摘要：用42CrMoVNb钢研制了1300MPa级高强度螺栓，结合生产工敢对其主要力学性能进行了试验研究，对经不同表面处理的螺栓进行了残余应力测试，分析了残余应力对疲劳性能的影响。结果表明，1300MPa级高强度螺栓在热处理后滚丝对提高抗拉强度和降低缺口敏感性有利；表面经磷化处理和“达克罗”处理对抗拉强度和缺口敏感性没有影响，但降低螺栓表面滚奢或滚丝的残余应力并由此影响螺栓的疲劳性能，表面经磷化处理的螺栓疲劳性能优于表面经“达克罗”处理的螺栓。

    关键词：高强度螺栓；力学性能；疲劳性能；残余应力

1、引言

高强度螺栓在汽车上的使用十分普遍，国内目前使用的最高强度级别为1200MPa，即12.9级。近年来，国内外对12.9级以上高强度螺栓和高强度螺栓用钢进行了多方面的研究^[1_，^2]，国外已有1300MPa级高强度螺栓的使用实例，国内也因优化产品设计和提高产品质量而对高强度螺栓提出了更高的要求。作者应用国内最新开发的42CrMoVNb（ADF1）高强度螺栓钢，研制了1300MPa级高强度螺栓，对其工艺和力学性能进行了试验研究。

2、试验用钢及力学性能

试验用钢为工业化试生产42CrMoVNb钢，其化学成分见表1。标准试样经920-930℃淬火+（600-610℃）*1.5h回火的调质处理后，其力学性能（表2）优于传统的12.9级42CrMo高强度螺栓钢。另外，其耐延迟断裂性能、缺口敏感性和疲劳性能也都优于42CrMo钢^[1]。

表1 试验用钢的化学成分（质量分数，%）

表2  试验用钢的力学性能

3、生产工艺及试验条件

3．1工艺条件

1300MPa高强度螺栓的生产工艺流程：下料→加工毛坯→退火→冷镦成型→机加工→调质处理→精加工→头部滚压强化→探伤→滚丝→表面处理→探伤。冷镦成型前经750℃*6h退火，炉冷至500℃出炉空冷。冷镦成型在160t闭式单点压力机上分二次完成，中间不进行再结晶退火，成型后进行六角头切边；头部滚压强化在自制的滚压机上进行；滚丝采用国产滚丝机（名义压力62kN），滚丝模为Cr12MoV钢，硬度62  HRC。

3．2试验条件

试制的1300MPa级高强度螺栓有M12*1.25和M10*1.25两种规格，长度为30-110mm。拉伸试验采用实物螺栓和标准拉伸试样(l₀=5d₀，d₀=5mm)，在WE-600型液压万能试验机和CSS-44100型电子万能试验机上按GB/T3098.1进行。螺栓的疲劳试验在Amsler HP5100高频疲劳试验机上进行，频率为100Hz。螺栓表面的残余应力测试在X-350A型X射线应力测定仪上进行。在光学显微镜下观察栓的热处理组织形貌。

4、试验结果及分析

4．1热处理工艺和组织

由于图1可见，42CrMoVNb钢在600℃左右产生了二次硬化现象，并且随着淬火温度的提高，二次硬化的“平台”上移，强度提高，但淬火温度的提高将使得奥氏体晶粒粗大，韧性和塑性降低^[1]。因此，试制螺栓的淬火温度为920-930℃，回火温度为600-610℃。经上述热处理工艺处理后，其显微组织为回火索氏体，晶粒度为10级。

4．2工艺对抗拉强度的影响

通常，高强度螺栓的滚丝是在热处理后进行，可使螺纹处获得滚丝压应力，以提高螺栓的强度，特别是疲劳强度，但因螺栓的硬度高，对滚丝模要求较高，而热处理前因螺栓的硬度低，则滚丝容易实现。表3给出了1300MPa级螺栓热处理后的硬度和热处理前、后滚丝抗拉强度。可见，热处理前滚丝的螺栓抗拉强度低于热处理后滚丝的螺栓，其原因是，热处理前滚丝的螺栓，在后续进行热处理时，螺纹处的滚丝压应力被部分消除所致，另外，螺纹表面减碳也会影响螺栓强度。

高强度螺栓最新表面处理方法是锌铝铬涂层（Dacrotized、Dacronet）又称“达克罗”处理，其耐盐雾腐蚀性能高达500h以上，并且涂层不会引起氢脆，其成膜温度在约300℃左右，厚度约几个微米^[3]。试验结果表明，螺栓经表面“达克罗”处理后，抗拉强度无明显变化，见表3。

