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螺栓螺丝用新型钢材的开发动态

建国

螺栓螺丝是汽车、土木建筑、机械产业等各领域广泛使用的零部件，其形状和强度因使用环境、用途和制作工艺的不同而不同，材质以碳钢或合金钢的线棒材为主。这主要是因为这些材质能充分保证各种螺栓螺丝所要求的强度和韧性，同时具有良好的加工性，并适合大批量生产。近年来随着环保问题和全球化竞争的不断加剧，为降低生产成本，开始要求使用新型材料生产螺栓。例如，为减轻车身重量、降低燃耗，正在加快推进发动机用等螺栓的小型化，因此要求使用高强度材料，以提高螺栓强度。另外，对可以省略退火和调质等热处理，有助于抑制CO₂排放和降低生产成本材料的需求，以及即使不添加高价合金元素，也能实现高强度等级的合金节约型合金钢的需求也越来越高。本文对普通螺栓用钢材的概况和新型钢材的开发动态进行介绍。

1  普通螺栓用钢材

螺栓的作用在于连接和固定部件，因此其力学性能是首先值得关注的。在日本JIS标准中对于钢制螺栓的力学性能，规定了“碳钢及合金钢制连接用部件的力学性能(JIS B 1051)”。表1按照强度等级示出了螺栓的制作材质和制作工艺。强度等级为4．8—6．8的螺栓主要使用低碳钢系(C在0．25mass％以下)冷锻压用线材(JIS SWRCH)。该强度等级钢为获得所需的螺栓强度，无需淬火回火(调质)处理，只需通过拉丝加工，然后进行冷锻压，将钢丝强度适当调整，就可生产出螺栓。

强度等级为8．8—9．8的螺栓一般使用中碳钢系(C在0．40mass％左右)的SWRCH线材制作。该等级螺栓在锻压后通过调质处理，可调整并确保螺栓的强度。由于材料强度较高，冷锻时的负荷增大，因此在锻压前通常要进行球化退火等软化处理，但目前已开始使用在低碳钢中添加硼的冷锻压用线材来制作该等级螺栓，它可以省略软化处理。尤其是，既可省略软化处理，又可省略调质处理的非调质螺栓用线材的使用量也开始增加。

强度等级为10．9的螺栓主要使用铬钢和铬钼钢等低合金调质钢，通过调质处理来对强度进行调整。近年来，为降低制作材料的成本和简化制作工艺，已越来越多地使用添加微量硼的硼钢(JIS SWRCHB等)替代添加高价铬和钼的钢。

强度等级为12．9的螺栓主要使用铬钼钢并做调质处理。该强度等级螺栓为避免发生延迟断裂的危险，对渗磷作出了规定(JIS B 1051)。由于钢丝处理后的磷酸锌被膜在调质处理时会发生渗磷，为提高螺栓锻压时的加工性，因此在调质处理前要清除磷酸锌被膜，形成不含磷的石灰被膜。尤其是，还开发了润滑性比石灰被膜好的新型非磷被膜剂。强度等级超过12．9的螺栓如果使用普通钢材制作，发生延迟断裂的风险会进一步增大。

因此，各公司都独自对钢的化学成分进行设计，提出了各种利用加工工艺改进抗延迟断裂特性的高强度螺栓用钢材的开发思路。

关于延迟断裂的评价和判定方法及标准仍然存在许多课题，抗拉强度超过1300MPa的高强度钢的使用还存在一定的局限性，但近年来其使用量已不断增加。

2  高强度螺栓用钢和省工序及省合金的合金钢

2．1  高强度螺栓用钢

如上所述，强度等级超过12．9的高强度螺栓面临的课题是如何确保抗延迟断裂性。延迟断裂性或存在于钢中，或因外部环境侵入的氢会导致钢发生氢脆化现象，尤其是它会使晶界的结合力减弱，导致钢发生断裂。对此，各钢材生产商主要采取以下措施改进抗延迟断裂性：在尽量减少P、S杂质元素的同时，减少Mn可以促使P、S的晶界产生偏析，由此可以强化晶界；添加Ti、Nb和V等可以使晶粒细化，强化晶界，同时可以提高钢材的韧性和延性；添加析出型的元素Mo、V和Ti等，通过高温回火处理可以使微细碳氮化物析出。这些化合物可以捕捉扩散性氢，减少有害氢；含有珠光休组织的高碳钢在拉丝后进行冷锻压可以抑制晶界发生裂纹，同时有助于组织界面捕捉氢，即使强度高达1600MPa，也可以抑制延迟断裂。

