42CrMoVNb鋼研制1300MPa級高強度螺栓

1、引言

高強度螺栓在汽車上的使用十分普遍，國內目前使用的最高強度級別為1200MPa，即12.9級。近年來，國內外對12.9級以上高強度螺栓和高強度螺栓用鋼進行了多方面的研究，國外已有1300MPa級高強度螺栓的使用實例，國內也因優化產品設計和提高產品質量而對高強度螺栓提出了更高的要求。

作者應用國內最新開發的42CrMoVNb（ADF1）高強度螺栓鋼，研制了1300MPa級高強度螺栓，對其工藝和力學性能進行了試驗研究。

2、試驗用鋼及力學性能

試驗用鋼為工業化試生產42CrMoVNb鋼，標準試樣經920-930℃淬火+（600～610℃）×1.5h回火的調質處理后，其力學性能優于傳統的12.9級42CrMo高強度螺栓鋼。另外，其耐延遲斷裂性能、缺口敏感性和疲勞性能也都優于42CrMo鋼。

3、生產工藝及試驗條件

3．1工藝條件

1300MPa高強度螺栓的生產工藝流程：下料→加工毛坯→退火→冷鐓成型→機加工→調質處理→精加工→頭部滾壓強化→探傷→滾絲→表面處理→探傷。冷鐓成型前經750℃×6h退火，爐冷至500℃出爐空冷。冷鐓成型在160t閉式單點壓力機上分二次完成，中間不進行再結晶退火，成型后進行六角頭切邊；頭部滾壓強化在自制的滾壓機上進行；滾絲采用國產滾絲機（名義壓力62kN），滾絲模為Cr12MoV鋼，硬度62HRC。

3．2試驗條件

試制的1300MPa級高強度螺栓有M12×1.25和M10×1.25兩種規格，長度為30～110mm。拉伸試驗采用實物螺栓和標準拉伸試樣(l0=5d0，d0=5mm)，在WE-600型液壓萬能試驗機和CSS-44100型電子萬能試驗機上按GB/T3098.1進行。螺栓的疲勞試驗在AmslerHP5100高頻疲勞試驗機上進行，頻率為100Hz。螺栓表面的殘余應力測試在X-350A型X射線應力測定儀上進行。在光學顯微鏡下觀察栓的熱處理組織形貌。

4、試驗結果及分析

4．1熱處理工藝和組織

由于圖1可見，42CrMoVNb鋼在600℃左右產生了二次硬化現象，并且隨著淬火溫度的提高，二次硬化的“平臺”上移，強度提高，但淬火溫度的提高將使得奧氏體晶粒粗大，韌性和塑性降低。因此，試制螺栓的淬火溫度為920～930℃，回火溫度為600～610℃。經上述熱處理工藝處理后，其顯微組織為回火索氏體，晶粒度為10級。

4．2工藝對抗拉強度的影響

通常，高強度螺栓的滾絲是在熱處理后進行，可使螺紋處獲得滾絲壓應力，以提高螺栓的強度，特別是疲勞強度，但因螺栓的硬度高，對滾絲模要求較高，而熱處理前因螺栓的硬度低，則滾絲容易實現。以1300MPa級螺栓熱處理后的硬度和熱處理前、后滾絲抗拉強度，可見，熱處理前滾絲的螺栓抗拉強度低于熱處理后滾絲的螺栓，其原因是，熱處理前滾絲的螺栓，在后續進行熱處理時，螺紋處的滾絲壓應力被部分消除所致，另外，螺紋表面減碳也會影響螺栓強度。

高強度螺栓最新表面處理方法是鋅鋁鉻涂層（Dacrotized、Dacronet）又稱“達克羅”處理，其耐鹽霧腐蝕性能高達500h以上，并且涂層不會引起氫脆，其成膜溫度在約300℃左右，厚度約幾個微米。試驗結果表明，螺栓經表面“達克羅”處理后，抗拉強度無明顯變化。

