? ? 摘要：用42CrMoVNb鋼研制了1300MPa級高強(qiáng)度螺栓，結(jié)合生產(chǎn)工敢對其主要力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對經(jīng)不同表面處理的螺栓進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試，分析了殘余應(yīng)力對疲勞性能的影響。結(jié)果表明，1300MPa級高強(qiáng)度螺栓在熱處理后滾絲對提高抗拉強(qiáng)度和降低缺口敏感性有利；表面經(jīng)磷化處理和“達(dá)克羅”處理對抗拉強(qiáng)度和缺口敏感性沒有影響，但降低螺栓表面滾奢或滾絲的殘余應(yīng)力并由此影響螺栓的疲勞性能，表面經(jīng)磷化處理的螺栓疲勞性能優(yōu)于表面經(jīng)“達(dá)克羅”處理的螺栓。

??? 關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度螺栓；力學(xué)性能；疲勞性能；殘余應(yīng)力

1、引言

高強(qiáng)度螺栓在汽車上的使用十分普遍，國內(nèi)目前使用的最高強(qiáng)度級別為1200MPa，即12.9級。近年來，國內(nèi)外對12.9級以上高強(qiáng)度螺栓和高強(qiáng)度螺栓用鋼進(jìn)行了多方面的研究^[1_，^2]，國外已有1300MPa級高強(qiáng)度螺栓的使用實(shí)例，國內(nèi)也因優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和提高產(chǎn)品質(zhì)量而對高強(qiáng)度螺栓提出了更高的要求。作者應(yīng)用國內(nèi)最新開發(fā)的42CrMoVNb（ADF1）高強(qiáng)度螺栓鋼，研制了1300MPa級高強(qiáng)度螺栓，對其工藝和力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2、試驗(yàn)用鋼及力學(xué)性能

試驗(yàn)用鋼為工業(yè)化試生產(chǎn)42CrMoVNb鋼，其化學(xué)成分見表1。標(biāo)準(zhǔn)試樣經(jīng)920-930℃淬火+（600-610℃）*1.5h回火的調(diào)質(zhì)處理后，其力學(xué)性能（表2）優(yōu)于傳統(tǒng)的12.9級42CrMo高強(qiáng)度螺栓鋼。另外，其耐延遲斷裂性能、缺口敏感性和疲勞性能也都優(yōu)于42CrMo鋼^[1]。

表1?試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2??試驗(yàn)用鋼的力學(xué)性能

3、生產(chǎn)工藝及試驗(yàn)條件

3．1工藝條件

1300MPa高強(qiáng)度螺栓的生產(chǎn)工藝流程：下料→加工毛坯→退火→冷鐓成型→機(jī)加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→頭部滾壓強(qiáng)化→探傷→滾絲→表面處理→探傷。冷鐓成型前經(jīng)750℃*6h退火，爐冷至500℃出爐空冷。冷鐓成型在160t閉式單點(diǎn)壓力機(jī)上分二次完成，中間不進(jìn)行再結(jié)晶退火，成型后進(jìn)行六角頭切邊；頭部滾壓強(qiáng)化在自制的滾壓機(jī)上進(jìn)行；滾絲采用國產(chǎn)滾絲機(jī)（名義壓力62kN），滾絲模為Cr12MoV鋼，硬度62??HRC。

3．2試驗(yàn)條件

試制的1300MPa級高強(qiáng)度螺栓有M12*1.25和M10*1.25兩種規(guī)格，長度為30-110mm。拉伸試驗(yàn)采用實(shí)物螺栓和標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(l₀=5d₀，d₀=5mm)，在WE-600型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)和CSS-44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上按GB/T3098.1進(jìn)行。螺栓的疲勞試驗(yàn)在Amsler HP5100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，頻率為100Hz。螺栓表面的殘余應(yīng)力測試在X-350A型X射線應(yīng)力測定儀上進(jìn)行。在光學(xué)顯微鏡下觀察栓的熱處理組織形貌。

4、試驗(yàn)結(jié)果及分析

4．1熱處理工藝和組織

由于圖1可見，42CrMoVNb鋼在600℃左右產(chǎn)生了二次硬化現(xiàn)象，并且隨著淬火溫度的提高，二次硬化的“平臺”上移，強(qiáng)度提高，但淬火溫度的提高將使得奧氏體晶粒粗大，韌性和塑性降低^[1]。因此，試制螺栓的淬火溫度為920-930℃，回火溫度為600-610℃。經(jīng)上述熱處理工藝處理后，其顯微組織為回火索氏體，晶粒度為10級。

4．2工藝對抗拉強(qiáng)度的影響

通常，高強(qiáng)度螺栓的滾絲是在熱處理后進(jìn)行，可使螺紋處獲得滾絲壓應(yīng)力，以提高螺栓的強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度，但因螺栓的硬度高，對滾絲模要求較高，而熱處理前因螺栓的硬度低，則滾絲容易實(shí)現(xiàn)。表3給出了1300MPa級螺栓熱處理后的硬度和熱處理前、后滾絲抗拉強(qiáng)度。可見，熱處理前滾絲的螺栓抗拉強(qiáng)度低于熱處理后滾絲的螺栓，其原因是，熱處理前滾絲的螺栓，在后續(xù)進(jìn)行熱處理時(shí)，螺紋處的滾絲壓應(yīng)力被部分消除所致，另外，螺紋表面減碳也會(huì)影響螺栓強(qiáng)度。

高強(qiáng)度螺栓最新表面處理方法是鋅鋁鉻涂層（Dacrotized、Dacronet）又稱“達(dá)克羅”處理，其耐鹽霧腐蝕性能高達(dá)500h以上，并且涂層不會(huì)引起氫脆，其成膜溫度在約300℃左右，厚度約幾個(gè)微米^[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明，螺栓經(jīng)表面“達(dá)克羅”處理后，抗拉強(qiáng)度無明顯變化，見表3。

