高强度紧固件的材料选择与热处理

高强度紧固件的材料选择与热处理一．12.9级高强度螺栓1．12.9级高强度螺栓的国家标准：我国12.9级高强度螺栓生产量很少，因为我国的材料牌号及钢铁冶炼体系发展滞后，没有相匹配的材料牌号，只有比较接近的材料品种。

在GB/T 3098.1—2000标准中的表2，可以看出端倪。

认真解读12.9级螺栓的注解（6）、（8）、（9）可以得出一些信息。

注解：（6）材料要有良好的淬透性，保证紧固件截面在淬火后，回火前获得90%的马氏体组织。

注意是在淬火后获得90%马氏体组织。

（8）12.9级金相组织不能检出白色磷聚焦层（冷脆）。

（9）该等级的回火温度及化学成份尚在调研中（热处理和材料在讨论研究中）。

从中可以看出我国对12.9级高强度螺栓生产没有充分把握，不提倡积极地生产。

据了解：我国工程上采用的12.9级的螺栓，以进口居多。

2．42CrMo类型的几种材料分析对比：普通42CrMo能够达到12.9级的强度要求，在机械性能四项指标的测量中，强度类指标容易达标，断后伸长率8%，断面收缩率44%达到标准，有一定难度，主要是强度与韧性的配合问题；如果12.9级有冲击韧性要求，更难达到要求，12.9级产品对材料要求很高，普通的42CrMo的材料难以达到。

一般可采用42CrMo（B7），42CrMoA的材料。

我们认真对着照分析了42CrMo几种公司采用的不同的材料，其中的化学成分的组成（见图表一）。

图表一：42CrMo类型化学成分的组成（1）42CrMo与B7的对比分析B7是美国牌号的钢材，与我国的42CrMo的化学组成相类似，但是存在着微小差别，这些微小的差别，却影响了产品的性能。

钼的含量我国钢材42CrMo与B7材料，标准规定的含Mo量都是在0.15~0.25%范围内，但美国B7钢材一般的材料，含Mo量基本上在0.18~0.20%的数值范围内（中间偏下的范围）；我国的钢铁企业为了追求利润最大化，一般将42CrMo材料的含Mo量定在0.15~0.17%范围内，属于下限范围。

钼元素能提高钢的淬透性，细化晶粒，并能有效地阻止钢材的第二类回火脆性的产生，尤其是低温状态下，钼含量的增加对提高冲击值起到积极作用。

目前，我国许多高强度紧固件制造企业也逐步地认知钼元素的重要作用，因此要求钢铁公司将钼含量提高到0.18~0.20%左右的范围，从而有效地提高了材料的性能，在42CrMo的基础上产生了中国改进型的牌号----42CrMo（B7）（见上面表格的数值）。

锰的含量锰是添加的常用合金元素，因为经济适用，常用来代替铬、钼、钒贵重合金元素；锰元素能有效地提高钢材的淬透性，提高材料的强度，并且能减少硫对钢材产生的热脆性。

锰钢经过加工后能提高钢的耐磨性；但含锰量增加到一定的量后，会促使晶粒长大，降低材料的塑性和韧性，并增加第二类回火脆性的倾向，从理论上说，普通42 CrMo材料锰元素的含量应该控制在≤0.8%范围内。

考虑到以上锰的优缺点，我国把42CrMo的含锰量定位0.5~0.8%，而美国B7把锰含量定为0.65~1.1%，锰含量的增加，对提高淬透性起了积极的作用。

美国B7材料含钼量通常比我国的普通42CrMo材料高，钼元素含量的提高，对抑制锰的缺陷起到积极的作用；钼元素含量地提高，还能够对降低回火脆性起积极作用，这是在钢材中多种添加元素的作用，会起互相弥补、互相提高的功能，克服了单一添加元素在材料中的不足。

（2）42CrMoA与42CrMo的对比分析试样三的材料我公司是选用了宝钢的材料，众所周知，材料后加A是高级优质钢，其硫磷含量在优质钢≤0.035%的基础进行了降低，标准为≤0.025%。

