工艺和材料作为机械制造的基础，对产品质量和性能起着至关重要的作用。紧固件的发展在于材料创新，通过采用先进的冶炼装备和工艺技术以及合理的低合金化，高强度紧固件能更好地满足机械制造业实际使用要求。近 10 年来，国引进了机械车辆紧固件用钢材，并逐步实现了国产化，促进了我国的钢铁材料及工艺的发展，逐渐缩小了我国工艺技术水平和材料应用水平与发达国家的差距。追求高效、强韧性和轻量化相结合仍是机械车辆紧固件钢材与制造的精髓，冶炼工业和机械工业的紧密结合不仅会进一步促进现代化合金技术的研究，也为机械车辆高强度紧固件的发展提供了材料基础。

1、紧固件材料的性能关系到机械车辆使用安全

频发的机械车辆质量事故不断提醒人们不可小觑螺纹紧固件。从某种意义上讲车辆装配质量对螺纹紧固件的影响甚至大于其制造质量。螺栓用钢大多为冷镦钢。螺栓在机械构件中起着连接、紧固、定位、密封等作用，是应用最广的基础零件。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下，轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。在降低成本的同时，紧固件使用者提出大幅度减轻质量，增高强度，以便抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损，可靠的韧性可以减少对偏斜、缺口应力集中和表面质量的敏感性。在潮湿空气或腐蚀环境下工作的螺栓，要求其有足够低的延迟断裂敏感性，以及良好的冷镦性能（变形能力和变形抗力）。随着汽车与发动机的高性能化和材料应用应力提高，零件尺寸减少，底盘轻量化，对螺栓提出了更高的设计应力和轻量化的要求，而最有效的措施是提高螺栓用钢的使用强度。

机械车辆紧固件的材料选择还必须考虑工艺路线和工艺要求。螺栓的头部一般采用热镦或冷镦工艺成形，随后采用滚、搓或切削工艺制造螺纹。凡须经热压力加工成形的紧固件，要求选择具有合适的热压力加工性能的材料。对于冷镦成形的紧固件，不仅要求材料具有良好的冷塑性变形性能，还必须保证按合适的硬度范围供货。硬度在 HB170~207 范围内的最好。硬度过高，冷镦时难于塑性变形，降低工、模具寿命，产品易开裂，并且可能造成在顶模式冲模内充填不够。 硬度过低，则冷镦时工件容易变形，同时也常发生粘模现象。

螺纹紧固件常采用各种强化处理手段来提高其承载能力。承受重载的合金钢和优质中碳钢螺栓，一般要经过调质处理。经过热处理后，其强度可提高至 75%，需要经常旋进旋出的螺栓头和螺纹，可用氰化处理以提高耐密性。也常采用应变硬化的方法来强化螺钉和螺栓，包括对螺纹的头与杆之间的过渡圆角进行滚压处理。有时螺纹制件上还需做保护层，工艺对材料提出各种不同的性能要求，直接影响选材决策。比如，须经调质处理的螺纹紧固件，应考虑材料的淬透性能，以便保证足够的淬硬层深度，或者考虑用冷却速度较缓的冷却剂，来减少淬裂和引起过大残余应力或淬大变形的可能。经切削加工的螺纹紧固件由自动车床或半自动车床组成的生产线上生产，要求其材料具有良好的切削性能，以延长刀具寿命并提高生产效率，这时常选择易切削钢。紧固件的加工工艺及其质量控制，不仅决定材料选择，还和服役过程中早期失效事故有密切关系。

2、机械车辆紧固件常用的合金钢材

微合金化钢是在钢的基本化学成分中添加微量 ( 一般不大于 0.2%) 合金元素，使钢的一种或几种性能得到明显改善。发展高强度紧固件用钢的主要技术路线可以概括为：采用微合金化非调质棒线材制造非热处理紧固件，对需要热处理材钢种要减少合金元素含量来防止高强度紧固件的延迟断裂，用以提高紧固件的工作强度。通常 8.8级螺栓用 ML35 钢经调质处理后制成，在生产和使用上存在一定问题，如冷镦开裂、热处理时容易淬裂和脱碳，在装拆及服役过程中，存在滑扣、变形、断裂、六角头磨圆等问题。CH35ACR 冷镦钢是替代 ML35 钢制造 ≥M14 的较大规格螺栓材料，将 CH35 钢与 ML35 钢对比，在 Si、Mn含量方面有差异，前者添加了 Cr 元素，并减少了 P、S 含量，不仅在油中冷却的淬火临界直径增加为 18~20mm，而且在相同的高温回火后的硬度差比较大，抗回火稳定性能强。

