高强度螺栓用非热处理钢和非调质钢

1、 高强度螺栓用非热处理钢和非调质钢 徐效谦 （东北特殊钢集团大连钢丝制品公司） 摘 要 本文采用理论与实践相结合的方式，探讨了充分利用冶金厂现有能力，开发高强度螺栓用优质、经济、实用、新型冷镦钢的途径。 关键词 高强度螺栓 非热处理钢 非调质钢 索氏体冷镦钢 High strength bolt used of non-heat treatment and non-quenched and tempered steel Xu Xiaoqian （Dalian Wire products company of DongBei Special Steel Group） Abstract This paper combins theory with practice, making the best of the existing capacity of metallurgical factory is discussed; the high strength bolts with high quality, economic and practical, and new type of c

2、old heading steel are developed. Material Index High Strength Bolt， Non-heat Treatment Steel， Non-quenched and Tempered Steel， Sorbite Cold Heading Steel 冷镦成形是一种无屑加工方法， 和机械切削加工相比，具有成形效率高、 制作成本低、节能环保、 资源利用合理的优点。冷镦制成品具有流线形显微组织，综合力学性能好，外形线条流畅，造型美观 等特点。尽可能用冷镦代替机械切削加工，生产各类零部件，是现代工业生产的努力方向，这种努力 已成为冷镦钢和模具钢的发展动力。 冷镦通常细分为冷顶（cold heading） 、冷锻（cold forging）和冷挤压（cold extruding）三种加工 方法，螺栓类紧固件基本采用冷顶成形，冷锻主要用于中型钢铁零部件成形，冷挤压主要用于有色金 属零部件和钢铁小型零部件成形。紧固件对钢的要求基本体现出冷镦钢的特性。 目前我国紧固件的年产量稳居世界首位，其中 40%45%用于出口，冷镦钢的年用量高达 750

3、万 t 以上1、2。 1 螺栓的分类和钢号的选择 螺栓是紧固件中用量最大，最具代表性的品种，实际上适用于制作螺栓的钢，同样适用于制作各 类紧固件，当然也适用于冷锻和冷挤压成形。 1.11.1 螺栓的分类螺栓的分类 按 GB/T 3098.12000紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱的规定，螺栓、螺钉和螺柱根据 力学性能分 10 个等级：3.6、4.6、4.8、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9 和 12.9 级，各等级代号由两部分数 字组成，两部分数字之间用“”号隔开。 第一部分数字表示抗拉强度（Rm）的 1/100。 第二部分数字表示屈服强度（RS）或规定非比例延伸强度（Rp0.2）与抗拉强度（Rm）比值（屈强 比）的 10 倍。两部分数字的乘积为屈服强度的 1/10。 通常将 6.8 级以下的螺栓称为普通螺栓，将 8.8 级以及大于 8.8 级的螺栓称为高强度螺栓。对高 强度螺栓的力学性能的要求见表 1。 标准规定成品紧固件保证载荷（ASSP/kN）试验必须合格，要求针对不同规格螺栓，施加规定 的保证载荷，测量载荷引发的永久伸长量，其数值不应大于 12.5 m。 表 1 GB/T

4、 3098.12000 对高强度螺栓力学性能的要求 Table1 GB/T 3098.1-2000 requirement on mechanical property of high strength bolt 序号 力学性能 性能等级 8.8 9.8 10.9 12.9 D16.0 mm D16.0 mm D16.0 mm 1 抗拉强度/Rm/MPa 公称 800 800 900 1 000 1 200 min 800 830 900 1 040 1 220 2 维氏硬度/HVF98N min 250 255 290 320 385 max 320 335 360 380 435 3 布氏硬度/HBF=30D2 min 238 242 276 304 366 max 304 318 342 361 414 4 洛氏硬度/HRC min 22 23 28 32 39 max 32 34 37 39 44 5 规定非比例伸长强度RP0.2/MPa 公称 640 640 720 900 1 080 min 640 660 720 940 1 100 6 保证应力 min2.0pp RS0

