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汽车紧固件常用钢材介绍

在紧固件制造中,正确选用紧固件材料是重要一环,因为紧固件的性能和其材料有着密切的关系。如材料选择不当或不正确,可能造成性能达不到要求,使用寿命缩短,甚至发生意外或加工困难,制造成本高等,因此,紧固件材料的选用是非常重要的环节。

金属紧固件的材料主要为钢材,使用的钢的种类,可分为:冷墩钢、易切削钢、普通不锈钢、耐热钢以及高温钢。钢材的种类繁多,牌号更是数不胜数,

今天,法士威根据国标中钢的分类标准,梳理紧固件选用钢材的类别,介绍紧固件最常用钢材-冷镦钢的产品特性,钢材的常用牌号,这些牌号的钢材所遵照的国际标准和国家标准,它们所适合制造的紧固件种类和性能等级以及冷镦钢的冷顶锻试验。

1、钢的分类标准和种类

无论多么繁杂的材料,分类都离不开下图的逻辑层次, 钢分类也是遵照这个原则:

1) 根据GB/T 13304.1钢分类,按化学成分分类标准:  

  ▲非合金钢

  ▲低合金钢

  ▲合金钢

非合金钢就是碳钢也叫碳素钢,碳钢是碳含量在0.0218-2.11%(质量分数) 的铁碳合金,以碳含量的高低将碳钢分为:

低碳钢: C% ≤ 0.25%;中碳钢:0.25% < C% ≤ 0.6% 和高碳钢:C% ≥ 0.60%。

在碳钢的基础上添加合金元素以便调整钢的某些性能,不同合金含量的高低,分为低合金钢和合金钢。

非合金钢、低合金钢和合金钢合金元素规定含量界限值可参考标准GB/T 13304.1-2008表1:

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在GB/T3098.1-2010 表 2 材料中,对螺栓材料的分类是三种:碳钢、添加元素的碳钢、合金钢。

其中,碳钢属于非合金钢,添加元素的碳钢根据所添加的元素(硼、锰、铬)的含量属于表中的非合金钢或低合金钢。

在GB/T3098.1-2010 表 2 中的g备注中,合金钢至少应含有铬Cr、镍Ni、钼Mo和钒V四种元素中的一种元素,其最小含量铬0.30%,镍0.30%,钼0.10%,钒0.10%。

“当含有二、三或四种复合的合金成份时,合金元素的含量不能少于单个合金元素含量总和的70%”,

这句话使人费解,根据ISO898-1:2009,应该是:“当含有二、三或四种复合的合金成份时,这些二、三或四种的合金的总和值,不能少于对应的二、三或四种最小含量和的70%。

例如,某种合金钢,含铬0.2%,镍0.1%,则(0.2%+0.1%)<(0.30%+0.30%)×70%,这种钢就不是合金钢。

2)根据GB/T 13304.2钢分类,按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类:

a) 按主要质量等级:普通质量、优质和特殊质量非合金钢;普通质量、优质质量和特殊质量低合金钢;优质质量和特殊质量合金钢。

b) 按主要性能或使用特性--部分摘要:

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▲表1 非合金钢的主要分类及举例

003

▲表2 低合金钢的主要分类及举例

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▲表3 合金钢的主要分类及举例

上面的三个表只是GB/T 13304中部分内容的摘选,从中可以看出不同紧固件选用的不同钢材的类别和属性。

2、冷镦钢的特点、化学成分、常用标准和分类

紧固件的主要制造工艺方法是冷镦( 螺栓、螺母等产品)和冲压(簧片类紧固件和垫片等)工艺。

原材料主要是冷镦用热轧盘条、热轧钢板钢带。

a) 由于冷镦钢是常温下利用金属塑性加工成型,每个零件的变形量很大,承受的变形速度也高。

紧固件行业用“不开裂、淬得上”6个子形容冷墩钢的品质标准,因此,对冷镦钢原料的性能要求十分严格,所有元素的含量要满足紧固件性能等级的材料要求。

碳 C 含量过高,冷成形性能将降低;太低则无法满足零件机械性能的要求;锰Mn能提高钢的渗透性,但添加过多则会强化基体组织而影响冷成形性能;在零件调质时有促进奥氏体晶粒长大的倾向。

硅Si能强化铁素体,促使冷成形性能降低,材料延伸率下降。

硫 S 和磷 P 为杂质元素,它们的存在会沿晶界产生偏析,导致晶界脆化,损害钢材的机械性能,应尽可能降低。

硼 B 元素虽然具有显著提高钢材渗透性等作用,但同时会导致钢材脆性增加。含硼量过高,对螺栓,螺钉和螺柱这类需要良好综合机械性能的工件是十分不利的。

合金钢至少应含有铬Cr、镍Ni 、钼Mo和钒V一种元素。

铬:显著提高钢的抗腐蚀能力和抗氧化能力,调高耐磨性和保持高温强度。能提高渗碳层含碳量,提高钢的淬透性。

镍:提高钢的强度而不降低其塑性,改善钢的低温韧性,使钢具有优良的冷、热加工性和冷成形性能;降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性。

钼:强化铁素体,提高钢的强度和硬度;降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性。提高钢的耐热性和高温强度。

