳（合金）鋼冷拔冷鐓不易開裂，冷拔模具、冷鐓模具、搓絲板、滾絲輪等不易損壞，可使螺栓的工藝性能獲得顯著改善。

碳硼鋼就是把含量為 0.0005%~0.003% 的硼加到鋼中，彌補(bǔ)因降碳而造成的強(qiáng)度和淬透性的損失，許多鋼種的調(diào)質(zhì)硬度會有明顯提高。碳硼鋼成分設(shè)計(jì)的基本原則是降低含碳量，改善鋼的冷變形能力，加入量很少，又可提高鋼的高溫強(qiáng)度，具有強(qiáng)化晶界的作用。加入適量 Cr、Mm、Ti 等合金元素，可進(jìn)一步提高鋼的淬透性。碳硼具有高韌性、強(qiáng)塑性、回火溫度低、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，很適合生產(chǎn)高強(qiáng)度緊固件。硼鋼的主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，在保證鋼具有所需淬透性和力學(xué)性能的同時(shí)，鋼的熱、冷加工性也較好，用少量硼替大量合金元素，鋼材成本降低，碳和合金元素含量低，熱軋線材可以直接拉拔物冷鐓加工，不需要預(yù)先球化退火處理，節(jié)約了緊固件的制造成本。硼鋼作為高強(qiáng)度螺栓用的主要材料之一，淬火變形和開裂傾向小，可用水淬處理，熱處理操作簡便，改善了工作環(huán)境，不僅綜合力學(xué)性能好，在相同強(qiáng)度水平韌性較中碳鋼有明顯改善，且脫碳敏感性小，節(jié)約了螺栓的制造成本。主要缺點(diǎn)是，淬透性的波動比不含硼元素的鋼大。因此在機(jī)械車輛緊固件方面，用硼元素取代貴重稀有元素，可收到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3、緊固件用冷鐓鋼材的特點(diǎn)及質(zhì)量控制

用冷鐓加工方法制造緊固件、連接件用的鋼材稱為冷鐓鋼。緊固件冷鐓是在室溫下采用一次或多次沖擊加載，廣泛用于生產(chǎn)螺釘、銷釘和螺母等標(biāo)準(zhǔn)件。冷鐓工藝可節(jié)省原料，降成本，而且通過冷作硬化提高工作的抗拉強(qiáng)度，改善性能，冷鐓用鋼必須有良好的冷頂鍛性能，鋼中 S 和 P等雜質(zhì)含量減少，鋼材的表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，采用優(yōu)質(zhì)碳鋼，若鋼的含碳量大于 0.25%，應(yīng)進(jìn)行球化退火熱處理，改善鋼的冷鐓性能。

冷鐓是在常溫下利用金屬塑性成形的。冷鐓鋼應(yīng)具備的主要性能是：具有良好的冷成形性；冷鐓鋼變形要具有盡可能小的阻力和盡可能高的變形能力。為此，一般要求冷鐓鋼的屈強(qiáng)比為0.5~0.65，斷面收縮率大于 50%。為避免在冷鐓時(shí)表面開裂，要求鋼材表面質(zhì)量良好，同時(shí)鋼材的表面脫碳要盡可能小。冷鐓鋼因冷成型性能良好，在機(jī)械加工行業(yè)用冷拔代替熱軋材冷切削機(jī)加工，這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是在節(jié)約大量工時(shí)，同時(shí)金屬消耗可以降低 10%~30%，而且產(chǎn)品尺寸精度高，表面光潔度好，生產(chǎn)率高。

緊固件用非調(diào)質(zhì)鋼主要是冷作硬化型非調(diào)質(zhì)鋼，用非調(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，還可減少螺紋部分的脫碳傾向，提高生產(chǎn)成品率，因此，經(jīng)濟(jì)效果十分明顯。由于非調(diào)質(zhì)鋼在冷鐓時(shí)的硬度較通常的線材高，這使得冷鐓復(fù)雜形狀的凸緣類螺栓時(shí)產(chǎn)生裂紋的機(jī)率較高，冷鐓模具壽命降低。

由于機(jī)械車輛需要更高強(qiáng)度和耐用的緊固件，在把緊固件轉(zhuǎn)變成多用途高精密車輛零部件的過程中，技術(shù)進(jìn)步有關(guān)鍵作用。冷鐓鋼發(fā)展方向?yàn)榉钦{(diào)質(zhì)鋼、硼鋼和超細(xì)晶粒鋼，免熱處理的非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼也備受關(guān)注。非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼通過采用微合金化、控軋控冷等強(qiáng)韌化方法，在加工緊固件過程中可省略冷拔前的球化退火和成形后的淬火回火處理，還可減少螺紋部分的脫碳傾向，提高成品率。隨著冷鐓技術(shù)的發(fā)展，冷鐓鋼的要求明顯增加。由于冷鐓緊固件設(shè)備大部分為多工位冷鐓機(jī)，冷鐓水平相對較為穩(wěn)定，對緊固件品質(zhì)的影響并不大，而主要影響因素在于冷鐓鋼本身或固有的質(zhì)量缺陷，直接影響到緊固件的最終品質(zhì)水平。對冷鐓高強(qiáng)度螺栓而言，選用材料更加嚴(yán)格。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，對緊固件行業(yè)在國際市場競爭中取得優(yōu)勢具有重要的作用。

