紧固件用钢材概述

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　　目前粗略的统计一下国内外约有四万多品种，数百万种尺寸规格的紧固件。它们的使用场合和环境更是千变万化。紧固件作为主机、部件的连接件，与主机一起承担着主体的基本性能、构件基本功能的各项要求。随主机一起在各种恶劣的服役环境中接受考验。有高温、高压、低温、震动、腐蚀、重载、交变应力、抗剪切抗扭转的各种场合。例如航天器某些部位上联接用的紧固件先要承受高温.高压、震动的考验，进入轨道后又要经受温度骤变、低温、失重条件下的防止预紧失效等考验。紧固件的失效和损坏引发的事故或灾难的概率是非常高的。所以用于制造紧固件的材料必须事先有严格的选择。目前常用材料有钛合金、钢、铜、铝、尼龙和其他金属、非金属等材料。
) g$ Y. ^4 s( k- N: C3 u　　一、紧固件用钢材(包括合金钢、低合金钢、碳钢)具有非常优良的韧性塑性。
　　决定了它具备对各种加工工艺的适应性，而且同时具备很好的强度，尤其是经过特定的热处理后能获得预期的更优秀的综合力学性能。钢材资源丰富、价格相对较低，并且具有一定的可利用再生性。在众多的材料中它的性价比是优秀的。所以目前全世界每年生产一千二百多万吨钢制紧固件。二00四年我国钢制紧固件产量三百四十万吨左右，约占世界产量的四分之一。
　　二、紧固件用钢的现状
* o* I5 r, y0 }/ N8 w( R　　紧固件用钢按照其产品特点可以分为四种类型：
1 F# N+ i& Z  g8 Y% d　　第一类：非热处理型，主要是低碳钢系列。加工的成品等级是3.6~5.8级
　　第二类：调质型，主要是中碳钢、低合金钢、合金钢系列。加工的成品等级是8.8~12.9级
  I# c9 t  _5 G  ~  d　　第三类：表面硬化型，以ML18Mn、ML22Mn和ML20Cr为代表的钢种，主要加工的成品为自攻螺钉、自攻自钻螺钉，和其他要求表面渗碳型制品。
/ z( P  k. I: L2 k4 a1 F　　每四类：非调质钢：亦称微合金非调质钢。紧固件用非调质钢主要是冷作硬化型非调质钢。牌号前常冠以字母“LF”。加工的成品等级主要是8.8级和10.9级的高强度紧固件。
; ?# k- E; j8 o6 l0 |　　按照交货形态材料分又有直圆和盘圆之分。通常习惯把Φ25以下的直圆称作为小圆，Φ25以上的的直圆称棒材。Φ16以下的盘圆称线材、Φ16以上的盘圆称盘条。
　　按照紧固件的加工方法分为紧固件用钢材又可分热(温)锻和冷锻(冷镦和冷挤压)两种用钢类别(本文主要介绍冷镦和挤压用钢为主)。冷镦钢的生产和市场流通中还大量借用JIS标准中G3506、G3507、G4105和美国ASTM中的许多钢种牌号。
　　目前我国已归纳进国家标准中现有的紧固件用钢有下列几种；
　　(1)GB715-1989《标准件用碳素热轧圆钢》(见表一)
) N/ {+ [; e7 o8 `　　(2)GB4232-1993《冷顶锻用不锈钢丝》(见表二)

$ p+ w& T/ H) p2 P/ j/ I6 Z　　(3)CB5953-1999《冷镦钢丝》(表三、表四)
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　　(4)GB6478-2001《冷镦和冷挤压用钢》这个标准列有34个基本钢种，其中非热处理型7种；调质量14种；表面硬化型3种；还包括含硼冷钢10种。(见表五，表六，表七，表八)

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　　三、紧固件用冷镦钢的生产情况
