张先鸣：国内外汽车高强度螺栓材料的对比

　　众所周知，对于汽车发动机来说，连杆螺栓与缸盖螺栓、曲轴皮带轮螺栓、飞轮螺栓和曲轴轴承盖螺栓并称为5 大关键螺栓。这些螺栓的强度基本上都超过10.9 级，材料牌号为合金冷镦钢，需调质热处理。

　　为了保证一定的夹紧力，生产装配时基本都采用扭矩加转角拧紧法，连杆螺栓作为发动机的关键螺栓，会拧紧至屈服状态。而连杆螺栓在发动机的运行中要承受活塞连杆往复运动惯性力和连杆旋转离心力的交变载荷作用，且在气缸的压缩和爆发行程中，还要受到每分钟上千次交变应力的冲击，断裂模式通常为疲劳断裂。

　　在对汽车紧固件高强度、高寿命、轻量化的要求越来越严苛的趋势下，迫切要求螺栓材料具有更好的性能和更稳定的质量，以满足先进设计理念和方法，推动我国汽车紧固件行业制造水平的发展和进步。

　　由于我国汽车紧固件的研究起步较晚，材料的研发落后于欧洲、美国及日本等发达国家，国内对材料基础数据的研究，如实际的疲劳特性，新材料研发等都相对较少。目前国内材料主要是对欧盟、美国、日本的冷镦钢材料国产化。

　　当前，国产紧固件材料与发达国家的差距较大，主要表现在国产钢材纯净度和均匀性低，含氧量与非金属夹杂物的含量等较高；钢材淬透性波动大，高温高性能钢、低温抗冲击钢，经济型以及大批量生产的高强度紧固件等缺乏原材料。为了解国内外材料的特性和差异，为汽车高强度螺栓设计研发和生产提供理论依据，文章选取常用的SCM435 低合金钢，进行国产材料和进口材料的对比分析。

　　1. 材料的生产流程

　　（1）日本神户制钢厂线材生产流程

　　铁水预处理→ 转炉→ LF 精炼→ RH 精炼→ 大方坯连铸（380mm×600mm）→开坯→小方坯→（抛丸+ 超声波探伤+ 磁粉探伤+ 修磨）→加热炉→火焰清理→高速线材轧机轧制→在线处理。

　　（2）国内宝钢线材生产流程

　　铁水预处理→电炉→ LF → VD →大方坯连铸（320mm×425mm）→开坯→小方坯→抛丸→超声波探伤→磁粉探伤→砂轮修磨→加热炉→控轧控冷→热眼检测→成品。

　　（3）邢钢线材生产流程

　　铁水预处理→ 转炉→ LF 炉→ RH 真空精炼→ 大方坯连铸（280mm×325mm）→开坯→小方坯→抛丸→ ( 超声波探伤) →磁粉探伤→砂轮修磨→加热炉→控轧控冷→（热眼检测）→成品。

　　宝钢主要采用电炉+VD 工艺，神户制钢和邢钢采用转炉+RH 工艺。随着真空炼钢技术的开发与发展，最终RH 和VD 因为处理时间短、成本低、可以大量处理钢水等优点而成为真空炼钢技术的主流，RH 因为采用钢水在真空槽环流的技术从而达到处理时间短、效率高、能够与转炉连铸匹配的优点而被转炉工序大量采用。

　　神户制钢、邢钢采用转炉+RH，适合冶炼冷镦钢等低合金钢种。宝钢采用电炉+VD，适合冶炼高合金钢种。


　　转炉炼钢中VD 和RH 精炼钢包之间的工艺区别：

　　① VD 主要用来脱气、脱硫，还可以脱碳，属于真空精炼设备，处理时间长，一般和电炉匹配；

　　② RH 主要用来脱气和脱碳，属于真空精炼设备，处理时间短，一般和转炉匹配；

　　③ LF 主要用来脱硫和调温，转、电炉均可以匹配。

　　2. 化学成分对比

　　化学成分是材料的“基因”，是决定材料最终组织和性能的关键。神户制钢、Mn、Cr 合金含量偏低，宝钢和邢钢的主要成分相差不大，但残余元素Cu 略高。

　　2.1 氧氮含量的对比



　　氧含量恶化材料疲劳性能和耐延迟断裂性能 ，N 含量影响材料拉拔和低温韧性。神户制钢、宝钢和邢钢的SCM435 钢氧氮含量对比图。

　　2.2 晶粒度对比

　　钢的晶粒度有实际晶粒度和本质晶粒度两种。奥氏体实际晶粒度是钢在具体的热处理或热加工条件下获得的奥氏体晶粒大小。奥氏体实际晶粒大小，对钢的性能有明显影响。一般情况下，奥氏体实际晶粒小的钢，最终性能均优于奥氏体实际晶粒大的钢。


