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隨著汽車產(chǎn)品向節(jié)能、環(huán)保、輕量化、小型化發(fā)展，汽車用高強(qiáng)度緊固件越來越受到重視。汽車緊固件是汽車的主要連接件、功能件，占汽車零件總數(shù)量的50%左右。

生產(chǎn)汽車高強(qiáng)度緊固件的關(guān)鍵點(diǎn)一是材料，二是熱處理，無論哪一點(diǎn)有問題，都將導(dǎo)致高強(qiáng)度緊固件的性能失效。我國(guó)汽車緊固件的開發(fā)研究，還處于相對(duì)落后的狀態(tài)。

汽車分商用車和乘用車兩大類。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛輕型車或乘用車緊固件約500種規(guī)格，50kg，4000件左右；而一輛中型或重卡商用車約需緊固件7500件，質(zhì)量80kg。商用車除了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部位使用10.9級(jí)及以上緊固件外，其余部位主要采用8.8級(jí)緊固件；加上其他的桿件、連接件、彈簧制品，總消耗線材100～120kg。

乘用車上使用的緊固件，包括低碳、不銹鋼，大部分應(yīng)用在焊接件和裝飾件的部位上，其中保證動(dòng)力傳遞安全的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、缸蓋飛輪、變速器螺栓，制動(dòng)器、主傳動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、輪箍螺栓，門絞鏈固定用螺栓等，基本上都是高強(qiáng)度緊固件，占全車使用緊固件數(shù)量的80%，且其中的50%采用10.9級(jí)及以上的高強(qiáng)度緊固件。

汽車用高強(qiáng)度緊固件的主要品種是，8.8、9.8、10.9和12.9、12.9級(jí)螺栓五個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，這些強(qiáng)度級(jí)別的緊固件都要進(jìn)行熱處理，才能提高產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能，達(dá)到規(guī)定的抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。

1.熱處理工藝制定原則

汽車高強(qiáng)度緊固件要獲得具有良好綜合力學(xué)性能的回火索氏體、回火托氏體組織，其前提是淬火時(shí)要保證心部得到馬氏體組織，這與鋼的淬透性有密切關(guān)系。不論是碳素鋼還是合金鋼，在完全淬透的情況下，緊固件經(jīng)高溫回火得到相同硬度的成品時(shí)，它們的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性和韌性等都差不多。

如果45和40Cr鋼都完全淬透并回火至同一硬度的話，那么它們的強(qiáng)度、塑性和韌性等都大致相同，但是如果不完全淬透的話，即使回火后的硬度與淬透后回火的相同，其屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊韌度等都要低些，其降低程度隨淬透程度的減少而增大。

同一材質(zhì)的產(chǎn)成品，當(dāng)截面大小不同時(shí)，淬透程度也不同，尤其是碳素鋼會(huì)因?yàn)楦麂搹S在冶煉技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)上有所區(qū)別而不同，采用相同工藝生產(chǎn)的成品性能必然存在差異。

淬火加熱溫度主要根據(jù)鋼的化學(xué)成分，結(jié)合具體工藝確定。鋼的化學(xué)成分是確定淬火溫度的主要因素，根據(jù)淬火介質(zhì)的不同，采用的淬火加熱溫度也不同。亞共析鋼淬火溫度選擇在Ac3以上，碳素鋼在Ac3以上（30～50）℃；合金鋼在Ac3以上（50～80）℃。

對(duì)心部淬硬的緊固件來說，由于組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用，產(chǎn)生的 拉應(yīng)力將處于零件表面附近，從而引起淬裂，這個(gè)淬裂危險(xiǎn)尺寸與所用淬火介質(zhì)有關(guān)，對(duì)于螺栓，水淬時(shí)的直徑為8～10mm，油淬時(shí)的直徑為20～39mm。處于危險(xiǎn)尺寸的螺栓淬火時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┮苑乐勾懔选?/span>

有些合金鋼含第2類回火脆性敏感的元素較多，回火后必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s方法，避免在高溫區(qū)域停留較長(zhǎng)時(shí)間，產(chǎn)生第2類回火脆性。

