汽配紧固件原材料知识.doc

摘  要  介绍汽车零部件用线材的数量、品种，以与汽车紧固件的生产状况和市场需求。提出国内冷镦线材现状。针对国内已经具备制造汽车紧固件优质线材的基本条件，建议尽快采用专坯专用，建立加强质量管理的冷镦线材供应链，逐步缩小与发达国家的差距。
　　关键词  汽车紧固件  冷镦线材  质量  标准
1  汽车零部件用线材
1.1  商用车用线材
　　据统计，1辆中型商用车约有2 000多个紧固件，质量80~90 kg，加上其他的杆件、连接件、弹簧制品，总消耗线材120~150 kg。
1.2  乘用车用线材
　　1）普通线材用于制作牵引钩、转向杆落下臂、头靠垫背架、方向盘衬筋、机罩衬杆、排烟管支架等。
　　2）高碳和合金钢线材主要制作钢丝束软管套、钢丝绳、回复弹簧、气门芯弹簧、减震器等。
　　3）冷镦线材80%以上用于制作紧固件、连接件、管接头，包括低碳、中碳和合金钢线材。其中保证动力传递安全的发动机连杆、缸盖飞轮、变速箱螺栓，门绞链固定用螺栓等，基本上都是高强度紧固件，占全车使用紧固件数量的80%，且其中的一半采用10.9级与以上的高强度紧固件。
2  汽车紧固件制造和市场需求
2.1  市场需求
　　2008年我国紧固件的产量达540万t，汽车与相关产业使用紧固件应占总产量的18%~20%。
　　根据国务院办公厅2009年3月20日公布的2009~2011年《汽车产业调整和振兴规划》，2009年汽车产销量力争超过1 000万辆，3年平均增长率达到10%，也就是说每年至少有60~70万t线材通过制造紧固件进入汽车制造业，且逐年增长。
2.2  紧固件制造
　　商用车除了汽车发动机等关键部位使用10.9级与以上紧固件外，其余部位主要采用8.8级紧固件。
　　乘用车使用的紧固件原料包括低碳钢钢线材、不锈钢线材。这类紧固件大部分应用在焊接件和装饰件上，超过80%是高强度紧固件，其中10.9级与以上的（使用合金钢线材的部分）占50%，这些紧固件中通用的标准件（主要是8.8级），可以在市场上采购，10.9级与以上或一些组合件、零件化（轴类、筒类）、焊接专用的异型紧固件，由于质量要求高，专业化程度强，由定点专业工厂配套生产。而高档乘用车发动机上的紧固件采用进口，或由外商随整车引进原配套的专业紧固件厂家在国内的企业生产。
　　以乘用车为例，引进的品牌汽车占我国汽车消费市场的80%以上。这些高档的知名品牌汽车虽在国内生产线上装配，但车上的紧固件有70%以上是进口的，这除了有产品的知识产权归属外方的原因外，客观的原因是我国的紧固件产品和制造这些紧固件的线材在质量稳定性方面确实存在问题。
　　除少量的汽车紧固件采用冷镦（温挤压）、切削加工外，大多采用冷镦（冷挤压）成型工艺制造，这与一般紧固件的制造原理相同，只不过要求更高，对缺陷的控制更严。决定品质的硬件”因素是：材料、模具与设备；“软件”因素是：工艺技术、质量（品质）管理和服务。
3  冷锻线材的质量要求
　　国内能提供的冷镦钢线材规格为φ5.5~φ40 mm，较成熟的规格是φ6.5~φ30 mm，汽车紧固件的力学性能主要由制造紧固件的线材质量决定。
　　高档的冷镦线材质量包括以下几个方面：
　　1）性能。具有较高的塑性指标，伸长率、断面收缩率较高；在冷塑性变形中，材料的变形抗力小，加工硬化率低，材料的屈强比值小，硬度适当。
　　2）表面质量。最重要的是表面无裂痕，要求表面光滑圆整，无凹凸折叠、结疤、麻点等缺陷。