目前我国钢材一般都能达到这一标准，但是有A符号的特级优质钢，在钢铁的冶炼过程中增加了脱磷、脱硫的过程中，不但硫磷杂质元素大幅度下降，其他的杂质元素、钢中的气泡及缺陷也在冶练的过程中相应地减少，提高了钢材的纯净度，使材料的综合性能大幅度提高，其中，材料的韧性的提高尤为显著，﹣40°C的低温冲击值能够达轻松地到40J以上，个别达到60J，甚至80J，远远大于平均值≧27J的要求，增加产品的可靠性。

上面三种42CrMo三种类型的材料，在拉力试验数据基本相同的条件下，钼含量的增加能有效地提高材料的韧性，而杂质元素的减少对提高材料的性能的提高同样很显著，因此对性能要求高的产品，必须严格地控制材料各种合金元素的含量；镍、钒、钼等稀有金属元素的含量、稀有金属元素的微量增减，都会影响产品的技术性能。

例一：不同材料制成的产品经过拉伸试验后，得出的试验结果，有比较大的差别，具体见下面的报告的数据。

（图表二）图表二A：普通42CrMo材料制成产品的拉伸试验报告图表二B：B7材料制成产品的拉伸试验报告从上面实例中可以看出，不同的材料品种对拉伸试验产生的数值有些差异，经过二种不同的材料的元素分析，可以更加明显地看出合金成分差异对性能的影响：（见图表三）图表三；二种材料的化学元素分析从上面二个图表中可以看出几点：（1）同一家公司热处理后的螺栓双头，抗拉强度、屈服强度比较相近（B7材料产品检测数值略微高一些），但是断面收缩率相差比较大，B7材料生产的双头螺栓断面收缩率数值比较高，全部达到并且超过技术要求；而普通42CrMo材料生产的双头螺栓数值比较低，并且其中的一个产品的断面收缩率数值不合格，这批产品试验判断为不合格。

（2）从化学元素组成来看：最主要的区别在于Mo元素的含量，B7材料的含Mo量达到0.19%，而普通42CrMo材料含Mo量仅为0.16%，刚刚达到材料的要求，钼元素的增加，主要功能是细化晶粒，增加了韧性；在上面实例的数值中，可以充分地说明上面的理论分析。

（断面收缩率是机械性能四项指标中，是最容易出差错的指标）。

（3）Mn元素略微增加，对提高强度性能起到积极的作用，Mn元素的不足之处，由于Mo元素的含量的增加，起到弥补作用。

（4）S 、P元素：杂质元素的减少能够提高材料的韧性；B7材料P元素含量的减少，对提高材料的塑性起到积极地作用。

3．12.9级螺栓材料选择：12.9级的螺栓，如果有冲击韧性要求的，建议改用三元素合金材料，这样性能比较稳定，例如我国牌号：40CrMoMn，40CrNiMo等等比较适合。

12.9级的螺栓，材料选择余地比较小，如果不偏重考虑到韧性及低温冲击值，那么用42CrMo类型材料即可，但目前采用12.9级的产品的要求均很高，许多产品有低温冲击的要求。

以风机配件为例，12.9级的紧固件，在﹣40°C低温下，冲击值必须≥27J。

因此必须采用了多种合金元素的结构钢，目前我国采用的只是40CrNiMo，而国外使用的CrNiMo类型的多合金元素的材料有许多种，可以有效地进行选择。

下列是国内外常用的几种牌号。

（图见表四）图表四：国内外常用CrNiMo类的材料从上面一组类似成分的材料组成来说，德国材料含铬量比较高一些；美国材料的含镍量略高，其他元素的组成的成分区域基本相近，但在材料使用过程中要注意四个方面：（1）.国外的铬，镍元素含量略多，这样，有效地提高了材料整体的强韧性，尤其是对低温冲击值的提高起到了积极作用，由于Cr和Ni元素价格贵，资源稀缺，我国一般控制在下限。

