高强度螺栓材料的选择

2022-01-04闻杰

机电产品开发与创新 2021年6期

闻杰

（伍尔特（上海）工业紧固件有限公司，上海 201315）

0 引言

由GB/T 3098.1—2010 里第6 章表2 可以看出，标准对材料的要求很宽泛，具体到元素上，明确有含量定义的只有4 大元素：碳、磷、硫、硼。标准对8.8 级及以上的产品，默认的是调质产品（淬火加高温回火），本文将主要讨论调质类产品的材料。

对于材料，不管是制造方还是使用方，大家都会习惯性的查询相关标准对材料的定义和要求。当然，针对螺栓螺钉类产品，业内人士自然会查阅GB/T 3098.1—2010里第6 章表2。

1 GB/T 3098.1—2010 表2 对材料的要求

众所周知，碳是铁碳合金的第一大重要元素。国标中各类钢的牌号开头的数据就是以碳含量的万分比来命名的。碳含量应在一定的范围之内，过低则出现机械性能不足或无法通过淬火提高硬度和强度，过高则产品最终无法获得足够的韧性。磷和硫在基调上属于有害元素，基本上只定义了最大值，只是在使用易切削钢制造的产品中，考虑了切削性能而适当做了放宽。硼是属于少量添加即可提高淬透性的元素，但硼不能完全取代其他的合金元素（锰的添加虽然可以提高强度和淬透性，并降低硫产生的热脆性，但锰含量提高后会影响热处理后的晶粒度并增加回火脆性的风险，因此锰在此标准中不足作为主要合金元素）。

那么，是不是可以出于成本的考虑，只要使用了四大元素符合了表2 所列的范围的材料，产品就能满足GB/T 3098.1—2010 的要求了呢？答案肯定不是。仅仅四大元素符合表2 所列的范围，机械性能很难满足GB/T 3098.1的要求。

我们不能只看表内的元素含量，我们不能忽略以下两点：①虽然表里面只列了4 大元素，但在总体上，从8.8级起，表2 就给了使用合金钢淬火并回火的选择，脚注g 已经提到可能用到的铬，镍，钼，钒，四类常见的合金元素。并且脚注f 提到，材料应有足够的淬透性，确保螺纹截面的芯部能淬硬，回火前能获得约90%马氏体组织（添加合金元素是有效提高淬透性的方式）； ②表2 的最后一列对最低回火温度的要求。其实，GB/T 3098.1—2010 里，几乎所有的调质产品的机械性能要求，都是围绕这两点展开的。能满足所有机械性能要求的前提，就是材料具有足够的淬透性以获得90%的马氏体组织，并且符合最低回火温度的要求。

那么，何谓淬透性？这个名词，在GB/T 3098.1—2010里，除了表2，几乎没有别的更深入的阐述。但是，它却是所有调质类产品的灵魂。

1.1 淬透性的概念

淬透性（hardenability）是指钢在一定条件下淬火时获得淬硬层（马氏体层）的深度。业内的测试方法主要有：末端淬火法（硬度法）和临界直径法（金相法）。

图1 末端淬火法示意图

方法阐述：将使用所测材料加工成的指定尺寸的样件加热完全奥氏体化后，在其一端喷淋冷却，在距离喷淋端每隔一段距离测试硬度（HRC），然后用测试到的距离喷淋端不同距离的硬度值，绘成硬度分布曲线。以横坐标表示距离喷淋端的距离，纵坐标表示硬度。

以下是典型的淬透性曲线（以国内常见的45# 钢和40Cr 为例），见图2。

图2 淬透性曲线

我们不难读出：两种材料在喷淋位置的硬度接近，都是HRC60 左右；而45# 钢在距离喷淋位置3.2mm 处硬度降为HRC42，40Cr 在距离喷淋位置12mm 处硬度降为HRC42。显然，40Cr 的淬透性优于45# 钢。

如果我们用同样的试验方法，在不同牌号的材料之间做比对，我们可以得到碳元素和其他合金元素对材料的淬透性的影响如图3 所示。横坐标仍表示距离喷淋端的距离，纵坐标表示硬度。

图3 碳元素和其他合金元素对不同材料的淬透性的影响

图3（a）是碳含量接近，但合金元素含量不同的材料之间的比对；图3（b）是合金元素含量相当，但碳元素含量不同的材料之间的比对。

我们可以得出一个结论：碳含量决定了马氏体组织的最大硬度（淬硬性），而合金元素的含量，决定了获得的马氏体组织的深度（淬透性）。（图中的材料牌号属于欧洲标准的牌号）。

淬透性的另一个测试方法，临界直径法，是指能在芯部获得50%的马氏体组织的试样的临界直径。当然，这里对试样的淬火方式是浸入式淬火，不是末端喷淋。该方法是金相法，由于参考的组织是50%的马氏体，和GB/T 3098.1—2010 对组织的要求不完全一致，所以本文不对此方法做更进一步的解释。

1.2 马氏体组织

我们都知道，合理的金相组织，是实现所有的机械性能的基础，对于调质产品，这点更为突出。对于钢铁类材料，硬度和强度最高的金相组织是马氏体组织，这类组织可以通过淬火实现。但对于紧固件成品，除了硬度和强度，还需要有足够的韧性和耐冲击性。因此，需通过回火来细化晶粒度，降低晶格间的应力，使得成品具有较好的综合机械性能。高温回火后的马氏体组织，又称回火索氏体。

图3 是一组典型的90%马氏体组织回火之后的金相图片，图4 是马氏体含量不到90%的组织回火后的金相图片（螺纹截面1/2 半径区域，3%硝酸酒精溶液腐蚀后，500 倍放大后的形态）。