表3  不同工艺状态下实物螺栓的抗拉强度和硬度

4．3工艺对楔拉性能的影响

螺栓作为多缺口零件，要求具有较低的缺口敏感性。螺栓的楔拉试验不仅可以反映其缺口敏感性的高低，还能较好地显示静载缺口敏感性的差异^[4]。楔拉试验分别以0°、4°和6°的偏斜角度进行，试验结果见图2。可见，热处理后滚丝的螺栓，经“达克罗”和磷化表面处理后，随偏斜角度的增加，抗拉强度几乎没有变化，并且抗拉强度相当。而热处理前滚丝的螺栓，随偏斜角度的增加，抗拉强度则明显降低。这表明，热处理后滚丝的螺栓缺口敏感性很低，热处理前滚丝的螺栓缺口敏感性较高，“达克罗”和磷化表面处理对缺口敏感性没有影响。

4．4疲劳性能及其残余应力

通过热处理后滚丝螺纹和滚压螺栓头根部，使这些部件获得表面残余应力，以减小此处应力集中的不利影响，提高螺栓的疲劳性能。“达克罗”处理和磷化处理是高强度螺栓最常用的表面处理方法，对经过这两种表面处理的螺栓进行了疲劳性能试验，螺栓规格为M10*1.25。螺栓服役时通常承受拉-拉疲劳负荷，并有初始装配预紧力，为模拟其服役特征，采用恒定最小拉伸负荷改变最大拉伸负荷以升降法进行疲劳试验，其中最小拉伸负荷即为螺栓的初始装配预紧力。试验的最小拉伸应力为451MPa，试验结果见表4。可见，经磷化表面处理和“达克罗”表面处理后螺栓疲劳性能存在明显的差异，表明经过这两种表面处理后螺栓的残余应力发生了不同的变化。为此，对螺栓的残余应力进行了测试分析。在表面处理膜之下，螺栓滚压部件的残余应力测试结果见图3、4。可见经两种表面处理后的螺栓在基体表面处的残余压应力，无论是环向应力，还是轴向应力，均比未经表面处理的螺栓要小，而经“达克罗”表面处理的螺栓残余压应力最小。随着测试深度的增大，在0.05mm处环向和轴向残余压应力分别达到最大，三种表面状态的残余压应力基本趋于同一水平。当测试深度继续增大，三种表面状态的环向和轴向残余应力均逐渐降低。显然，螺栓表面残余压应力的下降对疲劳性能不利，而“达克罗”表面处理与磷化表面处理相比，使得螺栓基体表面的残余压应力下降更多，因此其疲劳性能也就更差。

与未经表面处理的螺栓相比，磷化表面处理和“达克罗”表面处理的螺栓，除了基体表面的残余应力减小外，对一定深度下的残余应力没有产生影响，这说明，在磷化处理的温度下（90-98℃或更低^[5]）以及在“达克罗”处理的温度下（300℃左右^[3]）不会引起螺栓残余压应力的变化，螺栓基体表面残余压应力的降低另有原因。

表面处理时，因心表比容差会在表面处理层产生内应力。磷化处理和“达克罗”处理在表面均有几个微米的膜层，两者膜层的比容均比螺栓基体的比容大[³，⁵]，其成膜时，相对于螺栓基体会在平面上产生一定的膨胀，在螺栓基体的约束作用下，膜层将生产一定的压应力，同时给螺栓基体带来拉应力。由于膜层很薄，其拉应力仅在螺栓基体表面产生了明显作用，并与螺栓基体原有的滚压残余压应力相互抵消一部分，造成螺栓基体表面残余压应力降低。

表4  螺栓的疲劳极限σ_γ及标准方差S

5、结论

（1）42CrMoVNb钢可满足高强度螺栓的生产要求，其1300MPa级高强度螺栓的热处理工艺为920-930℃油淬+（600-610℃）*1.5h回火。

（2）热处理后滚丝比热处理前滚丝螺栓抗拉强度高，缺口敏感性低。

（3）磷化处理和“达克罗”处理对1300MPa级高强度螺栓的抗拉强度和缺口敏感性无明显影响，但降低了螺栓滚压或滚丝的残余压应力。磷化处理的螺栓疲劳性能高于“达克罗”处理的。

参考文献：

[1]惠卫军，翁宇庆，赵秀明 1300MPa级高强度螺栓钢[J] 钢铁，2002，37（3）：37-42

[2]Padfield C.Automotive fasteners[J].Advanced Materials & Process,1998,(10):49-53

[3]9.57511FIAT Auto,Rivestimento chimico anticorrosione a base di zinco-Alluminio e cromati per particolari in materiale ferroso[S]

[4]黄明志  金属力学性能[M] 西安：西安交通大学出版社，1986.97

[5]钱苗根  材料表面技术及其应用手册[M] 北京：机械工业出版社，1998.222-226

（作者：蔡璐  赵秀明  朱金华）

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