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1、 低碳马氏体高强度螺栓用钢的研制 薛文广刘鹏 ( 太钢钢研所三室) 摘要 本文介绍了低碳马氏体钢在高强度螺栓领域的应用及其螺栓产品的优良性 能。 重 点论述了 冶炼生产中对钢的 淬透性起作用的 钢中有效“ 固 溶硼” 的控制及 其淬透性原理，并对钢的回火脆性、缺口敏感性和疲劳性能等做了介绍。 关键i n s :低碳马氏体:高强度螺栓 月 舀 低碳马氏体 ( 板条马氏体) 钢，以其高强度、高塑韧性和低的缺口 吃 裂纹) 敏 感 性得 到了 广泛的 研究 和应用 1) a :1 。 多 年 来， 我 公司己 为 汽 车、 标准件 行业， 开发了 一系列的低碳马氏 体紧固 件用钢。如: M L 1
2、5 M n V B , M L 2 0 M n V B , M L 1 5 M n B , M L 1 5 M : 等。 用其制做8 . 8 级、 9 . 8 级、1 0 . 9 级高 强度螺栓取得了良 好的使用效 果。 其立品广泛应用在汽车、 摩 托车及其他机 械产品的重要紧固件上。 . 4 L 2 0 M n V B 是我少司为一汽 “ 奥迪”轿车发动机缸盖、 连杆、主轴承等9 . 8 级、川. 9 级高 强度螟拴配套的国产化用钢，于1 9 9 5 年通过冶金部组织的鉴定，现己基本替代 进口， 获得了显著的社会经济效益。 用该钢种制做高强度螺栓比用中碳合金钢 ( 4 0 C 、 3 5 C
3、 r t 9 o 等) 具 有 优 越 的 冷 墩 成 形 性 能 和 优良 的 综 合 机 械 性 能 。 下 面 着 T 对详钢种做介绍。 一、钢的成份、组织及性能 化学成份 表 1 钢的成份范围 ( % ) S iM nB S ,P 各 0 . 1 8 / 02 45 0 . 3 01 . 2 0 / 1 . 6 00 . 0 8 / 0 . 1 20 . 0 0 0 5 / 0 . 0 0 3 5 0 . 0 3 5 1 . 2 热轧及不同热处理态组织 图 工 热轧态组织 x 2 0 0图2 8 8 0 0 C 淬火组织 x 5 0 0 一 2 99一 图3 8 8 0 0C 淬火+
4、2 0 0 C 回火 组织 x : 0 0 ) 图4 8 8 0 C 淬火二 4 0 0 C回火 组织 ( 又5 ( ) 0 ) 板条马氏体电镜照片 图6 热轧材脱碳层形态 不同热处理态的机械性能及与4 0 C r 的对比 表 2 钢和性能结果 03 图t 钢种M L 2 0 M OB 4 0 C r 热处理制度8 8 0 淬油 2 0 0 0 C回空 8 8 0 淬油 4 0 0 回空 热轧态8 8 0 0 C 淬油 5 0 0 回空 6 a :( M P a ) 1 1 0 0 1 0 5 0 一1 2 0 0 1 0 5 0 1 0 0 0 一1 1 5 0 4 9 51 01 4 6
5、n ( M P a ) 1 3 0 0 1 2 0 0一1 4 0 0 1 2 6 0 1 1 0 0 一1 3 0 0 6 6 7 1 2 1 0 6 。 ( % ) 1 2 1 0 一1 4 1 3 1 2一1 5 2 41 2 甲 ( % ) 6 2 5 5 一6 5 6 3 5 8 一6 8 6 9 4 3 A K ( J ) 8 5 7 0一1 0 0 9 0 8 0 一1 0 0 表面硬度( H B ) 3 4 0 3 2 3 一3 5 0 1 7 5 1 7 0 一1 8 0 端淬J 9 ( H R C ) 3 6 3 3 一4 0 一 3 0 0 - . 通过不同回火温度的冲击