非调质钢是在热轧状态或正火状态或锻造后空冷状态下具有与调质热处理态相当的综合力学性能的中碳低合金结构钢。提高非调质钢强度的方法主要是通过添加合金元素和轧制，细化组织。采用对焊接性影响较小而又廉价的硅和锰作为非调质钢主要合金元素，通过控制轧制细化组织，提高非调质钢的强度和韧性。这类钢在热轧状态、锻造状态或正火状态下的力学性能既缩短了生产周期，又节省了能源。用非调质钢制造螺栓可省略螺栓冷拔前的球化退火和螺栓成形后的淬火回火处理，还可减轻螺纹牙尖的脱碳倾向，提高螺栓成品率，经济效果十分明显。由于非调质钢线材在冷加工时的硬度较高，使得加工模具寿命降低。目前使用的非调质钢，在生产方面，采用炉外精炼减少夹杂物并控制成分在较窄范围的方法，控制轧制和冷却、细化组织以提高韧性并产生析出强化。ML08Mm2Si 双相冷镦钢是替代ML35 钢开发研制的，它具有高强度和优良的冷加工成型性能，可提高钢材的冷镦性，增加钢材的利用率。通过冷拔变形强化而达到螺栓的强度要求，简化了紧固件热加工工序，节约能耗，有较高经济价值和社会效益。

低碳马氏体硬度为 45~50HRC，屈服强度达1000~1300MPa，抗拉强度达 1200~1600MPa，具有好的塑性、韧性以及良好的冷加工性、可焊性和热处理畸变小等优点。一般情况下，含碳量在0.15%~0.25% 范围内的钢淬火强化效果好，综合力学性能高。一般中碳（合金）结构钢经常规热处理，为了追求高的塑性和韧性，采用淬火、高温回火等措施，势必牺牲强度，若要保持高强度水平，采用淬火、低温回火，又会显得塑性、韧性不足。低碳（合金）结构钢淬火后的结构具有较高的屈服强度，良好的塑性和韧性，以及良好的冷加工性，可焊性和热处理畸变小等优点。机械车辆上的重要螺栓，如连杆螺栓、缸盖螺栓和半轴螺栓等，一般采用 40Cr 或 35CrMo 钢制造，由于其冷镦性能差，常常因冷镦开裂、掉头而产生大量废品，并且由于螺栓存在不确定质量隐患而导致事故发生。Mn-V-B 冷镦钢的开发，在M20 以下可保证获得全部马氏体组织，其淬火态和 200℃回火态为典型的位错板条马氏体，可用来取代 40Cr 调质处理，既具有较高的强度又有良好的韧性和低的冷脆转化温度。现有的低碳（合金）钢 8.8 级、9.8 级铆接螺栓，经过不同淬火介质淬火，获得低碳马氏体后，可以满足螺栓的服役要求。此外，采用低碳（合金）钢冷拔冷镦不易开裂，冷拔模具、冷镦模具、搓丝板、滚丝轮等不易损坏，可使螺栓的工艺性能获得显著改善。

碳硼钢就是把含量为 0.0005%~0.003% 的硼加到钢中，弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失，许多钢种的调质硬度会有明显提高。碳硼钢成分设计的基本原则是降低含碳量，改善钢的冷变形能力，加入量很少，又可提高钢的高温强度，具有强化晶界的作用。加入适量 Cr、Mm、Ti 等合金元素，可进一步提高钢的淬透性。碳硼具有高韧性、强塑性、回火温度低、强度高的特点，很适合生产高强度紧固件。硼钢的主要优点是价格便宜，在保证钢具有所需淬透性和力学性能的同时，钢的热、冷加工性也较好，用少量硼替大量合金元素，钢材成本降低，碳和合金元素含量低，热轧线材可以直接拉拔物冷镦加工，不需要预先球化退火处理，节约了紧固件的制造成本。硼钢作为高强度螺栓用的主要材料之一，淬火变形和开裂倾向小，可用水淬处理，热处理操作简便，改善了工作环境，不仅综合力学性能好，在相同强度水平韧性较中碳钢有明显改善，且脱碳敏感性小，节约了螺栓的制造成本。主要缺点是，淬透性的波动比不含硼元素的钢大。因此在机械车辆紧固件方面，用硼元素取代贵重稀有元素，可收到较好的经济效益。

3、紧固件用冷镦钢材的特点及质量控制

用冷镦加工方法制造紧固件、连接件用的钢材称为冷镦钢。紧固件冷镦是在室温下采用一次或多次冲击加载，广泛用于生产螺钉、销钉和螺母等标准件。冷镦工艺可节省原料，降成本，而且通过冷作硬化提高工作的抗拉强度，改善性能，冷镦用钢必须有良好的冷顶锻性能，钢中 S 和 P等杂质含量减少，钢材的表面质量要求严格，采用优质碳钢，若钢的含碳量大于 0.25%，应进行球化退火热处理，改善钢的冷镦性能。

冷镦是在常温下利用金属塑性成形的。冷镦钢应具备的主要性能是：具有良好的冷成形性；冷镦钢变形要具有尽可能小的阻力和尽可能高的变形能力。为此，一般要求冷镦钢的屈强比为0.5~0.65，断面收缩率大于 50%。为避免在冷镦时表面开裂，要求钢材表面质量良好，同时钢材的表面脱碳要尽可能小。冷镦钢因冷成型性能良好，在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工，这种工艺的优点是在节约大量工时，同时金属消耗可以降低 10%~30%，而且产品尺寸精度高，表面光洁度好，生产率高。

