冷镦材料与热处理方法

1. 紧固件用钢材现状与进展

紧固件用钢材现状与进展

§ 紧固件是机械行业的三大基础件之一，制造紧固件可

以是钢、有色金属、不锈钢、钛合金或者其他工程材料。

其中钢材是紧固件中最基本的材料，通过采用先进冶炼装

备，工艺技术以及合理的低合金化，使得中国的紧固件用

钢发生了较大的变化，也让目前的高强度紧固件能满足更

佳的机械性能需求并实际使用。

§ 以螺栓为例，目前，螺栓的强度级别可分为4--12.9

级等级。6.8级以下级别的螺栓，大都采用低碳钢系列线

材制造，无需热处理；7--12.9级一般用中碳、低合金钢

、中碳合金钢系列经过调质热处理。自攻、自攻自钻、自

攻锁紧螺钉则以低碳合金钢渗碳表面硬化为主，非调质钢

类主要利用微合金冷作硬化，螺栓主要为7--9.8级。

紧固件用钢材现状与进展

§ 一、紧固件的现状

§ 紧固件的加工方法可以是热加工，也可以是切削加工

，但占90%以上是冷锻加工。冷镦、冷挤压、冷冲压加工

工艺制造的产品精度高、质量好、生产效率高，因此紧固

件用钢大多为冷镦钢。中国目前紧固件企业有7000多家

，年产量约550万吨，年耗钢材820万吨左右，除常用

ML35钢外，紧固件用钢的品种规格都比较少，不能满足

紧固件的内需和出口。所以不得不借用日本JIS标准中

G3505、G3507和美国标准ASTM510A中的牌号。常用

的紧固件冷镦用钢牌号见表1。

紧固件用钢材现状与进展

表1 常用的紧固件冷镦用钢化学成分（质量分数%）

牌号

C Si Mn P S

SWRM8 ≤0．08 ≤0．03 ≤0．60 ≤0．035 ≤0．035

SRWM10 0．08-0．13 ≤0．03 0．30-0．60 ≤0．035 ≤0．035

SWRM6 0．04-0．08 0．02-0．04 0．20-0．45 ≤0．02 ≤0．02

ASTM1018 0．15-0．20 ≤0．10 0．60-0．90 ≤0．05 ≤0．04

ASTM1022 0．18-0．23 0．10-0．20 0．70-1．00 ≤0．05 ≤0．04

ML20 0．17-0．24 ≤0．07 0．20-0．50 ≤0．035 ≤0．035

35 0．32-0．39 0．17-0．37 0．50-0．80 ≤0．035 ≤0．035

SWRCH35K 0．32-0．38 0．10-0．35 0．60-0．90 ≤0．03 ≤0．035

SCM435 0．33-0．38 0．15-0．35 0．60-0．85 ≤0．03 ≤0．03

ML35 0．32-0．40 ≤0．20 0．30-0．60 ≤0．035 ≤0．035

SWRCH22A 0．18-0．23 ≤0．10 0．70-1．00 ≤0．03 ≤0．035

紧固件用钢材现状与进展

§ 目前国内的冷镦钢实物质量和品种尚不能满足紧固件行业的要求

，特别是用于汽车、能源、桥梁、建筑、环保、化工及航空、航天等

领域时，高精度、高强度的紧固件、钢结构及非标异型件需求的日益

高涨，这都是紧固件行业调整的方向。

§ 紧固件用钢的特点是线材由一整根盘条组成，通用性能要求均一

，避免同盘条中头尾硬、中间软或者时软时硬，同批交货的线材盘条

成分尽量一致，尤其是要调质处理的产品，避免因化学成分差异，而

造成热处理后产品力学性能差异过大，对汽车紧固件、非标准型件及

钢结构螺栓要求评价成品性能“离散度”和零缺陷的用料更要严格筛选

。

§ 对盘条直径钢厂应该做到“上公差”交货。应保证拉拔量在0.5mm

以内，同一牌号的元素组成比例在允差范围内应更趋优化合理。

紧固件用钢材现状与进展

