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钢材知识——碳钢和合金钢高强度螺栓用材料探讨

碳钢和合金钢高强度螺栓用材料探讨

发布时间:2016-4-20     新闻来源:上海西鼎

碳钢和合金钢高强度螺栓用材料探讨

 
核心提示:  紧固件是种通用基础件,与钢铁行业联系紧密。制造紧固件的材料主要有钢、不锈钢、钛合金和有色金属等。螺栓在紧固件中使用量最多,除少量的大规格采用温镦(温挤压)、切削加工制造外,大多数选择冷镦(冷挤压)

  紧固件是种通用基础件,与钢铁行业联系紧密。制造紧固件的材料主要有钢、不锈钢、钛合金和有色金属等。螺栓在紧固件中使用量最多,除少量的大规格采用温镦(温挤压)、切削加工制造外,大多数选择冷镦(冷挤压)成形工艺制造。螺栓的力学性能很大程度上取决于制造紧固件材料的质量。

  1碳钢和合金钢螺栓材料的选用基础螺钉和螺柱0(简称新标准)于2011年10月1日正式实施。新标准是将ISO8981:2009碳钢和合金钢制造的紧固件机械性能第1部分:规定性能等级的螺栓、螺钉和螺柱粗牙螺纹和细牙螺纹(英文版),和GB/T 3098.12000紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱(通称旧标准)在机械性能等级、材料与热处理、机械和物理性能方面进行了部分修改而成。

  1.1机械性能等级的修改新标准在性能等级中取消了3.6级和级,增加了121级,还新增了降低承载能力螺栓的性能等级的标记、标志、基本类型及适用的试验方法,标志代号在数字前加3新标准对紧固件机械性能等级的修改见表1. 1.2材料与热处理的修改6,4.8,5.6,5.8和6.8级低强度紧固件的材料,新标准采用“碳钢或添加元素的碳钢”代替了旧标准的“碳钢”,并且最大硼质量分数由不规定代替了旧标准的0.003%;6.8级最小碳质量分数由0.15%代替了旧标准中的不规定。

  对于直接冷锻的4. 6和5.6级紧固件,新标准表1紧固件机械性能等级的修改对照表明确规定了‘’为保证达到要求的塑性和韧性,可能需要对其冷镦用线材或冷镦紧固件产品进行热处理“的要求。

  旧标准中所提到的“低碳合金钢(如硼或锰或铬)淬火并回火”新标准修改为“添加元素的碳钢(如硼或锰或铬)淬火并回火”。新标准中8. 8级和8级紧固件增加了“合金钢淬火并回火”类材料,12.9级增加了“添加元素的碳钢(如硼或锰或铬或钼)淬火并回火”类材料。需要热处理的8. 8~12.9级高强度紧固件的硫和磷最大质量分数均从旧标准的0.035%降到0.025%,9.8级添加元素的碳钢(如硼或锰或铬)淬火并回火的材料最大碳质量分数由0.40%代替了旧标准的0.35%,12.9级最小碳质量分数由0. 30%代替了旧标准0.28%.新、旧标准均对碳质量分数低于0. 25%的添加硼的碳钢,规定其锰最小质量分数:8.8级为0.6%,9级为0.7%.新、旧标准均规定了新标准在标记制度中取消了10.9级,故在材料中也相应取消了1M级低碳合金钢(如硼、锰或铬)淬火并回火(最低回火温度340C)的材料类别。12.9级的最低回火温度由425 C代替了旧标准的380C.新标准还规定了“对12. 9/12.9级表面不允许有金相检验能测出的白色磷化物聚集层,去除磷化物聚集层应在热处理前进行”。

  新标准还提醒“考虑采用12.9/12的性能等级时应谨慎,紧固件制造者的能力、服役条件和拧紧方法都应仔细考虑。除表面处理外,使用环境可能引起紧固件的应力腐蚀开裂”。新标准增加了“对于热浸镀锌的紧固件材料要求见GB/T5267.3―2008的规定。新标准规定”发生争议时,进行成品分析“。

