高强度紧固件材料的技术特性

   我国紧固件行业在二十年的发展历程中，进过改组、整合、交流、投入、扩张、引进，实现了迅猛的发展，目前，无论是紧固件的产量，还是出口量，均为居世界第一。紧固件行业的发展，遵循了技术发展的道路，产品的技术含量逐步提高，产品升级换代步伐不断加快：一方面，产品由原来的小规格、低强度、低附加值的标准件，逐渐的向高精度、高强度、异型件方向转化，迈出了紧固件发展的坚实台阶；另一方面，紧固件产品逐步向中高端发展。紧固件产品的提升对钢铁材料也不断提出新的要求：首先，由建国初期普碳钢、中碳钢产品向中碳、低碳合金结构钢发展，目前行业内普遍采用多元素合金钢；其次，紧固件产品中不锈钢产品的产量、品种也日益增加。据有关资料显示，我国不锈钢紧固件的产量已占世界不锈钢紧固件总产量的三分之一，五大类型不同牌号的不锈钢已经被广泛采用。因此，相应地对材料的牌号也不断进行更新换代，对材料技术性能不断地提出了新的特性要求。

当前，我国高强度紧固件产量逐年提高：对高强度紧固件所需材料的质量要求也不断的提高。我国大规格高强度紧固件用材基本上是两大类型：一类是硼钢为基础的高强度用材，另一类是铬钢为主的多元素合金钢。

一、硼钢的发展、应用及其特性：

1、硼元素的特点：

   硼元素是非金属元素，它的化学活动性非常强，可以在金属元素中发挥积极的作用。我们必须了解其活泼的特性，抑制不足之处，以发挥硼钢的特性。

⑴硼元素加入材料，能够显著提高材料的淬透性，微量的硼起到的作用就十分显著，热处理后能够提高材料的强度与硬度，可以起到一些合金元素的作用（例如Cr，锰），因此得到了广泛的作用。

⑵硼钢中的硼元素必须固溶在材料的基体中才能发挥积极作用。而硼元素容易与材料中的氮，氧等杂质元素化合，形成夹杂物。减少基本中的硼，淬透效果会减弱，因此，硼钢中必须有铝、钛、铌、钒等元素，与夹质元素化合，保持硼在基本中固溶，增加材料淬透性与强度。

⑶硼元素一般添加在低碳、中碳钢合金材料中，这样硼的作用更显著。含碳量大于0.6%，硼元素的作用明显减小，含碳量超过0.8%，硼的作用影响力很小。

⑷硼元素的添加量要严格控制，一般硼元素的添加量在0.0005%-0.005%范围内，少于0.0005%，淬透性、强化效果不明显，大于0.005%，硼元素过多，会造成材料的脆性，降低强度。

2、硼元素的应用沿革：

 硼钢在欧美研究应用得比较早，美国在二十世纪三十年代开始研制，主要是为了降低Cr、Mo、V等贵重合金元素的消耗，达到节约的作用。在四、五十年代，硼钢系列材料已经初具规模，美标SAE、J294的强度标准中，5.1和8.1章节，是专门针对硼钢强度要求的标准。

我国对硼钢的研究始于五十年代，在六十年代硼钢系列已经有20M2B、20MnTiB、20CrMB,40MnB等三十多种硼钢材料牌号相继出现，但是应用范围比较窄，仅停留在中小规模的一般强度要求的产品。在八十年代大冶特钢开始研制35VB材料，硼钢应用领域开始拓展，被广泛应用在10.9级钢结构大六角螺栓领域，随之高强度紧固件迎来迅猛发展。钢结构大六角螺栓的材料，根据GB1231标准推荐的材料分别为20MnTiB和35VB两种。

