12.9 级高强度螺栓用钢的研制及性能要求与成分设计

随着汽车、摩托车、压缩机行业的发展，12.9级高强度螺栓的市场需求量日益增大，为解决国产化问题，我公司与武汉*标准件公司达成协议，共同开发汽车用12.9级高强度螺栓钢，确定实验钢种为ML35CrMoV。

2 用户对该钢种性能及成分设计的要求

2.1 对钢材力学性能的要求

钢样毛坯经淬火、回火后应达到：抗拉强度≥1200

屈服0.2≥1000MPa伸长率≥10%

表面收缩率＞45% 退火硬度HB≯220

2.2 化学成分设计

根据用户对性能的要求，考虑到对钢的冷镦性能要求较高，要求钢具有良好的强度、塑性和韧性的结合，第一批实验钢的设计以GB/T6478冷镦钢ML35CrMoV为基础，添加V。ML35CrMoV的化学成分设计如表1所示。

3 试制工艺、实际冶炼及试验结果

3.1 工艺路线

电炉冶炼、5.5吨方锭、一模冷却、退火修磨、一次轧机、一批冷轧、酸洗、砂轮清洗、三轧机高速轧制、精加工、取样、检验、送库。

3.3 测试结果

4.确定最佳热处理制度

首批电炉钢冶炼、轧制后，为使试制钢达到技术协议要求的各项性能指标，采用实验的方法，设计了多种热处理制度，确定了最佳工艺，为标准件生产企业提供了理论依据。

4.1 淬火温度选择及试验结果

合适的淬火温度范围应使奥氏体晶粒细小，碳充分溶解，合金元素溶解充分均匀，淬火后获得较细小的马氏体组织。该钢的临界点A为810 ℃。钢中加入钼、钒等元素，降低了钢的过热敏感性，允许淬火温度适当提高。因此，设计了5个淬火温度。

（1）各温度下的淬火硬度如表3所示（试样：～14mm油淬/30min）。

（2）金相组织：均为马氏体+少量残余奥氏体。该钢淬火后硬度均匀，无软点，淬硬性对温度不敏感，淬火温度范围宽。调整成分后，可以降低淬硬性，但由于加工后的螺栓直径也在~14mm左右或更小，淬硬性不是问题。考虑到实际生产情况，淬火温度选定为（870-I-10）℃。

4.2回火温度的选择及试验结果淬火钢的回火实质上是淬火马氏体的分解和碳化物的析出、聚集和长大的过程。淬火后，淬火马氏体具有较高的硬度，同时也有较大的淬火应力。通过回火，可以在消除大部分淬火应力的同时，适当降低硬度，从而提高钢的塑性和韧性，大大提高其尺寸稳定性。由于回火过程完全受碳和合金元素的扩散和铁的自扩散控制，所以回火温度及在此温度下的保温时间对淬火钢回火后的组织和性能有决定性的影响。因此，设计了9个回火温度，以寻求强度、塑性和韧性的合理结合。

（1）9个样品均在（870 -1-10）℃下淬火，然后

以下9种回火系统均是回火的。

1: 250 ℃ / 120 分钟： 2: 300 ℃ / 120 分钟： 3: 350 ℃ / 120 分钟： 4: 400 ℃ / 120 分钟： 5: 450 ℃ / 60 分钟： 6: 500 ℃ / 60 分钟： 7: 550 ℃ / 60 分钟： 8: 600 ℃ / 60 分钟： 9: 650 ℃ / 60 分钟

（2）回火后各试样的力学性能如表4所示。

（3）金相组织：选取若干个有代表性的试样进行组织观察，并拍摄金相照片（500X）。分析表明，6个试样经淬火、回火处理后的组织均为回火屈氏体，马氏体分解完全，碳化物细小析出。

（4）冲击断口：选取若干个试件，观察冲击断口情况（电镜照片）。分析表明，6个试件的冲击断口仍为韧性断裂，在满足强度要求的同时，各项力学性能均良好。

因此退火工艺可选择为：（500-I-10）℃回火，空冷/60min。

5 结论

（1）实验钢化学成分设计合理，在GB/T6478冷镦钢ML35C rMo中添加V，不仅使其通过合理的热处理能够满足12.9级高强度螺栓的强度要求，而且提高了其韧性，大大改善了冷镦工艺性能，完全可以满足汽车及机械紧固件用12.9级高强度螺栓钢的要求。

（2）试验钢晶粒度>10级，脱碳<0.7%，退火硬度HB<198。确定最佳热处理制度为：（870-1-10）℃淬火，油/30min；（500-1-10）℃回火，空冷/60min。在此热处理制度下，获得了回火屈氏体组织，各项力学性能、硬度指标均超过设计要求。

（3）从试验结果看，铬是强化元素，因此提高了钢的强度，满足了高强度的要求，但韧性受到影响。虽然满足了要求，但富余不多，这从试验中的冲击数据也可以看出来。如果对成分进行微调，提高锰含量，综合性能会得到进一步的提高。

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本文摘自《冶金杂志》