4．3工藝對楔拉性能的影響

螺栓作為多缺口零件，要求具有較低的缺口敏感性。螺栓的楔拉試驗不僅可以反映其缺口敏感性的高低，還能較好地顯示靜載缺口敏感性的差異。楔拉試驗分別以0°、4°和6°的偏斜角度進行，可見，熱處理后滾絲的螺栓，經“達克羅”和磷化表面處理后，隨偏斜角度的增加，抗拉強度幾乎沒有變化，并且抗拉強度相當。而熱處理前滾絲的螺栓，隨偏斜角度的增加，抗拉強度則明顯降低。這表明，熱處理后滾絲的螺栓缺口敏感性很低，熱處理前滾絲的螺栓缺口敏感性較高，“達克羅”和磷化表面處理對缺口敏感性沒有影響。

4．4疲勞性能及其殘余應力

通過熱處理后滾絲螺紋和滾壓螺栓頭根部，使這些部件獲得表面殘余應力，以減小此處應力集中的不利影響，提高螺栓的疲勞性能。“達克羅”處理和磷化處理是高強度螺栓最常用的表面處理方法，對經過這兩種表面處理的螺栓進行了疲勞性能試驗，螺栓規格為M10×1.25。螺栓服役時通常承受拉-拉疲勞負荷，并有初始裝配預緊力，為模擬其服役特征，采用恒定最小拉伸負荷改變最大拉伸負荷以升降法進行疲勞試驗，其中最小拉伸負荷即為螺栓的初始裝配預緊力。試驗的最小拉伸應力為451MPa，可見，經磷化表面處理和“達克羅”表面處理后螺栓疲勞性能存在明顯的差異，表明經過這兩種表面處理后螺栓的殘余應力發生了不同的變化。為此，對螺栓的殘余應力進行了測試分析。在表面處理膜之下，螺栓滾壓部件的殘余應力測試結果，可見，經兩種表面處理后的螺栓在基體表面處的殘余壓應力，無論是環向應力，還是軸向應力，均比未經表面處理的螺栓要小，而經“達克羅”表面處理的螺栓殘余壓應力最小。隨著測試深度的增大，在0.05mm處環向和軸向殘余壓應力分別達到最大，三種表面狀態的殘余壓應力基本趨于同一水平。當測試深度繼續增大，三種表面狀態的環向和軸向殘余應力均逐漸降低。顯然，螺栓表面殘余壓應力的下降對疲勞性能不利，而“達克羅”表面處理與磷化表面處理相比，使得螺栓基體表面的殘余壓應力下降更多，因此其疲勞性能也就更差。

與未經表面處理的螺栓相比，磷化表面處理和“達克羅”表面處理的螺栓，除了基體表面的殘余應力減小外，對一定深度下的殘余應力沒有產生影響，這說明，在磷化處理的溫度下（90～98℃或更低）以及在“達克羅”處理的溫度下（300℃左右）不會引起螺栓殘余壓應力的變化，螺栓基體表面殘余壓應力的降低另有原因。

表面處理時，因心表比容差會在表面處理層產生內應力。磷化處理和“達克羅”處理在表面均有幾個微米的膜層，兩者膜層的比容均比螺栓基體的比容大，其成膜時，相對于螺栓基體會在平面上產生一定的膨脹，在螺栓基體的約束作用下，膜層將生產一定的壓應力，同時給螺栓基體帶來拉應力。由于膜層很薄，其拉應力僅在螺栓基體表面產生了明顯作用，并與螺栓基體原有的滾壓殘余壓應力相互抵消一部分，造成螺栓基體表面殘余壓應力降低。

5、結論

（1）42CrMoVNb鋼可滿足高強度螺栓的生產要求，其1300MPa級高強度螺栓的熱處理工藝為920～930℃油淬+（600-610℃）×1.5h回火。

（2）熱處理后滾絲比熱處理前滾絲螺栓抗拉強度高，缺口敏感性低。

（3）磷化處理和“達克羅”處理對1300MPa級高強度螺栓的抗拉強度和缺口敏感性無明顯影響，但降低了螺栓滾壓或滾絲的殘余壓應力。磷化處理的螺栓疲勞性能高于“達克羅”處理的。