因此，在性能上存在一定的差异，Ni、Mo元素下限值会影响低温冲击韧性的数值。

（2）.美标CrNiMo类的材料有一系列牌号，针对不同的技术要求、不同规格的杆径可以有效地进行针对性的选择，而我国CrNiMo的材料牌号比较单一，仅仅只有两种，选择余地较小。

（3）. Mo元素的范围，美国、德国的上差范围比我国的材料有了提高；而且美国、德国从实际需要出发，材料中Mo元素的含量都制定在中间数值范围，我们国家大部分的钢铁企业，为了效益的最大化，Mo元素控制在下差的范围。

（4）.由于我国CrNiMo的材料的使用很少，这种材料不仅市场上难买，而且每批材料成分差别比较大，低倍组织也不理想，因此对产品达标率带来一定的问题。

（5）.由于很少使用CrNiMo的材料，一般热处理厂家对40CrNiMo材料热处理工艺实践少，多种合金元素的相互作用及怎样能够充分发挥各种合金元素的作用理解不深；因此，热处理工艺难以掌握。

由于材料批次不同、材料的成分差别，引起热处理后产品性能的波动，会直接影响到紧固件的性能；因此，如果以强度为主的产品，12.9的产品完全能够做到；但要求强度、韧性综合性能高的紧固件产品，难度较大，建议慎用12.9级。

例二．客户要求我们公司生产的M27X340的12.9的双头螺栓，经过各项性能测试，数据已经出来，情况如下：（一）检测情况1．机械性能：合格Rm 1280 1280 1280Rp0.2 1220 1200 1210A 12 12 12Z 48.5 49.5 482．-20℃低温冲击： 20J 24J 25J 平均22J3．硬度：检测了12点，最高值HRC41.5，最低值HRC39.5 平均值HRC40（二）性能数值指标分析：机械性能指标来看，达到了技术要求。

由于强度要求高，韧性必然会降低，-20℃平均低温冲击值只有22J。

根据材料与机械性能分析，在客户技术图审核中，我明确写上“不能有低温冲击要求” ，然后再签字，经过实际试验证明我的判断完全正确。

因此今后在类似问题上，大家必须注意客户提出的条件，进行综合分析，再作出判断！去承接客户定单。

4.热处理设备的选择：网带炉的局限性：适应于大批量、小规格、普通等级的产品，不适应于高等级大规格的产品，主要是加热方式存在一定的问题。

12.9级螺栓，可以采用丰东或者德国易卜生的箱形可控气氛的多用炉生产。

这款炉子的加热方式作了很大改进，能够对有效直径比较大的产品，在热处理加热时，心部组织热量进行有效传递，有利于材料内部充分地加热和组织成份的转变与均匀化。

5.制造工艺：先热处理后滚丝，容易产生缺陷，要先热处理—→表面磨削—→滚丝，质量可靠。

原因：表面容易产生脱碳与增碳，对螺纹强度产生严重影响，尤其在成品安装后，应力状态多变，影响螺纹间的结合强度，严重的会产生断裂。

二．热处理工艺1．热处理加热淬火：(1) 奥氏体化的原理：产品加热—→奥氏体初始（形核，组织开始转变）及条件(温度)—→合金碳化物开始溶解（温度、成份）—→奥氏体组织转变完成—→均匀化（组织与合金元素）—→开始长大。

时间选择是淬火质量的关键，一般来说是在是均匀化中期淬火冷却；过早淬火冷却，组织转变不充分，尤其是合金元素没有充分溶解到材料各个区域，影响性能；如果组织与成分均匀化完成，奥氏体组织粗大，也会影响性能。

(2)淬火冷却，完成奥氏体到马氏体的组织转变是瞬时的，如果瞬时冷却不充分，就会存在非马氏体组织，严重影响产品性能。

冷却介质，冷却温度，冷却均匀性，这些很容易忽视的问题，但是忽视了任何一方面，都会带来一定的隐患。