2.增加驅(qū)氫處理

汽車的節(jié)能化、輕量化發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，隨著強(qiáng)度的提高，由氫脆引發(fā)的斷裂就成為一個(gè)十分突出的問題。

研究表明，實(shí)際使用的緊固件在自然環(huán)境下發(fā)生氫脆斷裂主要是淬火回火的馬氏體鋼，發(fā)生在屈服強(qiáng)度＞620MPa ，硬度值＞31HRC的高強(qiáng)度材料�？估瓘�(qiáng)度越高，對(duì)氫脆越敏感，材料越容易吸氫，而驅(qū)氫越不容易。

一般認(rèn)為，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到1050MPa以上才會(huì)發(fā)生氫脆斷裂。GB/T5267.1《緊固件電鍍層》規(guī)定，當(dāng)心部或表面硬度值＞320HV時(shí)，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)對(duì)氫脆進(jìn)行檢驗(yàn)，并進(jìn)行驅(qū)氫處理。就是說，性能等級(jí)10.9級(jí)及以上的電鍍螺栓，都應(yīng)該采用低氫工藝并進(jìn)行驅(qū)氫。從國(guó)外資料看，汽車緊固件發(fā)生氫脆斷裂的強(qiáng)度閾值可能會(huì)下降到1000 MPa。

金相組織對(duì)鋼的氫敏感性影響很明顯�；鼗瘃R氏體、上貝氏體（粗），下貝氏體（細(xì)）、索氏體、珠光體、奧氏體對(duì)氫的敏感性依次降低�；鼗瘃R氏體對(duì)氫脆的敏感性最強(qiáng)，因此在熱處理時(shí)可通過調(diào)整熱處理工藝，減少回火馬氏體組織的生成。

汽車緊固件調(diào)質(zhì)熱處理是在高溫下進(jìn)行的。為了減少熱處理過程中表面氧化的生成，常常在加熱爐中加入保護(hù)氣氛。如果保護(hù)氣氛中含有氫化合物，就有可能在熱處理過程中吸氫，增加緊固件氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

另外，熱處理對(duì)電鍍后的驅(qū)氫效果密切相關(guān)，淬火形成的殘余應(yīng)力對(duì)氫脆影響明顯。殘余（拉）應(yīng)力消除得越充分，電鍍后驅(qū)氫的效果就越好，氫脆斷裂的閾值也就越高，這種情況在高強(qiáng)度螺栓的生產(chǎn)中表現(xiàn)的最明顯。

為防止產(chǎn)生氫脆，1000～1300MPa高強(qiáng)度緊固件必須在電鍍后驅(qū)氫。驅(qū)氫時(shí)將電鍍后的緊固件加熱到一定溫度并保持一段時(shí)間，使材料中的氫聚集形成氫分子而逸出。驅(qū)氫不徹底主要有兩個(gè)的原因，一是沒有及時(shí)驅(qū)氫，二是驅(qū)氫時(shí)間過短。

3.加強(qiáng)緊固件心部組織的測(cè)定

汽車緊固件在進(jìn)行調(diào)質(zhì)過程中，淬火加熱溫度、材料淬透性、淬火冷卻速度等因素的影響，會(huì)在緊固件心部位產(chǎn)生鐵素體組織。過多的鐵素體組織會(huì)降低螺栓的硬度和強(qiáng)度，影響緊固件的使用。

為了控制汽車螺栓的熱處理質(zhì)量，對(duì)螺栓的心部鐵素體含量進(jìn)行測(cè)定是十分必要的。某發(fā)動(dòng)機(jī)漲緊輪的緊固螺栓，材料為ML35，強(qiáng)度等級(jí)8.8，在裝配時(shí)常常被拉長(zhǎng)，對(duì)失效的螺栓分析發(fā)現(xiàn)，螺栓心部含有大量的鐵素體。對(duì)此類有較高裝配扭矩要求的螺栓，在熱處理過程中，不僅控制淬火和回火的硬度，同時(shí)將其心部鐵素體控制在3級(jí)以內(nèi)，才能杜絕在裝配時(shí)被拉長(zhǎng)或拉斷。