2．2  非调质螺栓用线材

如上所述，强度等级超过8．8的高强度螺栓一般通过调质处理能够获得所规定的强度，但非调质螺栓用钢，例如，强度等级为4．8—6．8的螺栓，只要采用冷锻压，就能获得规定的强度，它不仅不需要调质处理，而且可以省略锻压前的软化处理，由此有助于大幅度降低生产成本。尤其是，对于需要消除调质时发生淬火变形而进行矫直的长螺栓，也可以省略矫直工序。但是，与以往的冷锻压用线材相比，非调质线材锻压时由于材质强度高，在制作形状复杂的部件时会发生龟裂，大幅度缩短制作工具的使用寿命。因此为了能够延长螺栓制作工具寿命而使用新型非调质线材。

1)冷锻压性

采用适当加工条件拉丝的钢材在锻压时的变形阻抗比拉丝加工前的轧材减小，可用于改善本非调质线材的锻压性。尤其是，减少Si和固溶N，通过加工硬化和动应变时效，可以抑制强度的上升，由此减小锻压时的变形阻抗。

2)线材的强度偏差

非调质线材轧制后的强度会直接影响最终产品的强度，因此必须控制轧制后线材的强度偏差。对此，必须严格控制钢的化学成分和热轧时的冷却，由此控制强度偏差。

2．3  10．9级螺栓用硼钢

由于强度等级为10．9的螺栓会发生延迟断裂问题，因此很少使用硼钢来制作。但是，目前已开发了强度等级为10．9螺栓用硼钢，并应用于实际。它不仅可改善延迟断裂性，而且大幅度省略了加工工序。对于SCM435，通过控制C、Si、Cr和Mo等元素的添加量，可以获得良好的冷锻压性，省略并简化软化工序。用以往的硼钢制作的螺栓在淬火时会出现奥氏体晶粒粗化，降低抗延迟断裂性。采用新开发的钢材，通过使微细Ti化合物在钢中析出，可以防止淬火时晶粒的粗化，同时减少C、P、S，利用添加Ti的作用，可以改善抗延迟断裂性。

3  不锈钢和耐热钢螺栓及螺丝

不锈钢和耐热钢螺栓及螺丝可用于对耐蚀性和耐热性有要求的零部件的连接，由于它们通常暴露在各种各样的环境中，因此按照螺栓使用要求特性的不同，开发了各种螺栓制作材料。近年来，从环保技术开发和免维修化的观点出发，使用不锈钢制作这些连接部件的量迅速扩大。这些连接部件一般使用线材制作，螺栓头部采用冷锻压，螺纹部采用滚压成形。对于制作材料，除了要求强度和耐蚀性外，对冷加工性的要求很高。另外，由于合金元素价格高涨的影响，使用的材质已从含镍的奥氏体系不锈钢向节省镍的铁素体系不锈钢转变。

作为制作螺丝用的不锈钢，主要使用加工硬化小的铁素体系不锈钢(SUS430)、锻压性良好具有淬火硬化性的13Cr系马氏体不锈钢(SUS410)和加工硬化性小的高Ni系或高Cu系奥氏体不锈钢(SUS305、SUSXM7)等。表2示出了螺栓和螺丝用不锈钢的主要成分。