; H0 |/ l. [7 w" I5 O　　1996年我国的钢产量首次达到并超过了一亿吨/年。从这一年起连续八年保持高速发展的态势，保持8年钢产量的世界第一。2004年的产量达到2.73亿吨占全世界钢产量的四分之一。同样我国也是世界上线材料产量最高的国家，2004年国内的线材生产总量约为4200万吨。而且从九十年代起，随着我国加快改革开放的步伐，我国的线材和生产不但有数量的突破，质量品种发展上也有突飞猛进。1999年3月随宝高线厂的全面投产彻底结束了以ML35为代表的中碳优质冷镦钢的进口历史。现在国内已形成了以宝钢、马钢为龙头的一大批冷镦钢生产企业。如邢钢、湘钢、杭钢、武钢、鞍钢、五钢，也都形成有相当规模的冷镦钢生产能力。两三年后产量会超过六百万吨，完全能满足行业发展对钢材需求的增长。通过连续几年的技术改造，各厂的装备水平不断提高达到国际的先进水平。以宝钢和马钢的冷镦钢生产工艺路线为例：
7 s' F! W. L4 c, u　　宝钢：铁水预处理→炼钢→炉外精炼→铸锭→开坯→修磨→高速轧制→控温冷却→集卷捆扎→检验出厂。
: }" \& \  f& Y8 m　　马钢：铁水预处理→转炉炼钢→炉外精炼→连铸→高速轧制(有低温控制轧制)→控温冷却→集卷捆扎→检验出厂而且在整个工艺过程中均采用了大量的先进技术：
; f/ Z" M; `  ^' d. j. o" R　　1、增加了铁水预处理，有效的降低了S、P、N、等有害元素和夹杂物含量。
　　2、采用吹氧技术、LF炉外精炼、DS扒渣技术保证了钢水质量的纯净和化学成份的稳定。
8 }9 T" b7 X/ F　　3、在模铸开坯时切净料头、料尾，经反转修磨后并通过磁探伤，保证钢坯轧制前的表面质量(宝钢)。
　　4、连铸时采用全程保护浇注，结晶器含液面检测、电磁搅拌振动多种新技术，防止钢水二次氧化、使连铸坯的角部质量、表面质量、消除中心偏析等方面均有显著效果。
) I1 o: U# s! @9 W$ U. v4 n1 j　　5、采用单线多通道柔性切换技术，具备超强冷却控温控轧能力，可以实现750度低温轧制(马钢)。
7 ~' V; n* v" G1 q4 \: w0 f) R　　6、采用CCT在线和离线控温技术，实现闭环控制。温度控制精度可达±10度。
2 q6 [. ?! d+ {　　7、按装了在线红外线动态外径测试仪和磁涡流监装置对线材外径尺寸和表面质量实施监测。
　　从以上的情况看，我国的冷镦钢生产近年来有了长足的进步和发展。冷镦钢的生产随着各种新技术、新装备的应用，数量上能满足我国紧固件工业快速发展的需求。这些“硬件”也给许多新材料新钢种的研究和开发提供了物质基础。多种节能环保的新产品研制已经启动，冷镦钢的出口市场也开始打开，逐步在走向世界的前列。
　　四、紧固件用冷镦钢的一般质量要求
　　钢材(线材或棒材)对钢厂它是产品成品，出厂时无法做到全检，况且有的还是破坏性的试验项目，出厂检测只能是抽验。而对于紧固件制造厂它是生产原料，在使用这些材料制造紧固件时相当于对材料的百分之百全数检查。现在某些特定场合的使用者要求紧固件制造商提供“零缺陷”的紧固件产品。因此除了制造商在生产过程中严格实施各工序的质量控制，出厂前进行各项质量指标的认真科学的检查，选用的原料品质的好坏对紧固件成品的最终质量是起决定性作用的。
3 Y' l4 l0 x& y' J　　紧固件的许多性能质量指标都是由母材提供的。即是一般要求的数量非常大的商品紧固件，由于先进技术的应用，如高速冷镦、全自动连续热处理生产线的应用，也对原材料冷镦用线棒的硬度、化学成分的质量分数、原料的通条性能的均一性都有较高要求。
! p& u+ m- b$ _9 N$ ~% A　　对紧固件用冷镦钢的主要质量要求是：
　　1、目前国内冷镦钢线材(盘条)能提供的尺寸范围是ф5.5~ф40，较成熟的范围是ф5.5~ф25。尺寸公差按照GB14981《热轧盘条直径和尺寸公差》标准中的规定执行，分为A、B、C三个等级，圆度公差尺寸值是尺寸公差值的60%。其中A级公差最大，C级公差最小，一般钢厂合同中不注明的均按B级交货。个别钢厂不作规定按A级交货，这样可能给拉丝工序带来麻烦，由于线材外径尺寸不足，拉丝后的表面会存在“黑皮”。对于紧固件用冷镦钢钢厂应该坚持按上公差组织生产交货。