調(diào)質(zhì)緊固件心部組織的測(cè)定，可參考GB/T13320－2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》 標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于SWRCH35K鋼制造的8.8級(jí)螺栓，心部鐵素體組織的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在12% 左右、控制在3級(jí)以內(nèi)，硬度值 為27HRC；對(duì)于SCM435鋼制造的10.9級(jí)螺栓，心部鐵素體組織的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在5% 以內(nèi)，硬度值 為34.5HRC。

中碳合金鋼主要用來制造9.8、10.9、12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，對(duì)于螺栓淬火后心部鐵素體的測(cè)定：對(duì)無疲勞壽命要求的9.8、10.9級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)支架緊固螺栓，心部鐵素體1～3級(jí)合格；對(duì)有摩擦因數(shù)要求的9.8、10.9級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓，心部鐵素體1～2級(jí)合格，對(duì)于35CrMoV、 ML42CrMo鋼制造的12.9級(jí)螺栓，心部鐵素體1級(jí)合格。

輪轂車輪螺栓是汽車中一個(gè)關(guān)鍵保安件，在汽車中要求具有載荷承受較大，尺寸精度較高，外觀質(zhì)量較好等特點(diǎn)。目前，產(chǎn)品市場(chǎng)需求量較大，為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，采用在高效的多功位自動(dòng)冷鐓機(jī)上一次冷鐓成形，或部分后序車削、磨削加工成形。

輪轂車輪螺栓的選材，它是獲得良好產(chǎn)品的可靠保證，合理地選用材料可使產(chǎn)品成本具有市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。輪轂車輪螺栓的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求取決于汽車的外形、型號(hào)以及機(jī)械性能和使用性能，最常用的輪轂車輪螺栓有以下三種：車輪雙頭螺柱+內(nèi)外螺母；輪轂螺栓+環(huán)形螺母；輪轂車輪緊固螺栓。采用的螺紋主要有：M12×1.25 、M14×1.5、 M16×1.5、 M18×1.5、 M22×1.5規(guī)格。輪轂車輪螺栓技術(shù)要求見附表。

輪轂車輪螺栓技術(shù)要求

1.輪轂車輪螺栓使用概述

輪轂車輪螺栓為克服輪胎與輪轂車輪之間的相對(duì)位移，避免螺栓承受彎曲、剪切載荷，必須設(shè)計(jì)足夠高的預(yù)緊力，同時(shí)還要受到脈動(dòng)載荷的作用，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)沖擊載荷。因此，螺栓的失效往往是過載拉伸或疲勞斷裂。所以輪轂車輪螺栓用鋼必須有足夠高的抗拉強(qiáng)度，以抵抗拉長(zhǎng)、拉斷、滑扣和磨損；以及較高的疲勞抗力和沖擊韌度，以抵抗疲勞破壞、沖擊斷裂。

同時(shí)，輪轂車輪螺栓系多缺口結(jié)構(gòu)特征，決定了它在高應(yīng)力集中狀態(tài)下服役。又由于制造精度、安裝不當(dāng)?shù)纫蛩�，�?huì)產(chǎn)生偏斜拉伸的附加載荷。為此，輪轂車輪螺栓用鋼也必須有足夠的塑性、韌性，以減弱對(duì)偏斜、缺口應(yīng)力集中和表面質(zhì)量的敏感性。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于中小直徑的螺栓往往采用冷鐓成形六角螺栓頭，采用搓絲和滾絲生產(chǎn)螺紋，這就要求螺栓用鋼具有良好的工藝性能。

2.輪轂車輪螺栓用鋼的依據(jù)

輪轂車輪螺栓用鋼的主要目的不外乎以下兩點(diǎn)：一是保證鋼材具有必要的淬透性，使零件在淬火后具有足夠深度的馬氏體層，并使馬氏體保持細(xì)致的隱晶組織；二是在高溫回火后零件獲得所預(yù)期的綜合力學(xué)性能，即具有一定強(qiáng)度、良好的塑性、韌性和低的缺口敏感性以及較高的抗彎強(qiáng)度，以免產(chǎn)生松弛現(xiàn)象。