§ 二、紧固件用钢的新产品开发

§ 1、微合金非调质钢

§ 用微合金非调质钢制造螺丝可省略螺栓冷拔前的球化

退火和螺栓成型后的调质处理，还可减轻螺纹的脱碳倾向

，提高螺栓成品率，因此，经济效果十分明显。

§ 紧固件用非调质钢主要是冷作硬化型非调质钢，牌号

前冠以“LF”字母。由于非调质钢线材的盘条，在冷镦锻加

工时的硬度较通常的冷加工线材高，这使得冷加工在制造

复杂形状的10.9级凸缘螺栓时，产生裂缝的萌生率提高，

而且让冷镦模具的寿命降低，因此微合金非调质钢制造的

螺栓主要是为7T级和8.8级，加工量少的10.9级双头螺栓

也可采用非调质钢制造。紧固件用非调质钢牌号为

LF10Mn Si 和LF20Mn2，要求热轧线材抗拉强度Rm，控

制在550-700N/mm2 ,冷拉后800-900 N/mm2 可制造8.8

级紧固件。另一种热轧线材抗拉强度Rm控制在600-900

N/mm2，

紧固件用钢材现状与进展

§ 可制造10.9级紧固件。非调质钢总强度的获得不但与钢厂

的热轧母材设计强度有关，更与紧固件工厂的拉拔工艺、

冷镦、时效处理规程都有密切的关系。

§ 为了提高屈服强度和去除加工应力，需要对微合金非

调质钢紧固件进行180-400℃的低温回火处理，7T级螺栓

在200℃回火处理与电镀后的去氢处理可同时进行。而

8.8级螺栓则要用350℃回火处理。

§ 2、硼钢

§ 把含量为0.0005%-0.003%的硼加到钢中，许多钢种

的调质硬度明显增加，因此，在汽车紧固件方面，用硼元

素取代贵重稀有元素，可收到较好的经济效益。单就硼元

素而言，对钢的冷加工没有明显的影响，只是在热处理时

比较明显。硼钢具有高韧性、强塑性、回火温度低、强度

紧固件用钢材现状与进展

强度高的特点，很适合生产高强度螺栓紧固件。

为了进一步提高冷加工性能和省略球化退火处理，开

发低成本的低、中碳高强度硼钢，其设计的基本原则是降

低含碳量，改善钢的冷变形能力，并加入微量硼以弥补因

降碳而造成的强度和淬透性损失。通常8.8 级螺栓用与

SAE10B21、SAE10B22M相当的低碳含锰系硼钢制造，

由于少量硼代替含大量合金元素，钢材成本降低，而碳合

金元素含量低，造成冷加工性能良好，轧材盘条可以直接

拉拔和冷镦加工，不需要预先球化退火处理节约了螺栓的

制造成本。

近年来紧固件新钢种不断变化，采用国外钢种牌号

紧固件用钢材现状与进展

§ 10B23、10B25LHC、MnB123H等。这主要是出口订单

上规定要使用的牌号。MnB123H钢系日本神户钢厂自行

研制的牌号，为了在425℃以上温度回火时得到1000

N/mm2 以上的强度，碳含量控制在0.25%。同时控制Mn

、Si的含量，确保轧态获得低硬度的铁素体+珠光体组织

，硬度在80-85HRB范围，可省略球化退火，直接冷镦成

型。此外，由于保证了淬透性J10（据淬端10mm ）=35-

42HRC（这是Ti和B合金元素的贡献），并降低了杂质元

素P、S的含量，因而在930-1200 N/mm2及强度范围内

的耐延迟断裂性能相当于或优于SCM435钢，该钢已应用

于8.8、9.8和10.9级的汽车、摩托车螺栓。

§ 3、免退火与简化退火钢

现代高速轧机的进步和计算机控制技术的结合，热机

轧制工艺技术在线材盘条生产中有许多进展，经过常规粗

紧固件用钢材现状与进展

中轧制的轧钢被冷却到二相区温度（约750℃）进行控制

精轧和冷却的生产工艺，使线材盘条获得相似于球化退火

的效果。

§ 中碳钢（如SWRCH 35K）通过热机精轧和轧后冷却