6、试 验表明， 该 钢的回 火脆性区在2 5 0 - - 3 0 0 之间。 二、生产工艺控制 2 . ， 钢材冷傲性能的控制 衰 钢为低碳低合金钢， 热轧态为 铁素体珠光体组织， 表面硬度较低( H 6 1 7 0 - 1 8 0 ) . 塑性良 好。 钢材经7 5 D “C 左 右退 火 后， 珠光体变为典型的 球化组织( H B 1 4 3 - 1 7 5 ) . 塑性进一步加强， 极易拉拔加工并冷墩制作螺栓， 2 0 % 冷拔后硬度为H B 2 0 7 2 2 2 , 钢的冷墩塑性不成问 题。 生产过程中主要是通过一整套从锭到坯再到材的 表面贡 量控制工艺来控制钢材的 表面质量， 确保无
7、裂纹即可保证钢材的冷9 ;A 性 能，清足螺栓制造工艺的要求。 2 . 2钢的成份控制 该钢属于细晶粒含硼钢，热轧态晶粒度为8 -9 级，细化晶粒的元素主要是 钒和污炼中加入的铝、 钦等合金 元素。 铝、 钦主要是为了 控制钢中对淬透性起作 用的育效固溶硼而加入钢中的，但同时也起到了细化晶粒的作用。该 钢中的残 侣、欲量一般在0 . 0 2 % 以上。 钢中锰含量在 1 . 4 0 % 左右，主要是通过固溶强化提 高钢刃强度并起到推迟珠光体转变， 增加钢的淬透性的作用。 钢中的 微量元素硼 是提离 钢淬透性的关键元素， 0 . 0 0 0 5- 0 . 0 0 3 5 % 的 含量即可使钢的淬
8、透性大大提 高。 至此在相同淬透性下， 即可大大减少钢中其他合金的使用量。 这对节约贵重 合金兄 素，保持钢的塑韧性均有好处。 但钢中 硼含量不能太高， 硼大于0 , 0 0 4 0 41 时， 钢中会 产生非固 溶的 硼化 物， 它 对钢的 塑 韧性不利，即 会 ! 起硼脆仁 1 口 2 . 3的淬透性控制 代良的淬透性是含硼钢的 显著 特点。 我们知道， 钢的奥氏体转变过程中， 铁 素体薪相最易在奥氏体晶界上形核并长大， 硼钢的理论研究认为:固溶于奥 氏 体中E 7 硼原子有偏聚并吸附在奥氏 体晶界上的特点， 因此可以降低奥氏体晶界的 自由能 i6 1 ，并阻碍碳 原子的 扩散， 使新相成
9、核困难，降低了先共析铁素体及上 贝氏性的形核率， 延长了奥氏 体分解的孕育期， 增加了奥氏体的稳定性， 从而提 高 钢E li 淬透 性B O 。 同 时研究 认为 硼在 钢中的 存在 形式为: 在退火态或 热轧态下， 硼一邵分固溶于铁素体中， 一部分与 钢中碳化物 ( F 。 ( ) 形J筑 复合碳化物F L , ( C , 的及F 知( C 、 田。 ， 同时与钢中 氧、 氮形成氧化物和氮化物等。 实验研究证明: 对 钢淬透 性起作用的硼只是固溶于奥 氏 体中的 硼、 而形成化合物的 硼 ( 氧化硼、 氮化 q ) 对钢的淬透性不起作用。 因此， 冶炼时主要控制钢中的硼不被氧化和氮 化。为
10、 此， 在钢的冶炼工艺上， 专门开发了一项脱氧定氮、 控制钢中有效硼的新 工艺 在加硼前， 先加入适量的铝进行 脱氧、 加入适量的钦固定氮。 实践证明 此 项工艺 对稳定钢的淬透性能起到良 好的作用。 另外实验还证明， 钢在轧制、 性有影 响， 钢经高 温 ( 1 2 0 0 C ) 以 上长 时1R1 加热， 可以 造成钢中 硼重新分 布并与 钢中拿、 氮重新化合成稳定的化合物而 使硼对淬透性的有效作用消失口 因此， 该 钢采月 低温加热和轧制对钢的淬透性和晶粒度均有益处。 实践己 表明: 该钢的淬 火涓洗A r 8 7 f ) -R R n 0 c , .悴诱件和淬砷性均今 人 满音内 一
11、 3 0 1 一 三、螺栓产品的性能 以一汽 “ 奥迪”轿车4 8 8 发动机 1 0 . 9 3 . 1螺栓拉伸试验结果 级气缸盖螺栓为例 弹性极限:6 I, 抗拉强度:a n 8 6 0- 8 8 0 M p a 1 1 8 0 -1 2 0 0 M p a 楔负载强度:a - ,“ . 保证载荷:加载到 各项性能满足美国 1 1 6 0 - 6 2 6 6 5 N ，保载 1 5 秒， 4 8 8 发动机标准要求。 测得螺栓永久变形量为5 - 7 m o 3 . 2疲劳性能试验结果 取该钢所制螺栓与美国进口螺栓进行疲劳寿命对比 t -T v P m = 3 0 k N ， 试验频率f =
