ADF1钢生产12.9级产品.doc

随着汽车、机械、建筑、轻工等各个生产行业的发展，对制造各类紧固件（如螺栓、螺钉、螺母等）使用的材料提出了愈来愈高的要求，如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，对作为联接部件的螺栓设计应力和轻量化提出了更高的要求。对此，最有效的措施便是螺栓的高强度化。但即使纳入各国标准中的12.9级甚至11.9级螺栓，在实际服役过程中亦发生了多少延迟断裂事故，因而其使用范围受到了限制。鉴于此，耐延迟断裂高强度螺栓钢的研究开发是近来国内外研究工作热点之一。 ??? 鉴于高强度螺栓钢的延迟断裂问题比较典型和有代表性，在日本、韩国和中国分别投入巨资重点实施的“超级钢计划”、“高性能结构钢计划”和“新一化钢铁材料的重大基础研究”中，1500MPa级高强度螺栓钢的研究开发均是其中的一个重要课题。 ??? 高强度螺栓的延迟断裂 ??? 延迟断裂是静止应力作用下材料经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象。这种现象是材料、环境、应力三者相互作用而发生的一种环境脆化，是氢导致材质恶化的一种形态。机械零部件的延迟断裂大体上可分为以下两类： ?? （1）主要是由外部环境侵入的氢（外氢）引起的延迟断裂。如桥梁等使用的螺栓，在潮湿空气、雨水等环境中长期暴露而发生延迟断裂。 ?? （2）酸洗、电镀处理等制造过程中侵入钢中的氢（内氢）引起的延迟断裂。如电镀螺栓等在加载后，经过几小时或几天的较短时间后而发生延迟断裂。 ??? 对于前者，一般是由于在长期暴露过程中发生腐蚀，在腐蚀坑外发生腐蚀反应生成的氢侵入而引起的；后者是由于制造过种如酸洗 、电酸处理时侵入钢中的氢在应力作用下向应力集中处聚集而引起，见图1。 ?? （1）实际使用时由于发生腐蚀反应（酸洗雨、海水）导致氢的侵入。 ?? （2）润滑膜（严氯酸磷处理）促进氢的侵入（毒化剂作用）。 ?? （3）螺栓制造（酸洗、电镀）时氢的侵入。 ?? （4）尺寸因素及腐蚀坑引起应力集中。 ??? ADF系列钢种设计思路 ??? 对于中碳的低合金钢如42CrMo，通过降低回火温度即可获得1500MPa的强度水平，但此时钢的延迟断裂敏感性显著增加，以致无法实际应用。在“国家重点基础研究发展规划项（973）”的支持下，以钢铁研究总院为首的课题组进行了大量的基础性工业应用 研究，成功地设计耐延迟断裂高强度钢ADF42CrMoVNb）系列，其强度水平范围为1300~1600MPa（已获得国家发明专利）。与42CrMo钢相比，ADF系列钢通过降低P、S、Mn和Si的含量和提高Mo含量来减轻晶界偏析、强化晶界，利用MoV的二次硬化碳物来提高钢的回火温度和强度，控制碳化物状态和分布；利用微合金元素碳化物的氢陷阱作用来控制钢中氢，添加V、Nb细化奥氏体晶粒和使碳化物细化。上述改善延迟断裂性能的措施均得到了大量的实验验证。以下以ADF1为例进行介绍。 ??? ADF1钢的主要特性 ??? 1．微观组织 ??? 由于添加微合金元素钒和铌，ADF1钢的晶粒长大趋势明显小于42CrMo钢，其奥氏体晶界迁移的激和能较42 CrMo钢高158.8kJ/mol，在950奥氏体化仍能获得10μm以下的细晶粒。ADF1钢在较高的回火温度下具有细小的碳化物质点，回火温度升高到约600时，析出弥散的V和Mo的合金碳化物而产生二次硬化。进一步千高回火温度，合金碳化物逐渐失去原析出时与基体的共格关系，产生过时效现象。 ??? 2．拉伸性能 ??? 随着回火的升高，ADF1钢的硬度和强度逐渐降低，塑性逐渐提高。与42CrMo钢不同的是，当回火温度高于约500时，由于Mo和V合金碳化物的析出，产生二次硬化作用，硬度和强度不再降低；回火温度超过约620时，硬度和强度急剧降低。 ??? 3．韧性和缺口敏感性 ??? ADF1钢的韧性随回火温度的变化见图2。优化的合金设计使得在二次硬化峰附近韧性仅有轻微降低。当进一步升高回火温度时，合金碳化物逐渐失去与基体的共格关系，开始聚集长大，韧性得到恢复。 ??? 由于ADF1钢添加有适量的Mo元素，因而抑制了钢回火脆性，即ADA1钢冲击试样调质处理时炉冷、空冷和水冷后的冲击功值基本一致，见表1。从表中还可以看出，缺口深度5mm的U形冲击试样与缺口深度为2mm的Charpy V 形冲击试样的冲击功值均为36.0J，远高于标准要求。 ??? ADF1钢与4140、4340等高强度钢经淬火+中高温回火后强韧性相比较可知，ADF1钢的强韧性配合优于相同强度级别的马氏体钢。 ??? 高强度钢对缺口比较敏感，要求具有低的缺口敏感性，表2为ADF1钢和42CrMo钢的缺口敏感性试验结果，表中缺口敏感度NSR=σbN / σb? (σ bN为缺口试样的抗拉强度，σb为光滑试样的抗拉强度，NSR值越大表示缺口敏感性越小)。ADF1