浅谈摩托车高温用耐热钢紧固件的热处理

李绪淼

摘要：随着21世纪科技突飞猛进的背景下，我国高强度紧固件的开发研究有了一定的进步。马氏体型耐热钢紧固件是指具有较好的热稳定性和热强性能，在摩托车发动机使用，可以达到更高设计应力，减轻摩托车自身重量，各类材料选择不同的热处理工艺得到的显微组织，对紧固件的力学性能起着重要作用。

关键词：摩托车;耐热钢;紧固件;热处理

引言

我国近几年对不锈耐热钢和镍合金紧固件产品从品种、规格各方面都形成了一定量的需求，但是某些材料依赖进口，紧固件产品的功能特性还不能有效满足装备需要，产品的稳定性及可靠性仍有差距。汽车车辆、轨道交通、海洋工程、燃气轮机等领域和重大装备对不锈耐热钢紧固件的需求日益增长。在摩托车发动机组装不可或缺的螺纹连接上，在提出了轻量化的要求后，势必追求更高设计应力，更加合理的紧固技术。为了减少高强度紧固件氢脆断裂的危险，而采用不锈耐热钢制造发动机螺栓，是使用最有效的措施之一。

1紧固件用马氏体型耐热钢牌号

马氏体型耐热钢是指具有较好的热稳定性和热强性的钢，如20Cr13、22CrMoV12和40Cr10Si2Mo等钢在高温下具有较高的强度，又称马氏体型不锈钢。都是发动机上重要紧固件材料，工作时要承受较高的机械负荷和热负荷。

摩托车用发动机上的M5～M10连接螺栓要求有足够的高温强度和耐磨性能，良好的抗氧化性和抗燃气腐蚀性，较高的热传导率和较低的膨胀系数，以及优良的冷热加工和焊接性能，发动机上的螺栓材料应按照螺栓的工作温度、工作环境及耐久性要求来选择。

2高温连接紧固件热处理

2.1高温连接紧固件热处理工艺

高温连接紧固件尽管有大量的含镍、含铬的耐热材料牌号选择，但是还必须通过正确的热处理手段，才能更好地发挥耐热钢的功能。可以说，热处理生产是提高高温连接紧固件品质和使用可靠性的重要保证。

2.2高温连接紧固件材料特质

马氏体型耐热钢是指具有较好的热稳定性和热强性的钢，20Crl3、30Crl3不锈钢的最低含铬量是11，7%，考虑到碳和铬的结合成碳化铬这一客观存在，为保证钢中的铬与碳化合后仍能保持耐腐蚀所要求的最低限度，规定不同的含碳量主要出于机械性能的考虑。这类钢因稳定奥氏体元素的作用占优势，钢的组织也因之发生变化，它们在加热与冷却时具有a Fe→y Fe的多型转变，加热时可形成奥氏体，此奥氏体仅存在与高温，冷却时则发生y Fe→M转变。由于铬显著的降低钢的临界淬火速度，Cr13型不锈钢自高温加热后在空气中冷却就可以得到马氏体组织。20Cr13钢的淬火温度在920°C～1000°C之间、30Crl3钢含碳量较高，组织中碳化物业就比较多，为使碳化物在淬火加热时溶解得充分，提高淬火马氏体的硬度和耐腐蚀性能，通常采用的淬火温度比较高为1000℃-1050℃之间，450℃～700℃高温回火后的Crl3型不锈钢，基体组织转变为回火索氏体，强度、塑性及冲击韧性等综合机械性能最佳，且耐腐蚀性能也较高。

ML41CrMoV和40Cr10Si2Mo钢，在高温下具有较高的强度，是发动机上重要螺栓材料，工作时要承受较高的机械负荷和热负荷。采用真空炉氮气保护加热，淬火+高温回火（调质热处理），淬火温度分别为880℃-910℃和990℃-1010℃油冷;回火温度分别为：670℃-710℃和690℃-730℃，加热必须满足奥氏体均匀化，以达到高强度螺栓的技术要求。

14Crl7Ni2钢在成型后须通过热处理以获得优异的综合性能。在调质状态下，材料的显微组织中主要有8铁素体、残余奥氏体、马氏体及碳化铬析出相，这些相的形态、分布和比例决定了钢的力学性能。一般情况下，马氏体相和少量碳化铬析出相共同作用达到强化材料的效果，而过多的8铁素体相和碳化铬析出相将降低材料的塑性和韧性。

14Crl7Ni2钢淬火温度为960℃-990℃，回火应避开脆性区475℃～550℃。淬火后的正常组织是马氏体+8铁素体，当淬火温度过高时，会诱发钢中8铁素体与残余奥氏体含量增加，降低冲击韧性值;当降低淬火温度，奥氏体化不完全，淬火后组织内残留大量奥氏体，影响抗拉强度和硬度。而对于大规格直径螺栓最佳热处理工艺，淬火温度为1040℃;560℃回火的组织为回火索氏体和少量淬火马氏体，在相邻晶粒之间均匀分布少量块状8铁素体，含量小于10%、呈分散分布，抗拉强度值约为1 190MPa，冲击功大于49J。而在600℃回火后碳化铬含量会显著降低，其抗拉强度也会随之下降，对于10.9级高强度螺栓回火温度应选择在580℃～610℃。

回火保溫时间的延长有利于碳化物的析出和马氏体相回火索氏体的转变，使材料组织更加均匀化，综合力学性能得到改善，在调质前进行高温回火预处理无法消除和改变8铁素体，但通过调质改变组织形态可以提高冲击韧性。若在高温下重复回火会降低14Crl7Ni2钢冲击韧性，这与组织中晶界上cr、Fe碳化物和合金元素（si、Mn等）的析出有关，必须尽量避免。

2.3高温连接紧固件热处理金相组织

摩托车马氏体不锈耐热合金钢材料的紧固件，经调质处理后，基体组织为回火索氏体。根据材料类型和热处理工艺的不同，30Crl3和20Cr13钢为回火索氏体+少量铁素体;14Crl7Ni2钢为回火索氏体+颗粒状碳化物+少量块状铁素体;ML41CrMoV和40Crl0Si2Mo钢为回火索氏体+少量铁素体。

3结束语

总而言之，摩托车发动机高温连接紧固件主要其失效往往引发较严重的功能甚至安全问题。螺栓、螺钉、螺柱与螺母的配合选择应满足制造材料的一致性，按照GB/T3098.8的规定，螺母和与之配合的螺栓、螺钉、螺柱材料强度比值应大于0.7，以免发生高温松弛，保证其质量。