  1.3机械和物理性能的修改度HRE、“洛氏硬度HRC、”表面硬度HV0. 3“、”螺纹未脱碳层的最小高度“、”全脱碳层最大深度⑷“、”再回火后的硬度‘、’被坏扭矩(Mb)、新标准增加了适用于4. 8,5.8和6.8级不经热处理的低强度紧固件的“实物紧固件的规定非比例8,5.8和6.8级的实物紧固件的规定非比例伸长0.0048d的应力值在调查研究中,现有的数值仅为计算用,不是试验数值”。

  4.8,5.8和6.8级的下屈服强度(屈服点)(RA);新标准明确规定“当下屈服强度ReL无法测量时,允许采用非比例伸长0. 2%的应力RP0.2来代替”。新标准在5.6,8.8,9.8,10.9和12.9/12.9级规定了冲击韧度(冲击吸收能量)项目,新标准“除12. 9/12.9级为在调查研究中”外,其余4个等级的值均为27.冲击韧度值新、旧标准的变化比较大,新标准采用“冲击韧度”代替了旧标准的“冲击吸收功‘,”数值在-20C试验温度下测得“并且仅”适用于d16mm,也即冲击韧度(KV2)是低温冲击试验,而冲击吸收功是指常温下的试验。要求的极限值也有很大变化。

  新、旧标准均规定了在测量表面硬度时,“表面硬度不应比心部硬度高30个维氏硬度值‘。10.9级的表面硬度不应大于390HV0. 3,新标准还增加了对12.9/12.9级表面硬度要求为”不允许表面硬度升高,表面硬度不应大于435HV0.3的要求。

  9和12.9级规定了“螺纹截面的心部在淬火后、回火前获得体积分数90%的马氏体组织”的要求,新标准把范围扩大到8.8级,即8.8,9.硬度的仲裁试验,旧标准规定在“距末端个螺纹直径的截面上,1/2半径处”进行,而新标准规2碳钢和合金钢高强度螺栓材料的选用2.1高强度螺栓材料选用原则选用紧固件材料的原则,主要从以下几个方面来考虑。(1)依据GB/T3098.1―2010/ISO898―1:2009标准;(2)紧固件材料机械性能方面,尤其是抗拉强度方面的要求;(3)依据产品型式及尺寸,根据具体的成型工艺及设备,紧固件制造工艺对材料加工性能方面的要求;(4)依据产品的服役环境和客户的具体要求,工况条件对材料的抗腐蚀性能方面的要求,工作温度对材料的耐热性能(高温强度、抗氧化性能)和低温冷脆性(低温冲击韧度)方面的要求;(5)根据钢材的资源状况,以及价格、重量、采购等方面的要求。根据以上综合考虑,确定选用紧固件材料的牌号、品种、规格和材料标准。

  2.2高强度螺栓材料存在的问题2.2.1硫和磷质量分数量分数均为0.035%H;GB/T699优质碳素结构钢H和GB/T 3077合金结构钢0中的“优质钢”规定S和P的质量分数均为0. 035%,与新标准紧固件机械性能不相适应。新标准中8. 8~12.9级的S和P质量分数不大于0.025%.现有的GB/T 3077中的“优质钢”规定的S,P质量分数已不能满足新标准的要求,但GB/T 3077中的‘’高级优质钢“和”特级优质钢“满足新标准的要求,GB/T 699中”特级优质钢“满足新标准的要求。

  些引进的高强度紧固件采用国外相应的材料标准,由此带来大量的材料国产化工作,GB/T6478,GB/T699和GB/T3077已经不适应形势需要,应尽快修订6. 2.2.2脱碳层脱碳层是影响紧固件质量和材料使用的重要指6478对脱碳层检验规定“每边总脱碳层深度(铁素体+过渡层)不得大于公称直径的1. 0%(高级优质钢)或1.5%(优质钢),并且在需方未明确注明的情况下,按后者供货。GB/T 699中对碳质量分数大于0.30%钢的脱碳层检验规定为”每边总脱碳层深度(铁素体+过渡层)应不大于公称直径的1.0%(高级优质钢)或1.5%(优质钢)“。GB/T3077中对碳质量分数大于0.30%钢的脱碳层检验规定为”每边总脱碳层深度(铁素体+过渡层)不大于公称直径的1.5%“。GB/T3098.1规定:螺纹全脱碳层的深度不得大于0.015mm,8.8和9.8级螺纹未脱碳层的高度为1/2牙高,10.9级为1/3牙高,12. 9级为1/4牙高。