4、緊固件材料斷損失效的預(yù)防措施

機(jī)械車輛緊固件在工作中主要承受靜載荷，完成連接、緊固的功能，有時(shí)也承受來自傳遞動力和機(jī)械振動的動載荷，裝配過程中還可能承受沖擊載荷。正因緊固件的工作條件復(fù)雜，故必須嚴(yán)格地選擇材料。原材料的選擇，需以使用性能和工藝性能兩方面作為依據(jù)。如果材質(zhì)存在嚴(yán)重的冶金缺陷，會導(dǎo)致緊固件在生產(chǎn)過程中發(fā)生斷裂、開裂等質(zhì)量問題，使生產(chǎn)不能正常進(jìn)行，還會使裝備中各相關(guān)部件的功能受到影響甚至完全喪失造成人身和經(jīng)濟(jì)上的重大損失。

脫碳通常有利于提高延遲破壞性能，但是必須充分考慮疲勞強(qiáng)度下降，并且不會發(fā)生螺栓脫扣、滑牙。對原材料的預(yù)先退火工序必須嚴(yán)格注意脫碳和增碳，而在最終調(diào)質(zhì)淬火時(shí)螺紋表面增碳是不允許的。冷拔前盤條需要經(jīng)過軟化退火或球化退火，為防止脫碳使用保護(hù)氣氛或爐中放置木炭。如果爐中氣氛控制不當(dāng)或者發(fā)生特殊情況時(shí)，會在原材料表面造成增碳。螺紋處表面增碳，會使強(qiáng)度增加而塑性下降，導(dǎo)致延遲斷裂。

拉拔是生產(chǎn)高強(qiáng)度螺栓的第一道工序，但在拉拔前，盤條須經(jīng)過磷化鋅薄膜處理，增加光潔度，冷鐓、調(diào)質(zhì)淬火處理制成螺栓，會有磷滲入表面層里。對于高強(qiáng)度螺栓，可在熱處理前用金屬清洗劑和酸洗洗凈磷化膜，達(dá)到防止?jié)B磷的目的。要注意的是，鋼滲磷后，鋼的臨界點(diǎn)上升，表面出現(xiàn)較多鐵素體，也會影響后序發(fā)黑和氧化著色表面處理。

螺栓頭部是應(yīng)力集中部位，冷鐓變形可達(dá)60%~80%，不允許有任何折疊，尤其是冷鐓復(fù)雜形狀的凸緣類螺栓。但由于機(jī)床精度、操作工人的技術(shù)水平、模具尺寸和質(zhì)量等綜合因素的影響，造成螺栓頭部和桿部結(jié)合處的晶粒破碎或金屬纖維斷裂。不完全螺紋和全螺紋形狀的螺栓，應(yīng)在允許范圍內(nèi)，做到形狀盡可能緩和應(yīng)力集中。

在調(diào)整冷鐓機(jī)床時(shí)，不應(yīng)忽視機(jī)床間隙、模具間隙以及機(jī)床模具間的誤差，合理分配螺栓頭部的鐓鍛變形量，增大頭桿結(jié)合處的過渡圓角，使其內(nèi)部組織達(dá)到合理狀態(tài)。

根據(jù)影響高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂的因素，鋼材選擇要有使延遲斷裂性能提高的元素，使奧氏體晶粒不長大；降低鋼中 P、S 的含量，減少晶界偏析；增加 Mo 的含量以提高鋼的回火軟化抵抗性能；增加鋼中 Si 和 Mn 的含量可以提高硬度，但硬度提高對塑性指標(biāo)斷面收縮率的數(shù)值有負(fù)面影響；在中碳鋼中加入少量的 Cr 可以改善塑性，提高斷面收縮率數(shù)值。由于任何一種鋼都要把淬火—高溫回火（調(diào)質(zhì)）處理作為鋼種的前提來考慮，根據(jù)高強(qiáng)度螺栓性能等級，環(huán)境條件等，要完全避免發(fā)生延遲斷裂是困難的。因此，選擇鋼種時(shí)對其使用條件必須十分注意。

5、結(jié)束語

緊固件材料在機(jī)械車輛行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，近年來，伴隨機(jī)械車輛行業(yè)的快速發(fā)展，緊固件的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，市場需求增加，鋼材消耗也在不斷增加。緊固件企業(yè)的發(fā)展趨勢正由低端、低檔次的生產(chǎn)向高端、高檔次階段過渡。

當(dāng)前國家的現(xiàn)代化建設(shè)中，機(jī)械車輛制造業(yè)對緊固件的需求量猛增，緊固件產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度、承受力、硬度、防腐蝕性能都需要進(jìn)一步優(yōu)化。緊固件技術(shù)的現(xiàn)狀和未來成為我國機(jī)械車輛發(fā)展的一個(gè)非常值得關(guān)注的領(lǐng)域，蘊(yùn)含著巨大商機(jī)。

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