　　根据高强度螺栓的生产实践，钢的奥氏体实际晶粒度粗于1-4 级，冲击吸收能量值呈逐渐下降趋势，严重影响力学性能指标。随着晶粒度级别的提高（晶粒度越细小），低温冲击吸收能量越高。这是由于晶粒越细，晶粒越多，晶界就越多，裂纹扩展的阻力就越大，冲击吸收能量值就越高。因此，对高强度螺栓原材料的实际晶粒度应控制在7-8 级。

　　SCM435 盘条晶粒度影响后续热处理组织，一般要求≥ 7 级，混晶不大于2 级。

　　神户制钢的SCM435 晶粒度9 级，晶粒大小十分均匀。宝钢的SCM435 晶粒度8 级，存在个别混晶现象。而邢钢的SCM435 晶粒度8.5级，晶粒大小基本均匀。

　　2.3 金相组织对比

　　神户制钢、宝钢和邢钢生产的SCM435 热轧态微观组织，其主要由铁素体与珠光体组织组成，轧制后冷却的过程中，铁素体沿原奥氏体晶粒的晶界先析出，并逐步长成长条形。

金相组织对比可以看出，神户制钢的心部与表面组织均匀且基本一致，块状铁素体+ 细珠光体；而宝钢心部与表面组织不一致，表面铁素体呈条状分布，心部为细团絮状分布；邢钢的心部与表面组织基本一致。

由此可见，虽然都是热轧态，神户制钢的组织均匀便于冷镦，材料的工艺和过程控制要求比较严格，但材料价格较高。而宝钢、邢钢的组织均匀性差，在冷镦前还需进行球化退火，材料价格较低，但工艺成本相对要高。SCM435钢原始组织对淬火开裂的影响也很大，它们的组织应该是细小铁素体+ 颗粒状球化珠光体。


　　2.4 脱碳层对比

　　原材料表面脱碳层多，最终将影响螺栓表面硬度，将造成螺栓脱扣或疲劳断裂。在调质热处理过程中，SCM435 钢脱碳层一方面会降低紧固件淬火后的表面硬度；另一方面可能导致淬火开裂。根据GB/T 224—2008《钢的脱碳层深度测定法》，用金相法检测原材料的脱碳层。

　　2.5 非金属夹杂物对比

　　钢中的非金属夹杂物的存在割裂了金属的连续性，剥落后就成为凹坑或裂纹，在冷镦成形时极易形成裂缝，热处理时易造成应力集中，产生淬火裂纹。在静载荷和动载荷的作用下，往往成为高强度螺栓失效的裂纹源，特别是B 类（氧化铝类）和D 类（球状氧化物类）是造成冷镦开裂和早期疲劳破坏的主要原因之一，一般紧固件的强度级别越高，夹杂物的危害性越大；夹杂物尺寸越大、距表面距离越近，危害性越大。

　　冷镦钢新性能的好坏直接影响到高强度螺栓的性能，影响冷镦钢质量的因素主要有四个：

　　一是钢中夹杂物含量、形态、分布和大小；

　　二是钢中的带状组织形态、分布和大小；

　　三是钢中的中心疏松缩孔和中心偏析；

　　四是冷镦钢产品性能的一致性。

　　按照GB/T10561-2005《钢材中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，用A 法（最恶劣视场评定），非金属夹杂物按JK 图评定，对神户制钢、宝钢和邢钢生产的SCM435 进行非金属夹杂物进行了评级，检验结果见表4。


　　神户制钢、宝钢和邢钢生产的SCM435 力学性能的好坏直接影响后续的拉拔性能和冷挤压变形。

　　3、结语

　　总之，神户制钢的SCM435 热轧态微观组织更合理，宝钢和邢钢生产SCM435 热轧态微观组织存在差距，若进行球化退火则有利于冷镦加工。因此在材料应用时，应当充分与供应商合作和沟通，减少不必要的热处理要求，达到降低成本的目的。综上，神户制钢、宝钢和邢钢生产的SCM435 在性能上已经趋于一致，但在材料均匀性方面，国产材料仍然有提升的空间。

　　参考文献
　　[1]冶金工业部钢铁研究总院、太原钢铁公司.GB/T 13298—201《5 金属显微组织检验方法》〔S〕.北京：中国标准出版社，2015.
　　[2] 宝钢集团上海五钢有限公司等. GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》〔S〕. 北京：中国标准出版社，2005.
　　[3] 冶金工业部钢铁研究总院、抚顺钢厂.GB/T 224—2008《钢的脱碳层深度测定法》〔S〕. 北京：中国标准出版社，2008.

　　作者：金蜘蛛紧固件网顾问专家 张先鸣
　　本文原刊登于第52期金蜘蛛《紧固件》季刊
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