紧固件用非调质钢主要是冷作硬化型非调质钢，用非调质钢制造螺栓可省略螺栓冷拔前的球化退火和螺栓成形后的淬火回火处理，还可减少螺纹部分的脱碳倾向，提高生产成品率，因此，经济效果十分明显。由于非调质钢在冷镦时的硬度较通常的线材高，这使得冷镦复杂形状的凸缘类螺栓时产生裂纹的机率较高，冷镦模具寿命降低。

由于机械车辆需要更高强度和耐用的紧固件，在把紧固件转变成多用途高精密车辆零部件的过程中，技术进步有关键作用。冷镦钢发展方向为非调质钢、硼钢和超细晶粒钢，免热处理的非调质冷镦钢也备受关注。非调质冷镦钢通过采用微合金化、控轧控冷等强韧化方法，在加工紧固件过程中可省略冷拔前的球化退火和成形后的淬火回火处理，还可减少螺纹部分的脱碳倾向，提高成品率。随著冷镦技术的发展，冷镦钢的要求明显增加。由于冷镦紧固件设备大部分为多工位冷镦机，冷镦水平相对较为稳定，对紧固件品质的影响并不大，而主要影响因素在于冷镦钢本身或固有的质量缺陷，直接影响到紧固件的最终品质水平。对冷镦高强度螺栓而言，选用材料更加严格。研究和开发符合我国资源情况的质优价

廉的高强度冷镦钢，对紧固件行业在国际市场竞争中取得优势具有重要的作用。

4、紧固件材料断损失效的预防措施

机械车辆紧固件在工作中主要承受静载荷，完成连接、紧固的功能，有时也承受来自传递动力和机械振动的动载荷，装配过程中还可能承受冲击载荷。正因紧固件的工作条件复杂，故必须严格地选择材料。原材料的选择，需以使用性能和工艺性能两方面作为依据。如果材质存在严重的冶金缺陷，会导致紧固件在生产过程中发生断裂、开裂等质量问题，使生产不能正常进行，还会使装备中各相关部件的功能受到影响甚至完全丧失造成人身和经济上的重大损失。

脱碳通常有利于提高延迟破坏性能，但是必须充分考虑疲劳强度下降，并且不会发生螺栓脱扣、滑牙。对原材料的预先退火工序必须严格注意脱碳和增碳，而在最终调质淬火时螺纹表面增碳是不允许的。冷拔前盘条需要经过软化退火或球化退火，为防止脱碳使用保护气氛或炉中放置木炭。如果炉中气氛控制不当或者发生特殊情况时，会在原材料表面造成增碳。螺纹处表面增碳，会使强度增加而塑性下降，导致延迟断裂。

拉拔是生产高强度螺栓的第一道工序，但在拉拔前，盘条须经过磷化锌薄膜处理，增加光洁度，冷镦、调质淬火处理制成螺栓，会有磷渗入表面层里。对于高强度螺栓，可在热处理前用金属清洗剂和酸洗洗净磷化膜，达到防止渗磷的目的。要注意的是，钢渗磷后，钢的临界点上升，表面出现较多铁素体，也会影响后序发黑和氧化着色表面处理。

螺栓头部是应力集中部位，冷镦变形可达60%~80%，不允许有任何折叠，尤其是冷镦复杂形状的凸缘类螺栓。但由于机床精度、操作工人的技术水平、模具尺寸和质量等综合因素的影响，造成螺栓头部和杆部结合处的晶粒破碎或金属纤维断裂。不完全螺纹和全螺纹形状的螺栓，应在允许范围内，做到形状尽可能缓和应力集中。

在调整冷镦机床时，不应忽视机床间隙、模具间隙以及机床模具间的误差，合理分配螺栓头部的镦锻变形量，增大头杆结合处的过渡圆角，使其内部组织达到合理状态。

根据影响高强度螺栓延迟断裂的因素，钢材选择要有使延迟断裂性能提高的元素，使奥氏体晶粒不长大；降低钢中 P、S 的含量，减少晶界偏析；增加 Mo 的含量以提高钢的回火软化抵抗性能；增加钢中 Si 和 Mn 的含量可以提高硬度，但硬度提高对塑性指标断面收缩率的数值有负面影响；在中碳钢中加入少量的 Cr 可以改善塑性，提高断面收缩率数值。由于任何一种钢都要把淬火—高温回火（调质）处理作为钢种的前提来考虑，根据高强度螺栓性能等级，环境条件等，要完全避免发生延迟断裂是困难的。因此，选择钢种时对其使用条件必须十分注意。

5、结束语

紧固件材料在机械车辆行业有着广泛的应用，近年来，伴随机械车辆行业的快速发展，紧固件的应用领域不断扩大，市场需求增加，钢材消耗也在不断增加。紧固件企业的发展趋势正由低端、低档次的生产向高端、高档次阶段过渡。

当前国家的现代化建设中，机械车辆制造业对紧固件的需求量猛增，紧固件产品的抗拉强度、承受力、硬度、防腐蚀性能都需要进一步优化。紧固件技术的现状和未来成为我国机械车辆发展的一个非常值得关注的领域，蕴含着巨大商机。

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