5、.91 0.91 0.90 0.88 0.88 SP/N min 580 600 650 830 970 7 断后伸长率 A/% min 12 12 10 9 8 8 断面收缩率 Z/% min 52 52 48 48 44 9 楔负载 各规格螺栓的楔负载应符合最小拉力载荷（AsRm min）的规定 10 冲击吸收功 Aku/J min 30 30 25 20 15 11 再回火后硬度 回火前后硬度均值之差不大于 20 HV 1.21.2 冷镦钢必须具备的基本特性冷镦钢必须具备的基本特性3 3 冷镦成形是一种不均匀变形，变形速度快、变形程度大、尺寸精度要求高，制造螺栓用钢材首 先必须有良好的冷镦性能和尺寸精度。 冷镦性能好指钢的变形抗力要低，变形能力要大。变形抗力低，冷镦成形时工模具的使用寿命增 长。变形抗力低体现为屈服强度低，传统观念认为冷镦钢的屈强比应不大于 0.65。变形能力大，钢能 承受更大程度的不均匀变形，可制作形状更加复杂的零部件。断面收缩率最能体现变形能力，一般认 为冷镦钢的断面收缩率不应低于 50%，即使是制作高强度螺栓用钢，断面收缩率也不应低于 45%。 螺栓成形后需

6、进行各种热处理和表面处理（如淬火、回火、渗碳、渗氮）以达到预定的力学性 能，要求钢材必须有好的淬透性、回火稳定性和良好的综合力学性能。 螺栓服役期间承受各种应力，要保持构件稳定，要求钢材具有足够的尺寸稳定性、高的冲击韧 性、低的缺口敏感性、良好的抗蠕变性能及耐蚀、耐寒冷和良好的抗延迟破坏性能。 总之，冷镦钢是对钢的内在质量和表面质量要求苛刻的钢种，从冶炼到钢丝生产各环节必须严格 控制工艺操作，才能生产出质量稳定的钢丝。 1.31.3 冷镦钢的分类冷镦钢的分类 紧固件行业习惯按紧固件加工工艺将冷镦用钢分为 4 类：非热处理钢、表面硬化钢、调质钢和非 调质钢。 非热处理钢：目前，非热处理冷镦钢丝主要依靠冷加工强化达到紧固件要求的强度，冷成形后无 需再进行调质处理，但随着钢丝抗拉强度的上升，冷镦性能下降，因此非热处理型冷镦钢丝的冷加工减面率受到一定限制，一般用于生产 6.8 级以下紧固件。非热处理钢多选用 C0.30%的中低碳钢生 产。 表面硬化钢：表面硬化钢丝冷镦成形后需要进行表面渗碳处理，然后再经淬火高温回火处理， 主要用于制作自攻螺钉。 调质钢：目前，绝大多数高强度螺栓选用中低碳钢或低

7、合金钢制造，中低碳钢和低合金钢属 FP（铁素体珠光体）型钢，具有良好的韧性，经球化退火后轻拉的钢丝，具有变形抗力低，冷 镦成形方便的特点，但成形后抗拉强度一般不超过 700 MPa，需要通过调质（淬火高温回火）处理 获得回火索氏体（S）组织，才能达到预定的力学性能。 非调质钢：非调质钢丝是近年来开发的新品种，与调质型钢丝的最大不同是钢丝冷拉前不进行球 化退火处理，紧固件冷镦成形后也无需进行调质（淬火高温回火）处理，只要进行低温时效处理 即可达到强韧性俱佳的效果，主要用于代替中低碳钢和低合金钢，制作 8.8 级以上高强度紧固件。 2 2 高强度螺栓用高强度螺栓用非热处理非热处理钢的开发钢的开发4 目前市场上销售的高强度螺栓绝大多数为调质螺栓，即螺栓冷镦成形后再经淬火高温回火处 理，获得表 1 规定的力学性能，其显微组织均为回火索氏体或回火托氏体。按钢材的组织结构决定力 学性能和工艺性能的基本原理，回火索氏体或回火托氏体确实是强韧性兼备的组织结构，但不是强韧 性最佳的组织结构。从表 2 可从看出：索氏体抗拉强度高。冷变形能力大、是综合力学性能最好的一 种组织。另外，索氏体组织对氢脆的敏感性