  2.2.3非金属夹杂物和酸浸低倍组织非金属夹杂物是造成冷镦开裂的主要原因之,C类(硅酸盐)和D类(球状氧化物)夹杂物的影响更大。颗粒愈大愈易开裂,在距表面2mm以内的夹杂物不应大于0.15pm.对于高强度紧固件材料,要求硅酸盐夹杂物不大于0.5级,球状氧化物夹杂物不大于1级。材料控制主要缺陷:冷镦钢的锭型偏析,材料及退火过程中的表面脱碳,冷镦裂缝,调质中的淬火开裂和变形。

  3077对非金属夹杂物的检验均明确规定:根据需方要求,经供需双方协商,并在合同中注明其合格级别,才可进行非金属夹杂物的检验。酸浸低倍组织的技术要求见表2.表2酸浸低倍组织技术要求标准号锭型偏析中心疏松一般疏松一般点状偏析边缘点状偏析备注优质钢2.3螺栓实物质量添加铬、钼、镍、锰等合金元素的合金钢,以及耐蚀为螺栓用钢材是碳素钢和为增加强度、淬透性而主的不锈钢等,此外,还有添加微量硼使淬透性大幅度提高的硼钢。

  硼钢可制造9.8级、10.9级高强度螺栓。热处理方法:采用高温淬火、快速冷却获得低碳马氏体,再进行中温回火后,基本满足螺栓的服役条件。

  我国自主开发的钢种20MnTiB主要用于钢结构连接件,现主要用于10.9级车桥轮胎螺栓、螺母及差速器螺栓,后名称改为ML20MnTiB列入GB6478,但螺栓实物质量和新标准的要求有定的差距。首先,20MnTiB和ML20MnTiB碳质量分数下限均低于0.20%,不能满足新标准对材料的要求;其次,20MnTiB钢硬度达到32 ~39HRC的要求时,又有可能达不到新标准的最低回火温度425C的要求;最后,新标准规定B最大质量分数为0. 003%,20MnTiB和ML20MnTiB钢的B最大质量分数为0.0035%,上限超过其标准规定。20MnTiB和ML20MnTiB的碳质量分数应在0.22%以上,才能最大限度地提高淬硬性,以增加有效的淬透性,满足新表3牌号矣8和10.9级螺栓时,也有采用台湾中钢标准系列的10B21,10B23和15B22钢制造。10B21和15B22的碳质量分数下限满足不了新标准中10.9级关于碳质量分数在0.20%~0.55%的规定;10B21和10B23含锰量的下限,满足不了新标准中“对于8.8,9.8,10.9级紧固件采用低碳合金钢(如硼、锰或铬)淬火并回火制造,碳质量分数低于0. 25%(熔炼分析)的情况下,其最低锰质量分数应为0. 030%,其他化学成分要求见表4.对于采用台湾中钢标准生产的CH35ACR和CH40ACR钢制造的8. 8和10.9级螺栓,也称为中碳合金钢,该钢实为微Cr含量的碳素钢,淬透性虽比中碳钢35和45钢好,但不如40钢,因此,建议可以制造8. 8级螺栓,但不宜制造10.9级螺栓。

  表4 10B21,10B23和15B22钢的化学成分牌号表5牌号矣3结语由紧固件的失效和损坏引起事故的概率非常高,因此,用于制造紧固件的材料必须严格选择。在未来较长时间内,紧固件仍以钢铁材料为主,随着紧固件行业技术进步,符合现代紧固件产品与工艺要求的钢材越来越多,为高强度螺栓生产提供了重要保障。