图3 使用42CrMo 材料生产的GB/T 5782 M24×100 等级为10.9 的产品所获得的90%以上马氏体的回火组织

图4 使用45E 钢生产的GB/T 5782 M24×100 等级为10.9 的产品获得约50%马氏体的回火组织

我们很容易看出，缺少合金元素的材料，冷却速度不足，淬火后在螺纹截面处的1/2 区域很难获得90%的马氏体组。并且，前者测出的机械性能全部符合GB/T 3098.1—2010 的要求，而后者体现出的特性是：在螺纹截面上1/2半径区域内（见GB/T 3098.1—2010 9.9.4.2 图8，下同）测到的硬度平均值HRC31，低于标准的最低HRC32 的要求，并且在该区域内，硬度差异超过了HV30，成品拉力实测1045MPa（勉强达标）。

以上，粗略说明了淬透性和90%马氏体组织的重要性。

2 GB/T 3098.1—2010 中机械性能对材料的约束

本文的第一章，粗略阐述了GB/T 3098.1—2010 对材料的要求。那么，标准里定义的机械性能，哪些是围绕着材料和淬透性及金相组织展开的呢？

2.1 芯部硬度的差异性

GB/T 3098.1—2010 的9.9.5，对硬度的技术要求：对热处理紧固件，在1/2 半径区域内测定的硬度值之差，若不大于30HV，则证实材料中马氏体已达到90%的要求（见表2）。对这段文字，大家千万不要忽略。这段话在ISO 898.1-2009 中9.9.5（2013 版相同章节中的阐述一致）表述实际上是要求了该区域的硬度差异不得超过30HV，否则需要验证热处理后的马氏体组织确实达到了90%。这实际上是对材料淬透性的要求。

2.2 表面/芯部硬度的差异

对表面/芯部硬度的差异的要求，GB/T 3098.1—2010中有两处陈述：

（1）机械性能汇总表3 的脚注h：当采用HV0.3 测定表面硬度及芯部硬度时，紧固件的表面硬度不应比芯部硬度高出30HV 单位。

（2）9.11.3.4 对表面硬度的技术要求中：表面硬度值应等于或小于基体金属硬度值加上30 个维氏单位（HV0.3）。

虽然这两处强调的表芯硬度的最大差异，基调上是针对避免增碳的要求，但实际上同时对材料的淬透性提出了要求。试想：若材料淬透性不足，1/2 半径区域无法获得90%马氏体组织，即使产品表面不存在增碳，表面/芯部硬度的差异仍会超30HV 单位。如，本文图2 中的产品，表面/芯部硬度差异达到了45HV，且表面不存在增碳。

2.3 最低回火温度和再回火试验

众所周知，仅经过淬火的钢铁件，虽然因获得了一定量的马氏体组织而具备了较高的硬度，但由于未回火的马氏体晶粒相对粗大，且晶格间存在应力，产品几乎没有韧性。紧固件韧性的要求，见GB/T 3098.1—2010 中的断后伸长率和断面收缩率，表3 中项目6、7、8。

淬火马氏体只有经过了回火，晶粒才会细化，晶格间应力才会被消除，韧性才能得到提高。表2 定义的最低回火温度，是对表3 中韧性的保障。但，众所周知，回火后，韧性增加的同时，硬度和强度也会降低。事实上，淬火后马氏体含量不足90%的产品，经表2 的最低回火温度回火后，硬度和强度极易跌破表3 规定的范围。那标准为何要定义最低回火温度呢？这关系到GB/T 3098.1—2010 的一个基本问题，符合本标准的产品，应用的温度范围是-50℃～150℃，也就是说符合本标准的产品，在150℃的温度下，机械性能不得出现低于标准的下降（150℃～300℃之间的温度，可协商使用）。因此，只有在足够高的回火温度下，晶粒得到足够的细化，晶格间的应力得到足够的释放，才能保证在150℃下不出现机械性能的二次下滑。

那么，如何在成品上验证回火温度满足了表2 的规定呢？这就涉及了另一个测试项目：GB/T 3098.1—2010的9.12 定义的再回火试验。

简短的表述该试验的要求：在热处理的产品上，距离螺纹尾端一倍直径的距离处切开，在截面的1/2 半径区域测试硬度，三点取平均；然后将试样在低于表2 定义的最低回火温度10℃的环境里保持30min，然后重新在1/2半径区域内测试硬度，三点平均。后者的硬度值不得低于前者的硬度值减去20HV。

若以上测试不通过，则可确定产品的回火温度低于了表2 的要求。客观原因是产品没有获得足够百分比的马氏体组织，只能降低温度回火，以使得最终硬度仍能处在表3要求的范围内。而获得了90%马氏体组织的零件，在表2 的最低回火温度下，硬度不会降低，再回火试验则可通过。

2.4 冲击试验

对冲击试验的最直观的理解就是考察产品耐冲击性的试验。作为应用方，很多时候需要产品能具备承受一定的冲击载荷，尤其是在环境温度较低时，一般的钢铁材料可能会出现冷脆现象。作为标准的紧固件（5.6 级、8.8 级、10.9 级产品，公称直径大于等于16，总长度≥55mm），必须要保证低温冲击功≥27J。（按照GB/T 3098.1—2010 中9.14 的要求：在-20℃的温度下，按照GB/T 229 的要求，将产品制成10×10×55 的中间带v 形槽的长方体样件，在2mm 的摆锤刀刃的冲击下，样品被冲断所吸收的能量必须高于27J）。

能满足这个条件的组织，仍然是经过高温回火，晶粒充分细化，晶间应力最大消除的90%马氏体组织。

本文图2 中的产品，实测低温冲击功在23J。

以上四项测试，实际上是针对90%的马氏体组织的要求，也是对材料的淬透性的要求。