【五金干货】汽车紧固件用钢的发展方向

来源:热处理工艺问答作者:薄鑫涛

汽车行业的迅猛发展加大了对钢铁材料的需求,虽然我国持续多年为世界第一大产钢国,但是汽车发动机及关键部件紧固件用钢由于强度的限制还是以进口产品为主,同时汽车的高性能化和轻量化的发展趋势,对汽车紧固件的设计应力和轻量化提出了更高的要求,紧固件用钢高强度化则是解决这一要求最有效的途径。

1、汽车紧固件用钢的性能要求

汽车紧固件用钢要求:

(1)具有良好的表面质量、高级别的尺寸精度和低级别的非金属夹杂物及偏析;

(2)具有较高的抗拉强度及良好的冷镦性能;

(3)具有较高的疲劳抗力和多次冲击拉伸抗力;

(4)具有足够低的延迟断裂敏感性和较低的韧-脆性转化温度。

2、汽车紧固件用钢的冶炼及轧制特点

2.1、冶炼技术

采用炉外精炼和具有电磁揽拌的连铸工艺。主要是将钢中的C,Si,Mn,Cr,Mo等主要元素成分控制在较小的范围,并且尽可能降低钢中P,S,0,N等杂质含量,达到钢质纯净度高、非金属夹杂物低,偏析级别低的目的,从而提高钢的冷镦性能和改善钢的表面质量。

2.2、轧制技术

采用具有控制乳制和控制冷却功能的高速高精度轧制工艺,获得轧制热处理线材(非调质或者免退火),并使其具有良好的尺寸精度(不需要拉拔处理)以及尽可能少的表面缺陷(不需剥皮)。

3、汽车紧固件用钢的现状及发展方向

3.1、洁净螺栓钢

从提高钢的冷镦性,改善钢质方面来讲,需要尽可能降低钢中杂质元素含量。降低S含量可提高钢的变形能力,减少钢中的非金属夹杂物,改善韧塑性;降低P含量可降低钢的变形抗力,同时降低P,S含量还可减少其在晶界的偏聚而减轻晶界脆化,并能改善钢的耐延迟断裂性能;降低钢中的0含量,能有效降低氧化物夹杂,从而改善钢的冷加工变形能力。

钢铁研究总院对洁净度高的ML42CrMo钢的应力腐蚀门槛应力强度因子KISCC进行研究,洁净度髙的钢的KISCC较商业钢有较大幅度提髙,因此,为保证钢在高强度化后仍具有较高的综合性能,高强度螺栓钢P,S含量要进一步降低。

3.2、经济型高强度螺栓钢

3.2.1、微合金非调质钢

用微合金非调质钢制造螺栓,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,还可减轻螺纹丝扣的脱碳倾向,提高螺栓成品率,经济效益十分明显。

微合金非调质钢常用的微合金化元素有:Ti,Nb,V,B等。在乳制前的加热过程中应保证微合金化元素充分固溶,随后在控制乳制、冷却过程中析出弥散微细的微合金化元素碳氮化物,抑制奥氏体晶粒长大,得到细小的晶粒,在提高钢材强度的同时又能改善韧塑性。值得一提的是B,微量的B可以显著提高钢的淬透性,并对珠光体转变有明显的推迟作用,结合低温轧制,有利于铁素体含量的增加,从而改善钢的冷镦性能。微合金化元素在钢中的主要作用见表1。

微合金非调质钢的组织为低碳含锰的铁素体+珠光体型和贝氏体型,由于微合金化元素细化晶粒的作用以及在铁素体和珠光体中弥散析出碳、氮化物的强化相,使钢在轧制后不经调质处理即可获得中碳钢经调质后所达到的力学性能。微合金非调质钢主要用于加工8.8级高强度螺栓,国内外已经应用的钢种牌号有:日本神户KNCH8S、日本住友金属SUC80、中国大陆的LF10MnSiTi,LF20Mn2,LF18Mn2V以及马钢生产的MFT8。也有少量的10.9级双头螺栓采用微合金非调质钢制造。而对于更高强度级别,如12.9级的髙强度螺栓,还没有采用微合金非调质钢制造的实例。

通过实现在两相区温度轧制,冷作强化非调质钢正在由微合金化为主转向以形变诱导超细化组织为主的方向发展,用不添加或少添加微合金元素的钢生产能用于冷镦加工髙强度紧固件的线材、棒材,既节约资源、能源,又保护环境,因此,开发节能环保型髙强度紧固件用钢生产技术,是近期乃至未来线材、棒材生产技术的发展方向。

3.2.2、免退火中碳钢或中碳合金钢

普通热轧态交货的钢材往往需要先进行球化退火才能满足冷缴成形的要求,其目的就是要通过球化退火使钢材微观组织中的片状碳化物(渗碳体)呈球状,从而得到具有低变形抗力和优异塑性的材料。而免退火中碳钢或中碳合金钢就是使球状渗碳体在一定条件下直接从过冷奥氏体中稳态析出。研究证明,奥氏体向珠光体转变过程中渗碳体以片状形态从母相中析出是一个亚稳态,理论上潜藏着向热力学更为稳定的球状渗碳体自发转化的趋势,为此吴凡等人还对片状渗碳体转化为球状渗碳体所需的激活能进行了测定。

稳态的球状渗碳体不可能从稳态的奥氏体中析出。据研究,低碳钢在高应变速率、大应变下,进行稍高于Ar3的形变,可得到2μm以下的超细铁素体,从而对其周围未转变奥氏体的分解方式产生影响,表现为奥氏体在随后冷却或退火过程向退化珠光体加速转变并缓慢粗化。对于珠光体含量较高的中碳钢,通过控制轧制实现奥氏体的非平衡化,再通过随后的控制冷却就有可能获得球状的渗碳体,而非片状渗碳体,从而实现了在线软化处理。

传统的高速线材轧机难以实现在线软化处理,原因是不能够进行低温大变形量控制轧制以及控制冷却线过短。

日本神户制钢公司第7线材厂于1999年对设备进行改造,增加了超重载能力的减定径机组并将斯太尔摩风冷运输线从原来的48m增加到了100m,2001年改造后的线材轧机成功实现在线软化处理,生产出的SCM435冷镦钢盘条强度在800MPa以下,低于传统的900MPa以上。

国内马钢对高强度冷镦钢的在线软化处理工艺研究较早,其生产的SWRCH35K-M免退火钢用户可直接进行拉拔冷镦生产。安阳钢厂高速线材生产线采用摩根6代轧制技术、斯太尔摩风冷运输线长105m,经过多年摸索,生产的SCM420-440系列高强度冷镦钢也达到了在线软化处理工艺要求的效果,以SCM435为例,其电解夹杂总质量分数平均为0.0058%,中心疏松和中心缩孔级别为0.5级,其热轧态组织主要为铁素体+珠光体,总脱碳层深度小于0.15mm,φ6.5~16mm各规格盘条晶粒度级别均在8级以上,硬度HRB值为90左右。