3、20MnTiB主要合金元素成分

Ti 元素能够有效地提高材料的综合机械性能，特别是能够提高产品的冲击韧性、缺口强度和高强度紧固件楔负载强度；能够有效的在高温状态下组织晶粒长大。Ti元素容易与材料中的杂质元素化合，能保护基体中B元素的固溶量。Mn元素是最常用、最经济的合金元素，能够提高材料的强度和淬透性。Ti元素还能够有效地阻止Mn元素量增加而引起的脆性。因此20MnTiB的低碳多元素的相互作用，使20MnTiB低碳合金钢，具有良好的机械性能和工艺性能，热处理后的疲劳强度、变形量，都能有效地控制，尤其是渗碳后的弯曲负载与缺口敏感性比较好。

20MnTiB属于本质细晶粒钢，在较长时间、较高温度下渗碳，材料依然能保持细晶状态。20MnTiB广泛应用于紧固件的渗碳件。但20MnTiB中由于其他添加合金元素较少，淬透性比较差，一般淬透直径为14-25mm，因此，只能在小于M24规格的产品上应用。

由于20MnTiB的特性，渗碳淬火后表面硬度提高，心部保持一定韧性，而且热处理后处理后材料的晶粒度细小，广泛应用在中等负载要求的汽车中小零件、紧固件、渗碳件等产品。但是由于淬透直径只能达到在25mm左右，因此，不能在大规格的产品上应用。最近从供应商采购DIN911标准的M30X210六角螺栓，由于规格比较大，尽管抗拉强度达到数值要求；但是由于材料的原因，屈服强度没有达到抗拉强度90%要求，而且绝对数值也没有达到940Mpa，产品不合格（见图一）。

国家标准件产品质量监督检验中心

检验报告

以下空白

  ★图一M30X210六角螺栓的检测报告

 4.35VB主要合金元素成分

  35VB材料中的V元素能够增加材料淬透性，提高产品的强度，V在材料中能够起到细化晶粒度得作用，而且能够使碳化物细小、弥散、均匀地分布，因此材料的韧性与强度配合比较理想；35VB中V细化晶粒、热处理的性能稳定、淬火后能够得到马氏体的晶体比较细小；并且钒能够提高回火稳定性，克服磷在钢中引起的冷脆，使产品在回火后的抗弯强度明显提高。与硼元素配合使用能够有效地增加淬透性，提高产品的强度和机械性能，因此35VB具有成分稳定、有害元素低、钢质纯洁度高、脱碳层小、表面缺陷少等优点。由于综合性能良好，35VB是≤M30mm钢结构大六角螺栓推荐材料。

35VB适用于生产10.9级高强度钢结构螺栓，制造的产品具有较高强度、高冲击韧度、高疲劳强度及高缺口强度。但是，如果添加元素成分不合格会大幅度降低产品的性能，甚至产生严重的质量问题。

例一．   M27大六角螺栓的断裂分析：

   在某公司撤叉安装过程中，有个别螺栓产生缩颈拉长的现象，其中一个螺栓缩杆后产生断裂状况，而且断裂异常。

断裂的螺栓，断裂的部位发生在螺栓与螺母的旋合处的下方，断裂部位的螺栓螺纹牙距拉长，并产生比较明细的缩颈现象。我们对断裂的螺栓进行了各项性能的检测与分析；

⑴宏观断口分析：

a)从宏观的螺栓照片上可以看到，螺栓在螺纹处断裂，断裂处有严重的缩颈现象，螺栓螺纹的大径约 26.79mm，断裂后螺栓的直径只有 17.80mm，断面收缩率达56%，而钢结构的螺栓标准要求≥42%即可。由于塑性过大，带来强度不足的后果。

b)在六角螺栓的断口处可以清晰地看到断面有三个部分，外圈部分颜色呈灰黑色（是渗碳够组织）表面组织结构致密；中间环层黑褐色，是调质后的组织状况；心部组织是灰白色，在外面组织有明显的区分.