　　3）显微组织。基本组织（除特殊要求外）是铁素体加珠光体（F＋P），要求珠光体体积分数30%~40%，铁素体体积分数60%~70%，不得有片状珠光体和贝氏体。除了10.9级以上螺栓合金钢线材要求晶粒细小为6~8级，以保证成品强度外，冷镦中碳钢线材晶粒度应控制在5~7级。当晶粒度级别低于5级时，线材的加工硬化率提高，不利于线材的拉拔；当晶粒度过细时，抗拉强度提高，导致性能超标。
　　4）非金属夹杂物。夹杂物是造成冷镦开裂的主要原因之一。夹杂物颗粒愈大，愈易开裂，在距表面2 mm以内的夹杂物应不大于0.15 μm。一般认为，非金属夹杂物中B类（氧化铝）和C类（球状氧化物）夹杂物危害最大。技术要求应明确B类夹杂物不大于0.5级，D类夹杂物不大于1级，其他夹杂物不大于2级，夹杂物总和不大于3级。
　　5）其他。包括化学成分和成分波动范围，冷镦线材的心部碳偏析，原材料与退火过程中的表面脱碳层（铁素体脱碳层≤0.03 mm，总脱碳层≤1% D），通条性能好，等等。
4  冷锻线材现状
4.1  冷镦线材标准存在的问题
　　1982年紧固件行业采用ISO 898《紧固件机械性能》后，在行业中对应推荐ISO 4954《冷镦和冷挤压钢》，并以此为基础形成了GB/T 6487《冷镦和冷挤压用钢》，虽经2001年修订仍无重大突破，可选用范围狭窄，冷镦线材品种数量较少。
　　1）冷镦钢标准。我国自主开发的钢种20MnTiB一直受紧固件企业追捧，原来主要用于钢结构连接件，现主要用于商用车车桥轮胎螺栓、螺母、差速器螺栓，后来ML20MnTiB列入国标，而同期开发使用较成熟的35VB钢却一直没有列入国家标准。
　　2）冷镦钢丝标准。冷镦钢丝标准仅有GB 4232-1993《不锈钢冷镦钢丝》9种牌号和GB 5953-1999《冷镦钢》18种牌号，数量少、品种不全且修订工作落后，不能满足市场需求。随着技术的进步，专业化生产逐渐成熟，向紧固件企业提供高质量的冷镦钢丝（精线）是今后的发展方向。
　　3）据了解，国内生产冷镦钢的20多家企业，线性生产供货的38个冷镦钢品种与国际一致的只有ML35，ML20，ML15，ML15MVB，ML40Gr，ML35GrMo，20MnTiB，其余都采用JIS G 3507，JIS G 4105中的牌号，或者SAE、台湾中钢10B21，10B33和C-CH1等钢号。
　　4）新修订的GB 15712-2008《非调质机械结构钢》仅10个品种，全部是含V钢，有Mn-V系、V-Ti系、Nb-V系和Nb-V-B系非调质结构钢牌号，没有LF型冷作硬化型非调质钢。
　　5）标准中技术指标规定偏低，如对冷镦钢洁净度指标没有设定气体含量、有害元素含量的范围，以与对非金属夹杂物的限制。
4.2  冷镦线材对实物质量的影响
4.2.1  材料
　　统计数据表明，冷镦开裂中有80%~85%是因为冷镦线材表面存在折叠、划伤、密集的发纹、局部微裂纹、结疤等缺陷。由材料问题引起的开裂，可以发生在冷镦成型后，也有在碾制螺纹时和热处理后发生。
　　我国的冷镦线材存在冷镦开裂问题。开裂率在1%~3%属较好的水平，一般的开裂率在3%~5%，有的甚至超过10%。1/2冷顶锻检查合格的线材，只能生产外六角螺栓产品，只有保证1/3冷顶锻合格的线材，才能用于生产内六角螺钉、凸缘螺栓和螺母等冷变形要求较高的产品。
　　由冶炼质量造成冷镦线材对汽车紧固件实物质量的影响，主要是钢厂采用连珠工艺生产冷镦钢时，钢坯的表面有缺陷，内在夹杂物超标，组织存在偏析；连铸坯直接轧钢的，钢坯断面尺寸较小，应改为320 mm×280 mm大方坯连铸，然后开坯探伤、修磨后轧制汽车紧固件用冷镦精线材。
4.2.2  化学成分