，可以获得粒状珠光体+细珠光体+铁素体组织，减面率

在5%-10%，拉拔后成品线材硬度在87-92HRB，直接上

机冷镦，可免除球化退火工序，经济效益十分明显。对直

径 12mm以上的线材盘条，可缩短球化（软化）退火时

间，也可以达到节能降低生产费用的目的。从生产实践来

看，采用退火和简化退火线材，其生产工艺简单，操作稳

定，适宜批量生产有广阔的市场前景。

三、紧固件用钢研制展望

汽车的高性能化和轻量化、建筑结构的高层化以及大

桥的超长化等，对作为联接部件的紧固件提高了更高应力

紧固件用钢材现状与进展

§ 的要求。当今，最有效的措施是提高紧固件用钢的使用强

度，因此世界各国相继研制开发了高强韧性、高延迟断裂

抗力的紧固件钢，如日本开发了抗拉强度为1372 N/mm2

（14.9级）高延迟断裂抗力螺栓钢。目前这类钢通常是以

Cr-Mo系中碳钢为基础，通过提高钢的纯净度，降低P、

S、Mn的含量，并提高Mo含量，加入细化晶粒的N和V。

如日本住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列以及

中国钢铁研究总院的ADF系列等，见表2。

紧固件用钢材现状与进展

表2 14.9级高强度螺栓钢 (质量分数%)

厂家钢号

C Si Mn Cr Mo

其他应用强

度

日本神

户

KNDS3 0.4 0.05 0.5 1 0.6 Al、Ti

、

1300-

140

KNDS4 0.4 0.05 0.5 1 0.95 Al、Ti

、

1400-

150

日本住

友

ADS3 0.49 0.28 0.31 1.02 0.68 V、Nb 1300-

140

北京钢

研

所

ADF1 0.41 0.09 0.44 1.29 0.56 V、Nb 1300-

140

紧固件用钢材现状与进展

§ 日本住友研发的ADS3钢含Mo量较高并添加V和Nb，耐延迟断

裂性能明显高于JIS SCM440，由于回火温度较高，高温回火后碳化

物均匀分布，具有较小的内应变是其延迟断裂抗力高的主要因素。日

本神户开发的KNDS系列钢，主要加入Ti、Al、Ni元素，与常用的

JIS SCM440相比，延迟断裂抗力有明显的改善，KNDS3和KNDS4

已批量生产1300-1500 N/mm

级的高强度汽车螺栓。北京钢铁研究总

院在42CrMo钢的基础上，通过降低P、S、Mn、Si的含量，ADF1钢

其耐延迟断裂较42CrMo钢有较大幅度的提高，已在东风康明斯发动

机缸盖的螺栓上应用。

§ 近年来，采用45CrNiMoTi钢结构用螺栓1500 N/mm

级被使用，

其性能优于回火马氏体高强度螺栓。45CrNiMoTi钢属贝氏体钢很少

见到有（晶界）碳化物析出，避免了穿晶破坏而发生的延迟断裂。

紧固件用钢材现状与进展

§ 为了节省能源和资源，今后对降低成本的要求会越

来越迫切，因此，价格低廉，能够省略或者简化制造过程

的微合金非调质钢和硼钢的使用量必将会显著增加，而同

一牌号的钢材延伸出多个变货状态的品种，例如SWRCH

35K--M钢，有免退火、退火+磷化膜状态，以满足不同客

户的需求。

§ 针对汽车、石油、航天各行业的技术进步，对配套的

紧固件不但在形式尺寸上，而且在性能与可靠性上也都提

出了很高的要求，而大量采用合金、低合金钢种，以及配

合高强度、耐高温、耐高压、耐腐蚀的要求，这实际都是

在对紧固件所用的材料提出更高的要求。冶金工业与机械

工业紧密结合和合作不仅会进一步促进现代化合金技术的

研究，同时也为提高紧固件行业的发展提供材料的基础，

因此需要全行业加以充分关注。