⑵硬度分析：

将断裂试样做硬度分析：离表面2mm硬度为HRC34；1/4R处硬度为HRC31：中间硬度仅为HRC26。三项硬度测量分析可以说明，产品硬度的要求值没有达到GB3098.1的技术要求；尤其是心部组织，存在组织没有充分转变的状态，从图二可以看到心部组织存在没有淬透，硬度分析、楔负载试验、宏观断口分析情况一致；因此机械性能会出现强度大幅度下降。在安装过程中，当拉力负荷接近要求的数值时，由于强度不足，出现了不正常的伸长，进而导致螺栓断裂。这说明了产品在材料或热处理两项中，存在不完善的情况，从而造成产品性能没有达到技术标准的要求。

⑶再次楔负载试验：

按照楔负载的标准，负荷应在477-569KN的范围内，我们又进行了一组（8个）楔负载拉力试验（见表四）。

★表四  楔负载试验数值

     试验下来，4号试样数值为446KN，7号试样数值为472KN，均没有达到≥477KN的最低拉力的要求，两个不合格六角螺栓与现场安装出现的情况是同一现象，没有达到正常产品的断裂现象；变形量比较大，是比较典型的强度不足的塑性断裂状况。

⑷断口分析

从断口上可见表面组织与芯部组织存在明显的差异，中间存在白色区域，硬度比表面低HRC8度，说明芯部组织转变不充分，因此强度比较差，没有达到技术标准的要求，显示出均没有达到最低拉力的要求；其次断口的组织是纤维状断口，在边缘区域有很长一段的断裂的剪切唇口，是属于比较典型强度不足韧性断裂的状态。

⑸化学成分的分析对比：

    对楔负载试验没有达到技术要求的两个试样材料，我们把它们送到钢铁工艺技术研究所进行了化学成分化验（见表五）

★ 表五  不合格六角螺栓化验报告

从化验结果可以看出：硼元素存在严重偏差，4号试样硼元素的含量只有0.0009，没有达到标准要求，7号试样的硼元素是0.001，在公差极限范围内。其余各元素均在材料要求的范围内。

35VB是中碳合金钢，合金成分中的钒、硼是主要的添加元素；钒能细化晶粒，在钢中能显著地提高合金材料的强度与韧性，并且在调质钢中能有很好的回火稳定性。

硼元素能显著的提高钢的淬透性与材料的强度，硼元素提高钢的淬透性效果明显；但硼含量太少，会直接影响到产品的淬透性，因此，形成中间区域组织转变不充分、不完善，材料性能达不到产品的要求：硼的含量须掌握在规定范围内，这是大冶特钢经过反复研究和试验，得出的经验值。35VB的硼含量控制在0.001-0.004之间范围内比较恰当，并制定了规范性的标准。

这批钢结构大六角螺栓出现缩颈并且一步产生断裂的主要问题所在是含硼量太低，4号试样含硼量仅0.0009%，而7号试样含硼量为0.001在下极限内，由于硼的添加量本来很微量，当硼元素在钢材中含量不到标准或偏少时，会严重影响材料的淬透性和材料的强度；由于合金钢没有充分淬透，引起的后果是：导致材料的心部组织硬度低，螺栓总体强度下降。因此，楔负载时，如果没有达到规定的负荷，会产生断裂，这就是，这批量M27大六角螺栓产生断裂的主要原因所在，从以上例子可以看到，硼元素在材料中含量不足会引起消极作用，进而引起产品强度不足的断裂。

二、不同类型42CrMo材料中，微量合金元素变化对产品性能的影响：

1.42CrMo材料的性质及各国材料牌号:

42CrMo材料强度高、淬透性强，并且有较好的韧性，是比较常用的合金调质钢。42CrMo淬火时变形小，在高温使用时是有较高的蠕变强度和持久强度。

42CrMo材料和性能与35CrMo钢相近，由于碳和铬含量的增高，因而42CrMo强度和淬透性均优于35CrMo。42CrMo一般适用于调质后采用。调质处理后，有效高的疲劳强度和良好的抗击能力，并且调质处理后没有明显的回火脆性，因此低温冲击韧性良好。