钒:可使钢的晶粒细化,韧性增大;可提高钢的高温持久强度和蠕变抗力。可调节钢的淬透性。

b) 冷墩钢的常用标准

ISO 4954《冷镦和冷挤压钢》

GB/T6478《冷镦和冷挤压用钢》

GB/T28906《冷镦钢热轧盘条》

GB/T5953《冷镦钢丝》

Q/BQB517《冷镦钢盘条》-宝钢

JIS G3507《冷镦钢用碳素钢盘条》-日本

JIS G4051《机械制造用碳素钢》-日本

JIS G4053《机械制造用合金钢》-日本

SAE J403《碳钢化学成分》-美国

SAE J404《碳钢化学成分》-美国

SAE J404《碳钢化学成分》-美国

DIN 1654《冷镦和冷挤压钢》-德国

c) 根据GB/T6478-2015《冷镦和冷挤压用钢》,并按照国际标准和国内通用规则,冷镦钢按热处理方式有4种类型:

1)非热处理型:紧固件冷墩成形后不需要进行热处理。

加工的成品等级是4.6-6.8级。

2)表面硬化型:紧固件冷墩成形后需经表面渗碳(渗氮)处理, 然后再进行淬火加低温回火处理。

加工的成品主要是自攻钉和自钻螺钉。

3)调质型(包括含硼钢):紧固件冷墩成形后,先正火再淬火加高温回火处理,或直接进行淬火加高温回火处理。

加工的成品等级是8.8-12.9级。

4)非调质型:不需要调质热处理,在钢中加入微量合金元素,使其在轧制或锻造状态就具备良好的综合机械性能,从而可以减少淬火加回火过程。

加工的成品参考GB/T3098.22 细晶非调质钢螺栓、螺钉和螺柱机械等级8.8F-10.F。

3、常见牌号的钢材

a) SWRCH=steel wire (rod) for cold heading=冷锻用碳钢线材,是日本牌号的钢,在JIS G3507-2010和Q/BQB517-2018中都有牌号和化学成分的规定。

SWRCH6A、SWRCH8A适用于生产3.6-4.6级的标准件和非标件。

SWRCH10A适用于生产4.8-6.8级标准件和非标件。

SWRCH15A适于生产各种4.8-6.8级紧固件、焊钉。

SWRCH18A、SWRCH22A适用于生产8.8-10.9级各种中、高强度自攻丝钉和标准件。

SWRCH35K、SWRCH40K、SWRCH45K适用于生产8.8-10.9级螺栓、螺母。

以SWRCH18A为例,字母和数字的含义:

S-碳素钢,WR-线材, CH-冷锻钢,18-平均含碳量0.18%,A-脱氧方式,铝镇定钢;镇定钢是完全脱氧的钢,氧的质量分数不超过0.01%。

这种编号是日本标准编号,以SWRCH35K为例,字母和数字的含义:

S-碳素钢,WR-线材, CH-冷锻钢,35-平均含碳量0.35%,K-脱氧方式,硅铝镇定钢。

b) SCM435和SCM440H是日本标准JIS G4053机械制造用合金钢钢材,在Q/BQB517-2018中也有规定,对应国内钢材35CrMo和42CrMo。

SCM435和SCM440H是生产10.9-12.9级高强度紧固件的常用钢种,适用于生产10.9-12.9级螺栓、螺母。

这种编号是日本标准编号,以SCM440H为例,字母和数字的含义:

SCM-铬钼钢:S-Steel钢,C-Cr铬,M-Mo钼, 4–钼含量4%左右,40-碳含量大约0.40%上下,H-保证淬透性钢。

c) ML20MnTiB是生产10.9级钢结构用标准件的常用钢种, 适用于生产10.9级各种型号钢结构螺栓。

ML是铆螺钢的首字母。在GB/T6478 《冷镦和冷挤压用钢》有规定。

这个编号是国标编号,ML-冷墩铆螺钢,取铆螺汉语拼音的首字母,20-平均碳含量0.20%,Mn- 锰,Ti-钛, B-硼,三种合金的小于1.5%。

d) 10B21、10B28、10B33适用于生产8.8~10.9级各种型号紧固件,主要用于生产8.8~10.9级标准件。

在SAE J403-2014 《碳钢化学成分》和Q/BQB517-2018中有规定。

这种编号是美国标准编号,10-碳素钢,B-硼钢,21-平均碳含量0.21%。

e) ML35适用于生产8.8级螺栓、螺母、法兰螺栓、内六角螺栓等。

符合GB/T6478《冷镦和冷挤压用钢》规范。相当于SWRCH35K。

f) 35VB 是合金结构钢,是生产高档次10.9级钢结构螺栓的钢种。

g) SCr420和SCr440是生产12.9级高强度紧固件的钢种,是日本标准JIS G4053机械制造用合金钢钢材,在Q/BQB517-2018中也有规定。

h)70钢、65Mn、60Si2Mn适用于弹性垫圈紧固件制造,Q235B35号和45号钢是优质碳素钢,可用于不同硬度要求的平垫圈的制造

4、冷墩试验

冷墩(冷顶锻、压扁)试验是冷墩钢最重要的指标之一。

一般要求外六角螺栓应保证1/2H试验合格,螺母和法兰面螺栓及非标件必须保证1/3H试验合格。

冷墩试验执行YB/T5293《金属材料顶锻试验方法》。

试样顶锻时的变形:

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