低、中碳合金鋼所使用的合金元素中，Cr、Mn、Si、B能有效提高鋼的淬透性，故一般使用其中的一種或幾種來提高鋼的淬透性。Cr、Mo、Ti、V等元素不僅有利于形成彌散碳化物，增加彌散強(qiáng)化的效果；而且這些合金元素有利于提高鋼的強(qiáng)度、提高鋼的塑性和韌性。Mo元素還有一個(gè)特殊的作用，就是防止鋼在調(diào)質(zhì)高溫回火后出現(xiàn)回火脆性。

3.輪轂車輪螺栓用鋼

輪轂車輪螺栓材料的性能與熱處理有著相互依存的關(guān)系，材料的性能取決于材料的內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)，而內(nèi)部顯微組織又與鋼材牌號(hào)有關(guān)。長(zhǎng)期以來，絕大多數(shù)汽車緊固件企業(yè)都采用SCM435、ML40Cr、ML35CrMo和ML42CrMo鋼制造輪轂車輪螺栓，由于其冷鐓性能差，常常因冷鐓開裂、掉頭而產(chǎn)生大量廢品。

（1）鋼材的冷鐓性能

SCM435、ML40Cr、35CrMoV和ML42CrMo鋼成品線材在實(shí)際生產(chǎn)螺栓時(shí)，往往由于其冶金水平等因素，有1%～5%在冷鐓時(shí)開裂或掉頭。低碳ML15MnVB、ML20MnTiB、10B28合金鋼在冶煉過程中采用了大量的 技術(shù)，有效地保證了冷鐓鋼的質(zhì)量。在生產(chǎn)實(shí)踐中幾乎無開裂現(xiàn)象。

以10B28鋼為例，冷鐓鋼熱軋狀態(tài)為鐵素體+珠光體組織，表面硬度為78～95HRB，塑性較好。經(jīng)740～760℃軟化退火后，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷那蚧�體組織，塑性進(jìn)一步提高，極易拉拔加工和冷鐓成型制作螺栓（變形率80%～85%）不開裂。

輪轂車輪螺栓產(chǎn)品工藝路線：冷拔坯料→冷鐓成形→滾花→滾螺紋→熱處理→表面處理→驅(qū)氫→成品包裝。冷鐓坯料尺寸的選擇是否合理，直接關(guān)系到輪轂車輪螺栓能否成形，以及冷鐓成形后的冷鐓毛坯能否直接同時(shí)滿足滾花和螺紋坯徑的尺寸要求。

（2）熱處理工藝優(yōu)化

不論中碳鋼，還是低、中碳合金鋼，增加硬度只能顯著提高螺栓的抗拉強(qiáng)度，對(duì)于輪轂車輪螺栓這樣應(yīng)力集中較高的零件，其應(yīng)力集中的不利影響大于增加硬度而提高螺栓強(qiáng)度的有利效果，因此改變硬度不能起到改善螺栓強(qiáng)度的作用。

輪轂車輪螺栓的機(jī)械性能不僅取決于熱處理工藝和金相組織，更重要的是應(yīng)具有良好的化學(xué)成分配合，而化學(xué)成分中首先應(yīng)保證鋼中的碳含量，碳含量在0.22%～0.24%以上，才能 限度地提高淬硬性，以增加有效的淬透性，在這種條件下，才能獲得滿意的顯微組織和性能。

在一定條件下，原材料質(zhì)量的優(yōu)劣將影響緊固件生產(chǎn)工藝參數(shù)的選擇，并直接影響汽車用高強(qiáng)度緊固件綜合力學(xué)性能和使用安全。在汽車安裝過程中，汽車高強(qiáng)度緊固件的開發(fā)和應(yīng)用上，還存在著來自原材料供用商和加工制造方面的挑戰(zhàn)。

選擇正確的材料用在正確的位置是滿足汽車連接制造要求的 辦法。由于對(duì)高精度、高強(qiáng)度緊固件的需求日益高漲，因此，對(duì)高純凈度、高性能、高質(zhì)量的冷鐓鋼需求也更為迫切。