12、 1 0 0 H Z 条 件下，测得动负荷P a 与寿命 M I. 2 0 M n V B 螺栓:1 g N = 9 . 0 9 - 0 . 3 3 P a ( r = 0 . 9 1 ) 疲劳极限:P a r = 7 . 2 4 k N ( 5 x 1 0 次) 进口 螺栓:l g N = 8 , 6 3 - 0 . 3 4 P a ( r = 0 . 9 5 ) 疲劳极限:P a r = 5 . 6 8 k N ( 5 X 1 0 “ 次) 该钢所制螺拴比进口螺栓疲劳极限高约2 2 m 在平均负荷 N 的关系如下: 钢拉伸时对缺口和偏斜的敏感性试验 缺口和偏斜敏感性是螺栓的一项重要性能。
13、偏斜拉伸对比试验的结果如下: 该钢与 l o c r 钢的0 . 缺口拉伸和 门JO n 口口tL 钢种硬度( H R C ) a 卜 ( M P a ) ( y , “ . ( M P a ) a - 。 ( M P a )相对下降 q ( % ) M L 2 0 M n V B 3 3 3 51 1 0- 8 1 8 4 4 1 7 2 6 6 . 4 3 9 4 11 3 8 0 2 0 4 4 1 8 7 08 . 5 4 0 C r3 3 - 3 5 1 1 1 7 1 6 8 61 5 5 5 7 . 8 3 9 - 4 11 3 4 0 1 8 6 8 1 6 1 41 3 .
14、6 四、综合评述 通过多年的生产和实践证明， 低碳马氏体钢在高强度紧固件领域的应用z 了良 好的效果。尤其在冷墩性能上是中碳合金钢所无法比 拟的。具不完全统 冷墩合格率达9 8 % 以 上， 同时冷激模具 损耗可降 低2 0 % 以上。 该类钢的强韧性 疲劳性能， 缺口 敏感it 及悦 碳倾向 性方面均比中 碳 合金钢具有明显的 优越赶 M L 1 5 M n V B 在解放牌汽车上使 用2 0 多年，跑遍祖国大江南北， 经历了各种环1 考验， 从未发生由于 钢的 性能原因造成的问 题。 在此基础上开发的M L 2 0 M n V f 有同样的优良 性能。 另外在经济效益方面， 钢的制造成本，
15、 螺栓的制造成本 比中碳铬、银钢低得多.充分显示了M L 2 0 M n V B 钢具有显著的社会效益和经名 益，以及广泛的应用前景 .口 1.、澳.1刃11、.f声1、J、1住，.、t飞砚，毛，!J 一 3 0 2 一 参考资料 1 . E n g i n e e r S .1 , 1 % C h r o m e - B o r o n S t e e l s f o r H i g h - S t r e n g t h B o l t s , S t a h l E l s e ,?, 1 9 9 2 , 1 1 2 , ( 2 ) ，9 5 - 1 0 1 . 2 . 李仁 顺， 含碳
16、显 和回火温度对1 5 M n V B 钢抗氢脆性能的影响， 金属热处理 ， 1 9 9 1 , 1 , 5 2 - 5 6 3 . P a_ j u M , E f f e c t s o f B o r o n A l l o y i n g o n t h e P r o p e r t i e s o f a L o w - C a r b o n L o w - A l l o y e d S t e e l , S c a n d . .! . M e t a l _ 1 9 8 9 , 1 8 , ( 5 ) , 2 3 5 - 2 4 2 . 4殷 瑞饪， 钢的 质量 现代 进展 下篇， 北 京， 冶 金工 业出 版社， 工 9 9 5 , 5 7 - 5 9 0 5 . P _ j u M , S e g r e g a t i o n o f P h o s p h o r u s a n d B o r o n i n A u s t