螺栓和螺丝用不锈钢可按照使用环境的不同分为以下几种。

1)马氏体系不锈钢

如果是在办公室和家庭等环境下使用的螺丝，可以使用硬度高的SUS410等马氏体系不锈钢作为制作材料。如果是对硬度要求很高的螺丝，可以使用新作建筑结构用的10T高强度螺栓，但由于它是采用热锻压制作，制作成本高，因此开发了冷锻压用的钢种SUS630-S。该钢种在固溶化热处理后的状态下的冷加工性高，时效后的强度和耐蚀性与SUS630相同。

2)铁素体系不锈钢

如果即使在室内环境中对可靠性要求也高的情况下，可以使用以SUS430为代表的铁素体系不锈钢作为制作材料，它还可以用于制作对成形性和耐蚀性有适度要求的汽车用螺丝。但是，由于SUS304的强度不如奥氏体系不锈钢，且耐蚀性差，因此开发了提高耐蚀性的钢种。LAK51和LAK52都是低C、低N钢，可以减小变形阻抗，且由于添加了Nb元素，增加了Mo和Cr含量，因此提高了耐蚀性，其耐蚀性与SUSXM7相同，并具有很高的冷加工性，可用于制作地脚螺栓和和汽车外装饰用的小螺丝等。另一方面，新开发的LAK53由于具有铁索体+马氏体的双相组织，不仅提高了强度，而且耐蚀性接近SUSXM7，已研究了在螺丝制作方面的应用。铁素体系不锈钢由于不受镍等合金元素的影响，因此可以认为其应用范围还将进一步扩大。

3)奥氏体系不锈钢

普通奥氏体系不锈钢因耐蚀性和成形性的不同，可以分别使用SUS304、SUS316或SUSXM7来制作螺丝。可用于冷锻压的SUSXM7由于尽量减少C和N的含量，因此可以降低变形阻抗，延长锻模具的使用寿命，从而降低制作成本。另外，还开发了添加Cu，增加Ni含量来降低加工硬化性，减小变形阻抗的钢种。最近，还开发了能在海水中长时间使用的超高氮含量的奥氏体系不锈钢DSN9和DSN-PN，其耐蚀性与超级不锈钢相同，采用冷加工能获得高强度，它有望用于螺栓和螺丝的制作。

4)析出硬化系不锈钢

如果即使在室内环境中对可靠性和强度也有很高要求的情况下，可以使用析出硬化系不锈钢的SUS630作为螺栓的制作材质。如果从固溶化处理后的最大时效来看，由于强度超过1000MPa时抗拉强度和韧性没了，尤其是由于延迟断裂和应力腐蚀敏感性强，因此通常可以在过时效状态下使用。虽然它已发展到用于制作建筑结构用的10T高强度螺栓，但由于它是采用热锻压制作，制作成本高，因此开发了冷锻压用的钢种SUH630—S。该钢种在固溶化热处理后的状态下的冷加工性高，时效后的强度和耐蚀性与SUH630—S相同。

5)耐热钢

SUH410等马氏体系耐热钢从相变点来看，可使用的温度范围在500—600℃。如果使用温度超过此范围，可使用SUS310等奥氏体系耐热钢或SUH6600SUH660可用于制作汽车发动机的排气歧管和涡轮增压器固定用耐热螺栓。关于SUH660，进行了降低生产成本的研究，开发了降低Ni含量的DHN660L和ASL116钢，并应用于实际。另一方面，解决由于存在着与铁素体系不锈钢的热膨胀差而导致螺栓紧固力的下降和使用温度的上升的问题，开发了DHN660H和HRA261S钢。

4  结束语

本文从影响螺栓和螺丝的力学性能及其制作工艺设计的观点出发，对制作材质的作用进行了研究。由于重要的零部件只要有一点点的不妥就会酿成大的事故，因此选择适当的钢种是理所当然的，保持螺栓螺丝具有稳定的高质量是非常重要的。

随着世界需求的不断增加，今后不锈钢和耐热钢制作的螺栓将以建筑、土木、汽车和机械产业为中心扩大应用。由于不锈钢和耐热钢因使用环境的不同，使用方法也有很大的差别，因此必须准确掌握使用环境，预先对使用环境进行评价。并在使用前与专家充分探讨。