　　汽车发动机用10.9级与以上高强度紧固件在装配中对扭矩、预紧力（和摩擦因数）都有一定的要求。在组装中要求紧固件的性能稳定，摩擦因数离散度小，所以对材料要求较高，成分要在标准范围之内，且力学性能稳定。
　　冷镦线材中个元素成分仅仅符合标准中所规定的含量远远不够，还应对S、P含量严格控制：对C，Si，Mn的组合比例分组优化，日本原材料中C，Mn含量一般偏上限，而国内原材料一般偏中下限，应有效控制同一批次中的数据，波动范围越小越好。另外，日本神户、新日铁、韩国浦项生产的SCM435线材，都把镍（Ni）和铜（Cu）写进材料质保书内，而我国却没有，且对钢中气体含量也没设定具体要求。
　　笔者曾对日本产的10.9级高强度螺栓进行分析，发现该产品硬度离散度很小，只有1~2个HRC值，且抗拉强度波动值很小，排除热处理因素外，关键是材料成分匹配与稳定性很好，而国内线材不同炉批号成分虽然都符合标准，但波动较大。
4.2.3  其他
　　冷镦线材的其他质量问题，如硬度不均匀，通条性能差，尺寸公差范围超差，圆度偏差不合格，脱碳层超标，以与轧钢时产生的表面划痕、折叠、压痕等均应避免。
　　日本神户SCM435冷镦线材比国产线材硬度要高，HRB值达95，但其冷镦性能却很好，从以往加工发现，神户料冷镦变形硬化程度升幅慢，延展性好，特别适合加工细长杆螺栓，不易弯曲，直线度好。
　　冷镦热轧线材交货时，应调整好线材的硬度、伸长率、断面收缩率等指标，以满足后续的生产要求。
4.3  冷镦线材改制中存在的问题
　　我国汽车紧固件企业大多由自己进行球化退火处理改制冷镦线材，而日本、欧盟等国基本上由线材专业改制厂或者钢厂直接改制成精线供货。近年来，国内的情况有所改变，宝钢集团投资了南京宝日钢丝制品有限公司为紧固件制造业直接供应成品精线；邢钢投资成立新光精线厂；湘钢新组建湘钢紧固件有限公司，不但生产成品精线，而且直接使用自己的线材生产紧固件。
　　上海、江苏、深圳、广州等地均有专业线材改制厂（主要以台资企业为主）。
　　紧固件冷镦线材的热处理有软化退火和球化退火两种（如再结晶、完全退火等），制作合金钢、中碳钢内六角螺钉、螺母、自钻自攻螺钉，软化退火可满足冷镦变形要求，但对于要求严格的汽车发动机螺栓，不但要适合冷镦变形要求，而且对表面脱碳和内部金相组织、硬度均匀性都有很高要求，为成品最终热处理做准备。
　　紧固件企业一般对产品的后处理（冷镦后调质、渗碳处理）较为重视，对前处理（冷镦前改制处理）不重视，这样对汽车紧固件的品质影响较大。专业线材改制厂用SCT炉、井式炉、抽真空加氮基保护气氛炉的较普遍，而使用氢气保护的钟罩炉球化退火较少。欧盟40多家线材工厂就拥有45套氢气保护的钟罩炉，来进行球化退火，由于氢气的还原性特征和热传导比高（加上炉底风机搅拌气体强对流），使炉罩内温差小，线材表面不脱碳也不增碳，退火后的线材硬度更均匀，开裂率更小，品质更优良。
5  结语
　　虽然紧固件在汽车的成品中仅占整车成品的2.5%，但是由于紧固件损坏造成的损失却是整车的100%，甚至危与人的生命，从召回的汽车来看，事故的60%~70%都与紧固件有关，而追溯这些“问题”紧固件的质量原因，离不开制造紧固件的线材质量好坏，因此，冷镦线材的质量非常重要。
　　从发展趋势看，汽车行业选用紧固件，还应立足国内，即从技术要求和工作性能上达到要求为主。汽车紧固件的配套国产化，也与国民经济和国民大众密切相关。我国现在拥有世界上最先进的炼钢轧钢设备，为制造汽车紧固件提供优质线材的基本条件已经具备，应尽快采用专坯专用，建立加强品质管理的冷镦线材供应链，逐步缩小与发达国家的差距。

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