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