根據(jù)汽車高強(qiáng)度螺栓的生產(chǎn)實(shí)踐，鋼的奧氏體的實(shí)際晶粒度粗于1～4級(jí)，對(duì)工件沖擊吸收能量值呈逐漸下降趨勢(shì)，嚴(yán)重影響力學(xué)性能指標(biāo)。隨著晶粒度級(jí)別的提高（晶粒度越細(xì)小），低溫沖擊吸收能量越高。這是由于晶粒越細(xì)，晶粒越多，晶界就越多，裂紋擴(kuò)展的阻力就越大，沖擊吸收能量值就越高，汽車在實(shí)際運(yùn)行過程中事故發(fā)生率就低。因此，對(duì)汽車高強(qiáng)度螺栓原材料的實(shí)際晶粒度應(yīng)控制在6～8級(jí)。

當(dāng)粗大的奧氏體晶粒和嚴(yán)重的魏氏體組織存在或者未得到消除，重新淬火時(shí)，這些粗大組織將被“遺傳”，使得淬火馬氏體組織粗大，脆性增大，同時(shí)，粗大的原始組織引發(fā)組織不均勻性增大，內(nèi)應(yīng)力增大都將導(dǎo)致淬火開裂。奧氏體晶粒粗大，淬火時(shí)易于變形和開裂，因此奧氏體化時(shí)，必須嚴(yán)格控制晶粒度。

以前的汽車高強(qiáng)度緊固件制造商來說，只要達(dá)到圖樣要求的材料或能替代的材料把產(chǎn)品生產(chǎn)出來，達(dá)到性能及硬度等要求就夠了。對(duì)當(dāng)今的汽車高強(qiáng)度緊固件產(chǎn)品來說，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，除了抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、幾何精度之外，還有摩擦因數(shù)、保證載荷、性能的一致性、疲勞強(qiáng)度、環(huán)保性、無六價(jià)鉻有害物質(zhì)和高耐鹽霧試驗(yàn)?zāi)芰Φ鹊取?/span>

過去的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配方法是扭矩法，后來發(fā)展到扭矩轉(zhuǎn)角法，而現(xiàn)在扭矩轉(zhuǎn)角法也只是一般的要求，許多塑性區(qū)域擰緊法在越來越多地被采用。熱處理調(diào)質(zhì)所造成的金相組織差異、金屬晶格變形等離散度大的緊固件，使裝配更是很難控制的。

筆者曾解剖日本10.9級(jí)汽車螺栓，產(chǎn)品硬度離散度很小，只有1～2 HRC，而且抗拉強(qiáng)度值波動(dòng)更小。當(dāng)硬度在±1HRC和±2HRC的高強(qiáng)度螺栓在裝配線上摩擦因數(shù)的數(shù)據(jù)就會(huì)波動(dòng)相差很大。如果這些產(chǎn)品所用材料的批次或爐號(hào)相混，其結(jié)果就更難預(yù)料。

單純采取跟蹤爐批號(hào)，及時(shí)調(diào)整淬火溫度，最終也難以滿足產(chǎn)品性能，關(guān)鍵還是要求材料成分匹配加上淬透性能穩(wěn)定，國(guó)產(chǎn)合金鋼雖然能滿足生產(chǎn)高強(qiáng)度螺栓的要求，只能說解決了溫飽，但與 發(fā)達(dá) 的高強(qiáng)度螺栓用料比還有不小的差距。

高強(qiáng)度螺栓在應(yīng)用中遇到的早期失效，大規(guī)格螺栓頭部與桿部處斷裂，連接處R倒角公差精度是制造時(shí)的一個(gè)焦點(diǎn)。螺紋處拉長(zhǎng)或斷裂，不僅有原材料非金屬夾雜物的原因，還有在調(diào)質(zhì)中加熱保溫不足，顯微組織中存在未溶鐵素體現(xiàn)象，芯部與表面組織、硬度差別或使用中超擰的影響。這將是今后需要重點(diǎn)研究的工藝課題。