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宝马|日本螺栓用钢的最新发展


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由于发动机、行走部分零部件的小型、轻量化的需求 ， 紧固件被用于比以往更高的拉伸负荷环境下 ， 因此必须解决表面缺陷或钢中非金属夹杂物等缺陷导致的疲劳强度的降低 ， 以及伴随着氢敏感性增加的延迟破坏等大量技术问题 。
本文从钢材层面对螺栓高强度化及省略制造工序进行了探讨 。
日本JIS B 0101中 ， 将“螺杆（screw）”定义为有螺纹物品的总称 ， 将“螺栓（bolt）”定义为与螺母组合使用的带有螺纹部件的总称 ， 本文将“螺杆·螺栓用钢”统称为“螺栓用钢” 。
1 螺栓强度分类
在JIS中 ， 对螺栓用钢的线材 ， 如图1所示的冷镦用碳钢、冷镦用硼钢、冷镦合金钢 ， 都作出了规定；另外 ， 还对线材二次产品——钢丝影响冷镦性的力学性能、表面缺陷深度等作出了规定 。

宝马|日本螺栓用钢的最新发展
本文插图

螺栓一般按照强度进行分类 ， 钢制螺栓的力学性能由“碳钢及合金钢制紧固件的力学性能——螺栓、螺杆及植入螺栓（JIS B 1051）”进行规定 。
表1为按照强度分类的螺栓规格材料和生产工序实例 。

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本文插图

强度分类4.8-6.8级螺栓 ， 主要采用低碳钢的冷镦用线材（JIS SWRCH18A等） 。 在这一强度等级中 ， 除特殊情况外 ， 由于从线材到螺栓生产的工序并不复杂 ， 因此一般较少要求改变钢种或省略工序 。
强度分类8.8-9.8级螺栓 ， 采用中碳钢的冷镦用线材（JISSWRCH40K等） ， 冷镦前后进行球化退火和淬火回火热处理 。
另外 ， 替代中碳钢 ， 改用材料强度较低的低碳硼钢（如JIS SWRCHB323）等的情况在迅速增加 。 硼仅需微量添加即可提高钢的淬透性 ， 而在空冷区的冷却速度下不会引起强度的提升 ， 因此 ， 在确保淬火回火时的淬透性的同时 ， 还可抑制线材或钢丝的强度上升 。
强度分类8.8级中 ， 还被作为省略淬火回火热处理的非调质螺栓 。 尽管可以大幅度降低螺栓的生产成本 ， 但有时因螺栓形状引起模具寿命降低 ， 因此 ， 仅适用于长螺栓、双头螺栓、U型螺栓等加工度较低的螺栓 。
强度分类10.9-12.9级螺栓 ， 使用铬钢、铬钼钢等低合金高强钢（JIS SCr435等） ， 由于碳含量及合金元素含量越高 ， 冷镦性越差 ， 在生产线材二次产品时 ， 为了在最终拉丝前软化 ， 实施退火或球化退火热处理 ， 冷镦后进行淬火回火热处理 。
强度分类12.9级的区域 ， 特别需要考虑延迟破坏特性 。
强度分类12.9级以上的螺栓 ， 未在JIS中做出规定 。 由于存在发生氢导致的延迟破坏的可能性 ， 区别于JIS标准中的低合金高强钢 ， 各钢材生产企业提出了考虑到延迟破坏特性的独有的高强螺栓用钢材 。
2 有助于省略螺栓生产工序的钢材
2.1 非调质线材
所谓非调质线材是指可省略螺栓冷镦前的软化热处理和冷镦后的淬火回火热处理的产品 ， 对降低生产成本效果显著 。
另外 ， 对于长螺栓及U型螺栓等易于发生淬火应变的部件 ， 还可省略矫形加工 。
螺栓强度主要由钢丝的强度决定 ， 钢丝的强度由轧制线材的强度及拉丝时产生的加工硬化量决定 。
与传统的软化热处理的淬火回火（调质）用中碳钢钢丝相比 ， 非调质钢丝的强度更高 ， 因此 ， 顶锻螺栓所使用的大半为强度分类8.8级以下 。
9.8级以上时 ， 由于模具寿命显著下降 ， 因此 ， 用于双头螺栓、U型螺栓等形状简单的螺栓 。 但是 ， 8.8级也仍然存在比淬火回火螺栓的模具寿命短的问题 ， 至今尚未完全解决 。
下面将介绍一个强度分类8.8级螺栓用非调质线材中改善模具寿命的案例 。


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