8、、对缺口和应力腐蚀的敏感性均低于其他组织，具有优良 的抗延迟断裂性能， 这点对高强度螺栓尤为重要。 回火索氏体可以理解为具有球化倾向的索氏体组织。 在相同转变温度下得到的回火索氏体抗拉强度略低于索氏体， 回火索氏体对缺口和应力腐蚀的敏感性 要比索氏体组织高，对酸洗、磷化、电镀引起的氢脆特别敏感。不同组织结构的碳素钢丝冷拉性能比 较见表 2。 表 2 不同组织状态的碳素钢丝冷拉性能比较4 Table 2 The comparison of cold drawing property of different structure of carbon steel wire 牌号 热处理方法 显微组织 抗拉强度 /MPa 冷加工强化系数（K） 1%减面率抗拉强度上升值/MPa 极限减面率 /% 70 索氏体化处理 正 火 再结晶退火 球化退火 索氏体 索氏体细片珠光体 粒状片状珠光体 3 级粒状珠光体 1 150 934 661 554 8.6 8.3 7.3 6.6 98 90 85 85 45 索氏体化处理 正 火 再结晶退火 球化退火 索氏体铁素体 细片珠光体铁素体 粒状片状珠光体 3

9、级粒状珠光体 834 775 554 474 7.3 6.9 6.6 6.1 98 90 90 90 索氏体是奥氏体等温转变的产物， 是由铁素体薄层 （片状） 与渗碳体 （包括合金碳化物） 薄层 （片 状）交替重叠组成的共析组织，索氏体片间距大致为 0.100.40 m。弹簧钢丝和钢丝绳生产厂通常 使用连续式铅淬火炉制取索氏体化钢丝。鉴于以上分析结果，东北特钢集团大连钢丝制品公司决定试 制索氏体组织的冷镦钢丝，分别选取 ML35 和 45 半成品钢丝，铅淬火处理后拉拔到不同规格，测定 其力学性能和冷顶锻性能，见表 3 和表 4。 从表 3 的检测结果可以看出： （1） 铅淬火的 ML35 钢丝经 17%以上减面率的拉拔，各项力学性能和工艺性能完全达到 8.8 级螺栓的要求。 （2）随着冷拉减面率的增加，钢丝断面收缩率和断面伸长率变化不大，仍保持在较高水平，说 明钢丝仍具有良好的变形能力，冷顶锻检验结果间接证明了这一点。 （3）索氏体化处理钢丝的屈强比（87.7%）明显高于退火（60%）和正火（65%）状态 钢丝，意味着其变形抗力明显提高，冷镦成形时在工模具材质和润滑剂的选择方面需采取相应的改进 措施。 （4）索氏体螺栓冷镦成型后无需再进行调质处理，但为了消除冷加工造成的内应力，稳定尺寸， 确保载荷试验合格，参照弹簧消除应力处理工艺，仍需对成型螺栓进行 20029030 min 消除应 力处理，因此索氏体螺栓可称为非热处理型螺栓。 表 3 铅淬火处理的 ML35 钢丝的力学性能和工艺性能 Table3 The mechanical property and process performance of ML35 steel wire quenched treatment by Pb 钢丝直径 /mm 状 态 抗拉强度 Rm/MPa 规定非比例 伸长强度 RP0.2/MPa 断后伸长率 A/% 断面收缩率 Z/% 冷顶缎 5.25-0.015 铅淬火 732 642 27.8 71.4 1/5 合格 4.8-0.03 铅淬火17.0%冷拉 840 2

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