42CrMo材料一般用于制造比35CrMo强度要求更高、断面尺寸较大的重要零件；如轴、齿轮、连杆；变速箱齿轮、增压器齿轮、发动机汽缸；弹簧夹、石油钻杆夹头等零件。由于42CrMo材料具有良好的特性，目前风能发电机的叶片连接、塔筒连接、机箱连接用的紧固件，都普遍采用42CrMo材料。

    42CrMo是世界各国广泛采用的材料。各国采用的42CrMo类型的材料中，尽管名称不同、牌号不同、种类繁多；但是材料中各种元素的组成和合金元素的含量的要求基本相同，以下的表六中可以看出：

★表六 各国42CrMo材料中各种元素的含量

材料不同对各项机械性能的影响很大，我们公司在2005年是采用普通的42CrMo的材料做双头螺杆，在双头螺杆技术要求中除了机械性能常规四项指标必须达到标准外，还必须达到低温（-40℃）冲击值≥27J的要求。同时达到各项性能，对材料和热处理均有一定的技术要求。强度与韧性是一对矛盾；如果强度指标比较高，低温冲击值就难以达到要求，但如果偏重低温冲击值，有时会达不到强度的指标要求。在生产初期中采用普通的42CrMo材料，经过检测后，往往会出现性能指标偏差，而且-40℃冲击值出现不合格的几率比较高。

为了改善产品的性能，我们分别试用了42CrMo（B7）、42 CrMoA材料，结果发现这两种材料与普通的42CrMo材料，虽然合金元素差别很微细，但是却能够明显地改善产品的性能，尤其是低温冲击韧性的数值，含钼量的提高，会有效地提升低温冲击韧性的数值。

以下是对规格为M30*2的细牙双头螺杆，采用不同类型的42CrMo，产品试样经过各项性能的测试，试验数值有较大的差别（见表七）

   对表六的一组数据，我们进行了分析，三个实验品机械性能都全部达到要求，硬度数值也比较接近，这对产品有比较强的说服力；但-40℃的低温冲击值相差比较大，普通42CrMo材料制成的产品低温冲击值没有达到技术性能的要求，而其他两类材料都达到了性能指标的要求。低温冲击数值不达标，这对风机在冬季的安全运作带来很大的威胁，我们认真仔细地分析了几种不同的材料的化学成分的组成（见表八）。

★ 表八42CrMo类型化学成分的组成

⑴42CrMo与B7的对比分析

B7是美国牌号的钢材，与我国的42CrMo的化学组成相基本一致，但是在实际材料中存在着微小差别，就是这些微小的差别，却影响了产品的性能。

钼的含量及作用：

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钢材钼的含量一般在0.18-0.20%的之间，是元素成分要求中间偏下的数值范围内，主要考虑的是保证材料的综合性能：但是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。从理论上说，达到了材料的标准要求。

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认知到钼元素的重要作用，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。这样在42CrMo的基础上，又产生了新改进型的牌号--42CrMo（B7）（见上面表格的数值）。

锰的含量及作用：

锰是添加的常用合金元素，因为比较经济适用，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；但含锰量增加后会促使晶粒长大，并增加第二次回火脆性的倾向，从理论上说锰含量要控制在≤0.8%范围内。

考虑到锰以上的优却点，我国把42CrMo的含锰量定位0.5-0.8%，而美国B7把锰含量定位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42CrMo略高，含钼量的增加对抑制锰的缺陷、降低回火脆性起积极作用，而且在钢材中多种添加元素会起到互相弥补、互相提高的作用，克服了单一元素在材料中的不足，因此锰含量的增加，不但没有削弱材料的韧性，反而提高了综合性能。

⑵42CrMoA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脱磷、脱硫的过程中，不但使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，材料韧性的提高尤为显著，-40℃的低温冲击值能够达到40J以上，个别达到60J，远远大于平均值≥27J的要求，增加了产品的可靠性。