表3??不同工藝狀態(tài)下實(shí)物螺栓的抗拉強(qiáng)度和硬度

4．3工藝對楔拉性能的影響

螺栓作為多缺口零件，要求具有較低的缺口敏感性。螺栓的楔拉試驗(yàn)不僅可以反映其缺口敏感性的高低，還能較好地顯示靜載缺口敏感性的差異^[4]。楔拉試驗(yàn)分別以0°、4°和6°的偏斜角度進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見圖2?？梢?，熱處理后滾絲的螺栓，經(jīng)“達(dá)克羅”和磷化表面處理后，隨偏斜角度的增加，抗拉強(qiáng)度幾乎沒有變化，并且抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。而熱處理前滾絲的螺栓，隨偏斜角度的增加，抗拉強(qiáng)度則明顯降低。這表明，熱處理后滾絲的螺栓缺口敏感性很低，熱處理前滾絲的螺栓缺口敏感性較高，“達(dá)克羅”和磷化表面處理對缺口敏感性沒有影響。

4．4疲勞性能及其殘余應(yīng)力

通過熱處理后滾絲螺紋和滾壓螺栓頭根部，使這些部件獲得表面殘余應(yīng)力，以減小此處應(yīng)力集中的不利影響，提高螺栓的疲勞性能。“達(dá)克羅”處理和磷化處理是高強(qiáng)度螺栓最常用的表面處理方法，對經(jīng)過這兩種表面處理的螺栓進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)，螺栓規(guī)格為M10*1.25。螺栓服役時(shí)通常承受拉-拉疲勞負(fù)荷，并有初始裝配預(yù)緊力，為模擬其服役特征，采用恒定最小拉伸負(fù)荷改變最大拉伸負(fù)荷以升降法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其中最小拉伸負(fù)荷即為螺栓的初始裝配預(yù)緊力。試驗(yàn)的最小拉伸應(yīng)力為451MPa，試驗(yàn)結(jié)果見表4。可見，經(jīng)磷化表面處理和“達(dá)克羅”表面處理后螺栓疲勞性能存在明顯的差異，表明經(jīng)過這兩種表面處理后螺栓的殘余應(yīng)力發(fā)生了不同的變化。為此，對螺栓的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試分析。在表面處理膜之下，螺栓滾壓部件的殘余應(yīng)力測試結(jié)果見圖3、4?？梢娊?jīng)兩種表面處理后的螺栓在基體表面處的殘余壓應(yīng)力，無論是環(huán)向應(yīng)力，還是軸向應(yīng)力，均比未經(jīng)表面處理的螺栓要小，而經(jīng)“達(dá)克羅”表面處理的螺栓殘余壓應(yīng)力最小。隨著測試深度的增大，在0.05mm處環(huán)向和軸向殘余壓應(yīng)力分別達(dá)到最大，三種表面狀態(tài)的殘余壓應(yīng)力基本趨于同一水平。當(dāng)測試深度繼續(xù)增大，三種表面狀態(tài)的環(huán)向和軸向殘余應(yīng)力均逐漸降低。顯然，螺栓表面殘余壓應(yīng)力的下降對疲勞性能不利，而“達(dá)克羅”表面處理與磷化表面處理相比，使得螺栓基體表面的殘余壓應(yīng)力下降更多，因此其疲勞性能也就更差。

與未經(jīng)表面處理的螺栓相比，磷化表面處理和“達(dá)克羅”表面處理的螺栓，除了基體表面的殘余應(yīng)力減小外，對一定深度下的殘余應(yīng)力沒有產(chǎn)生影響，這說明，在磷化處理的溫度下（90-98℃或更低^[5]）以及在“達(dá)克羅”處理的溫度下（300℃左右^[3]）不會(huì)引起螺栓殘余壓應(yīng)力的變化，螺栓基體表面殘余壓應(yīng)力的降低另有原因。

表面處理時(shí)，因心表比容差會(huì)在表面處理層產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。磷化處理和“達(dá)克羅”處理在表面均有幾個(gè)微米的膜層，兩者膜層的比容均比螺栓基體的比容大[³，⁵]，其成膜時(shí)，相對于螺栓基體會(huì)在平面上產(chǎn)生一定的膨脹，在螺栓基體的約束作用下，膜層將生產(chǎn)一定的壓應(yīng)力，同時(shí)給螺栓基體帶來拉應(yīng)力。由于膜層很薄，其拉應(yīng)力僅在螺栓基體表面產(chǎn)生了明顯作用，并與螺栓基體原有的滾壓殘余壓應(yīng)力相互抵消一部分，造成螺栓基體表面殘余壓應(yīng)力降低。

表4??螺栓的疲勞極限σ_γ及標(biāo)準(zhǔn)方差S

5、結(jié)論

（1）42CrMoVNb鋼可滿足高強(qiáng)度螺栓的生產(chǎn)要求，其1300MPa級高強(qiáng)度螺栓的熱處理工藝為920-930℃油淬+（600-610℃）*1.5h回火。

（2）熱處理后滾絲比熱處理前滾絲螺栓抗拉強(qiáng)度高，缺口敏感性低。

（3）磷化處理和“達(dá)克羅”處理對1300MPa級高強(qiáng)度螺栓的抗拉強(qiáng)度和缺口敏感性無明顯影響，但降低了螺栓滾壓或滾絲的殘余壓應(yīng)力。磷化處理的螺栓疲勞性能高于“達(dá)克羅”處理的。

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（作者：蔡璐??趙秀明??朱金華）

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