- T. e6 I. I5 R9 b; V- U2 i: w　　2、表面质量：线材表面应光滑圆整，无凹凸、折叠、节疤、裂纹、麻点，表面不能有锈蚀。氧化皮总量＜10kg/吨。为保证线材轧制后的表面质量，钢坯表面缺陷的深度不超过0.4毫米。轧后线材的表面质量也应严格控制，以ф10线材为例表面缺陷的深度不应超过0.06毫米。否则会造成1/3冷顶锻试验(压偏试验)不合格。
6 ?) N" \: R+ h( i/ `　　3、显微组织：基本组织(除特殊要求外)应该是铁素体+珠光体(F+P)，要求组织为2~4级，3级为好。珠光体球尺寸大小应适中，不应出现片状珠光体和贝氏体组织。
- c! t. q; _- e/ s　　4、低倍体组织：应严格控制不应有缩孔、分层、白点、中心疏松、偏析、中心增碳等。不同的钢种还分别规定了不同的级别。
　　5、脱碳层：对含碳0. 3%以上的冷镦线应严格控制表面脱碳。铁素体+过渡层厚度不得大于直径1%。脱碳层超标，线材表面层软化，即使热处理后的成品也达不到规定的硬度，尤其是会造成螺纹部分的疲劳强度大大降低，影响使用寿命。
　　6、晶粒度：要求晶粒度适中均匀，一般为5~7级。不应有混晶现象，因为冷镦加工过程中材料粗晶组织与细晶组织的抗变形力是不一致的，在不同晶粒度的交界处极易发生裂纹，所以晶粒度大小的差异要控制在1.5级以内。
/ m$ c& \: @+ ]. o7 S4 ^　　7、非金属夹杂物：夹物造成冷镦开裂的主要原因之一，是炼钢潜在质量的重要指标。其中B类夹杂物(氧化铝)和D类夹杂物(球状氧化物)影响最大，颗粒愈大，愈易开裂。在距表面2毫米以内的夹杂物不应大于0.15微米。
6 G* K1 P# }8 S: d& f$ a　　8、冷镦(冷顶锻)试验：冷镦压偏试验合格，这是最重要的指标之一。也是目前与国外冷镦线材的主要质量差距。国内考核到的较好指标是开裂比例在1%以下。一般要求做外六角螺栓的材料应至少保证1/2H试验合格。做冷镦螺母、冷镦内六角螺钉、法兰面螺栓必须要保证冷镦压偏试验1/3H合格。
! K" `' I- }  N& l4 o　　9、化学成份(质量分数)：冷镦钢要求成份纯净、除S、P要求以处，碳钢中的Mn、Si、Al等几种元素对其后期的加工性能有较直接的影响，要注意控制，碳钢系列的Cu、Ni、Cr殘余元素也应有控制。
0 m  Y& M& z0 a　　除上面对冷镦钢的一般要求以外，即使达到标准也还有一些更具体要求需要钢厂与下游用户密切配合的。例如①线材的通条性能要求均一、避免同卷头尾硬中间软或者时软时硬。②同批交货的材料成份尽可能一致、同一炉批号的材料，尤其是要进行调质处理的产品，应避免因原料的化学成分差异而造成热处理后产品性能差异过大。例如钢结构螺栓要求评价成品性能指标数值分布“离散度”，用料更要严格筛选。③有些品种如直径8、10、12、16等工厂抽线的减面率较小、拉拔量均在0.5毫米以内，钢厂应该做到“上公差”交货。④同一牌号的元素成份含量的质量分数组成比例，在标准允差范围内应更趋合理。以使用量最多的ML35为例，应针对不同规格(如ф6.5与ф20)生产不同的产品，优化碳与猛的组成比例。使其能在冷镦性能、热处理淬透性等方面的工艺适用性更好更完美。⑤利用现有的先进设备对那些不再经退火软化的线材品种出厂时尽可能的调整好硬度。便于生产厂在使用中更好发挥冷镦变形能力，使产品外观和尺寸更完美。⑥产品质量保证书上除现有表明项目如成份机械性能外，应增加硬度指标值，方便用户根据实际情况对材料作合理选择。⑦提高捆扎质量，优化规范外形尺寸，适合退火炉的空间尺寸，方便装炉时留出合理空隙有利炉内气氛对流提高退火质量。⑧提供逢单(奇数)直径规定格7、9、11、13、与“点5”系列尺寸7.5、8.5、9.5等规格材料，有利工厂安排下道工序加工方案。
. t  a, g- s9 X7 O% }3 O( d, q0 N　　钢厂与紧固件行业以材料为纽带紧密的联系在钢与钢铁制品的这条产业链上，一定会达到双赢的效果。 【MechNet】
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