上面三种试验是42CrMo三种类型的材料，从上面数据分析中可以看出，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低温冲击值，而杂质元素的减少对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，尤其是镍、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。

三．控制原材料保证高强度紧固件的质量

   1.保证产品质量首先要控制好原材料的质量，原材料的成分差别对高强度紧固件至关重要，必须根据产品的特征设计原材料的牌号成分，确保材料力学性能符合实际的需要。因此材料检验是先决条件，在产品投入制造前必须对合金元素及成分进行检测复核。

2．一些产品对机械性能、低温冲击性能、坑疲劳性能有一定要求的，可以按照产品需要选择其他合金结构钢来满足产品的特殊需求，例如42CrNiMo、42CrMoV等材料有多种添加合金元素组成的合金钢，这些元素在材料中会相互影响，互相渗透，互相提携，在金属结构相图中多元合金的作用比单元素、双元素的材料，性能上会有很大的提升，对使用环境恶劣、关键的零件、紧固件提供了良好的性能保障。

3.稳定供货渠道是材料质量的保障，要达到产品质量的稳定性，原材料进货渠道必须可靠稳定。

金属材料的进货，要选择具有一定规模的、与知名钢铁企业长期协作并且关系良好的、具有一定实力的材料供应商。这是保证高强度紧固件质量的前提条件，是产品质量稳定必要保障。

4.有规模、产品稳定、特殊材料产品的制造商产品用料需要量大，而对材料元素组成要求高，可直接向钢厂订立供货材料的技术协议来满足产品的特殊需求。在风机配件的制造对韧性有较高要求，我们对钢材组成与冶炼方式与钢铁厂协商，订立了技术协议，钢厂为企业用钢精工细作，在协议材料产品供货期间，公司风机产品质量稳定，产品各项技术性能好，没有发生过材料问题引起的产品的制造热处理不当，进而影响产品的稳定性、优良性及公司的信誉（见表九）

风机用42CrMo（B7）钢材技术协议

本协议规定了42CrMo（B7）钢的化学成分、尺寸、外形及允许偏差、冶炼方法、力学性能、表面质量、低倍组织、交货状态等技术要求。

1.  化学成分

1.1钢的牌号42CrMo（B7），化学成分应符合下表的要求（%）：

注：Als仅作为内部控制，不作出厂判定依据。

1.2钢材化学成分允许偏差应符合GB/T222-2006(钢的成品化学成分允许偏差)的规定。

2钢材的尺寸、外形及允许偏差等执行GB/T702-2004的有关要求，尺寸允许偏差按2组的要求执行。

3冶炼方法；电炉（转炉）    LF炉精炼      VD真空脱气。

4钢材低倍组织应符合GB/T3077-1999中优质钢的要求。

5力学性能

5.1钢材的力学性能按下表的要求检验，结果计入质保书，不作判定依据。

5.2每炉检验3个-20℃低温V型冲击，要求Akv≥27J。

6非金属夹杂物每炉取3支试样，各类夹杂物A、B、C、D的合格级别分别不大于2.5级。

7钢材的奥氏体晶粒度≥5级。

8钢材做塔形发纹检验，每炉取2支试样，结果仅供参考。

9钢材表面质量应符合GB/T3077-1999中供压力加工用钢材的规定。

10钢材为以热轧状态交货，交货长度应在合同中注明，允许有5%的非定尺交货，长度偏差为+50mm。

★  表九风机用材料的技术协议

金属材料的品质是高强度紧固件技术性能的保障，是紧固件产品的质量第一环节，必须严格控制，才能确保产品使用安全。在机械制造业，高强度紧固件只不过是其中的小零件，但是却十分重要的环节。近些年来不断有紧固件失效造成的机毁人亡事故，因此广大使用者也日益认识到高强度紧固件对制造业地重要性。

要提高紧固件的技术性能和使用安全性，材料是首要环节，必须认真选择好材料的牌号，控制原材料的成分。