汽车紧固件用钢国产化的努力方向
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汽车紧固件用钢国产化的努力方向
摘要：介绍汽车紧固件用钢的性能要求，以及冶炼、轧制的特点；对相关的洁净螺栓钢、微合金非调质钢、免退火钢、硼钢、耐延迟断裂高强钢的现状和发展方向进行阐述；指出实施汽车紧固件用钢国产化的努力方向。
据2010年1月中国汽车工业协会统计，2009 年中国汽车产销分别为1379. 10万辆和1364.48万辆，同比分别增长48%和46%。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48 m增加到了100 m，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800 MPa以下，低于传统的900 MPa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105 m，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0.005 8%，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0.15 mm，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。用户可实施9 h的简化退火工艺，比采用30 h以上的球化退火工艺处理时间减少了2/3以上。
3.2.3、硼钢
硼钢的特点：
（1）具有良好的冷变形能力，可以省去冷变形前的退火处理；
（2）淬火脆性倾向低，可以用水淬；
（3）微量硼的加人可部分替代昂贵的合金元素的添加；
（4）低碳钢的延迟断裂敏感性相对较低。
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；加入质量分数为0.0005% ~0.003 5%的微量硼以弥补因降碳造成的强度和淬透性的损失。另外还可根据需要加入Cr，Mn，Ti等合金元素，进一步提高淬透性。
通常8.8级螺栓用与SAE10B23相当的低碳含锰系硼钢制造，9.8级和10.9级螺栓用与SAE10B35相当的中碳含锰系硼钢制造，或者用与ML40Cr，ML35CrMo 相当的ML35MnB，ML370B硼钢制造。但由于硼钢的抗回火软化能力小，其回火温度要比SCM435，ML40Cr低60 ~ 80，因此用硼钢制造的10.9级高强度螺栓的延迟断裂敏感性大。
国内解决这一问题的途经是通过提高硼钢中V含量，同时降低P，S和C含量，从而改善硼钢的综合力学性能。国内于1992年成功研制了ML15MnVB，ML20MnVB钢，并列入GB/T 6478-2001《冷镦和冷挤压用钢》，用于制造发动机连杆螺栓、缸盖螺栓以及摩托车用高强度螺栓，品质甚优，在1000 ~1200MPa的抗拉强度范围内的耐延迟断裂性能相当于或优于SCM435钢。
日本大同特殊钢新近开发出一种10.9级耐延迟断裂的螺栓用砸钢，其成分为：w（C）=0.25 %，w（Si）=0.03%，w（Mn）=1%，w（P）=0.01%，w（S）=0.002%，w（Cr）=0.3%，w（Ti）=0.05%， w（Nb）=0.025%，w（B）=0.002%，轧态组织为低硬度的铁素体+珠光体，由于降低了杂质元素P，S含量，并添加Ti，Nb细化晶粒，该钢种在1000-1300 MPa强度范围内的耐延迟断裂性能相当或优于SCM435钢，已用于制造10.9级汽车螺栓。
国内安阳钢厂也已经按美标成功开发生产10B21系列硼钢，其w（N）为 0.0022% -0.0054%，平均值0.0038% ；w（0）为 0.0016% -0.0036%，平均值0.0028%。热轧态组织为铁素体+珠光体，总脱碳层深度小于0.15 mm，盘条晶粒度级别均在8级以上，1/2冷顶锻合格率100 %。但此钢种在连铸拉坯期间有时出现密集的角部小横裂，对应盘条表面则产生大量结疤，成品率不高，因此10B21系列硼钢在安阳钢厂大规模生产还有待时日。
3.2.4、耐延迟断裂的高强度钢
延迟断裂是指材料在静止应力作用下，经过一定时间后突然脆性破坏，是材料-环境-应力相互作用而发生的一种环境脆化，是氢致材质恶化的一种形态。当强度超过1200MPa时，高强度螺栓钢延迟断裂变得十分突出，由此造成的事故屡屡发生。因此，耐延迟断裂高强度螺栓钢的开发是近年来国内外研究的工作热点之一。
髙强度螺栓大多采用回火马氏体制造，此类钢对延迟断裂的敏感性较大。应从组织因素对高强度螺栓耐延迟断裂性能的影响考虑，可采用适当的等温处理工艺以获得下贝氏体及适量的马氏体、残余奥氏体的复相组织，利用马氏体组织的高强度和贝氏体、奥氏体组织良好的延迟断裂抗力来实现髙强度下良好的耐延迟断裂性能。或通过适当的热处理工艺获得无晶界或晶界碳化物较少的微细马氏体组织，同样可以具有良好的耐延迟断裂性能。
国内外在耐延迟断裂钢种开发时常采取以下措施。
（1）减少晶界偏析。尽可能降低杂质元素P，S 含量，同时降低Mn含量，防止晶界脆化（P降低晶界结合强度，S在腐蚀环境下促进氢的吸收，Mn易导致P，S共偏析）。
（2）细化晶粒。加人Ti，Nb，V，Al等元素，生成弥散析出的碳氮化物以细化奥氏体晶粒，提高强度，改善铺性。
（3）提高回火温度。加入抗回火软化能力强的元素Mo，V等，提髙回火温度以避开容易引起晶界脆化的回火温度区域，并可使碳化物细小均匀。
（4）调整合金元素。如添加Ni、降Mn，以获得较高的缺口韧性。
（5）尽可能减少钢表面侵人的氢量，即添加抑制腐蚀坑生成的合金元素，如Mo。
（6）使侵入的氢无害化。加人适量的微合金元素Ti，Nb，V，形成细小的碳氮化物，从而使氢均勻分布并抑制氢的扩散。
近年来国内外已先后成功开发出了一系列耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，如日本住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列，都是通过添加微合金化元素并调节其含量和配比，以得到髙强度和优良的耐延迟断裂性能，其使用效果均明显好于SCM440钢。中国大连钢厂在钢铁研究总院的指导下，在42CrMo钢的基础上，通过降低S，P，Si， Mn含量，成功开发出1 300 MPa级的髙强度螺栓钢 42CrMoVNb（ADF1），其综合力学性能有较大幅度提高，制作的13.9 ~ 14.9级高强度螺栓已在依维柯汽车和康明斯发动机上使用。
4、结语
中国汽车行业的快速发展给国内汽车紧固件用钢带来了巨大的市场机遇，而汽车紧固件用钢的高强度化已经成为市场发展的必然趋势，有条件的中国钢铁企业应加快汽车紧固件用钢的研发和生产，借鉴国内外先进的生产工艺和已经取得的成果，提高汽车紧固件用钢的国产化率。
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