汽車耐熱鋼緊固件材料及熱處理工藝

王加杰 趙萍麗 張先鳴

摘要：本文從汽車耐熱鋼緊固件材料及熱處理工藝技術(shù)特點(diǎn)方面論述，對汽車耐熱鋼緊固件技術(shù)條件，熱處理工藝及金相組織進(jìn)行概述。耐熱鋼緊固件裝配在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管、渦輪增壓器和三元催化器等重要部件，其失效往往引發(fā)較嚴(yán)重的功能甚至安全問題，緊固件的配合選擇應(yīng)滿足制造材料的一致性，以免發(fā)生高溫松弛，減少疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：汽車;耐熱鋼緊固件;熱處理;金相組織;工藝

中圖分類號：U465.2+9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0025-03

0 ?引言

地球上的資源和能源越來越緊缺，輕量化、節(jié)能化、安全環(huán)保將是汽車車輛、未來裝備發(fā)展方向。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，是車輛動(dòng)力的來源，而發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)，其服役溫度往往是一輛汽車上最高的約達(dá)1000℃左右，在極復(fù)雜高低溫交變載荷下，這對發(fā)動(dòng)機(jī)的零件材料及工藝有著極高的技術(shù)要求。汽車緊固件作為汽車的基礎(chǔ)零部件，數(shù)量較多，并在大部分位置起到十分重要的連接作用，甚至安全保障作用。國家提倡而被汽車企業(yè)采納的“節(jié)能減排”技術(shù)主要包括整車輕量化，在發(fā)動(dòng)機(jī)部件組裝部件的螺紋連接上，勢必追求更高設(shè)計(jì)應(yīng)力，更加合理的緊固技術(shù)[1]。

1 ?耐熱鋼緊固件特質(zhì)

耐熱鋼緊固件一般應(yīng)用于汽車高溫工作服役區(qū)域，如排氣歧管連接缸蓋、渦輪增壓器連接排氣歧管、三元催化器連接增壓器、排氣管連接三元催化器等。耐熱鋼緊固件基體材料必備一定的高溫性能，如較高的高溫力學(xué)性能、組織穩(wěn)定性能和防腐性能。如在發(fā)動(dòng)機(jī)上排氣歧管、增壓器等部位的連接緊固件共同的一個(gè)要求，耐高溫和承受強(qiáng)烈振動(dòng)[2]。緊固件及其表面處理涂層均需要滿足裝配服役性能和可拆卸要求或售后市場維修要求。

2 ?汽車緊固件耐熱鋼技術(shù)要求

目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)尚沒有全面而系統(tǒng)的耐熱鋼緊固件牌號或生產(chǎn)加工標(biāo)準(zhǔn)體系，這些年來緊固件企業(yè)依靠進(jìn)口鋼材及其國外牌號進(jìn)行制造，而國內(nèi)汽車企業(yè)對發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱鋼緊固件采用完全進(jìn)口或鋼材進(jìn)口的方式進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用，圖紙也多標(biāo)注為國外牌號。

針對汽車耐熱鋼緊固件的國產(chǎn)化需求，中國汽車工程學(xué)會(huì)立項(xiàng)、制定了T/CSAE99-2019《汽車緊固件用耐熱鋼技術(shù)條件》及T/CSAE136-2020《汽車高溫連接緊固件技術(shù)條件》兩項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)與全國緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)立項(xiàng)、制定的GB/T3098.24-2020《緊固件機(jī)械性能 高溫用不銹鋼和鎳合金螺栓、螺釘、螺柱和螺母》國家標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)標(biāo)和國標(biāo)的主要內(nèi)容包括了緊固件用耐熱鋼材料的相關(guān)技術(shù)要求。

2.1 汽車緊固件耐熱鋼牌號化學(xué)成分

汽車耐熱鋼緊固件用含鎳、含鉻的耐熱材料或一般合金耐熱鋼牌號和化學(xué)成分[3]見表1。

2.2 汽車耐熱鋼緊固件技術(shù)要求

耐熱鋼緊固件室溫性能基本數(shù)據(jù)[3～4]見表2。

2.3 耐熱鋼緊固件熱處理工藝

耐熱鋼緊固件必須通過正確的熱處理技術(shù)，才能更好地發(fā)揮耐熱鋼含有大量鎳、鉻元素的功能，盡管多種的材料牌號選擇，但熱處理工藝仍是提高耐熱鋼緊固件品質(zhì)和使用可靠性的重要保證。耐熱鋼緊固件技術(shù)要求及熱處理工藝見表3。

2.3.1 ML06Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼

ML06Cr15Ni25Ti2MoAlVB是鐵基沉淀硬化型耐熱不銹鋼，相當(dāng)于美國高溫合金A286。該鋼具有高的熱強(qiáng)度和較高的熱穩(wěn)定性，是由于含有大量的奧氏體穩(wěn)定化元素，鉻、鎳在鋼中能提高其抗氧化性;鉬能提高鋼的熱強(qiáng)性;鈦是比鉻更易與碳結(jié)合形成穩(wěn)定碳化物的元素，從而改善鋼的抗晶間腐蝕能力;還添加有Al、V、B等元素，該材料經(jīng)過高溫固溶處理，且長時(shí)間的時(shí)效后，組織中析出一種彌散的金屬化合物，從而使該材料的抗拉強(qiáng)度提高，是汽車耐熱鋼緊固件用量最大的材料，可用于工作溫度高于650℃的發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱螺栓[5]。

ML06Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼在冶煉過程中，存在爐次化學(xué)成分含量波動(dòng)，合金元素偏析、雜質(zhì)數(shù)量、種類、大小、形狀以及熱變形工藝等因素的影響。研究表明，在與生產(chǎn)條件一致的實(shí)際現(xiàn)場，980±10℃X1h進(jìn)行固溶處理，螺栓頭部采用冷鐓、搓絲成型，按不同720±10℃X16h時(shí)效空冷進(jìn)行熱處理，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓其技術(shù)要求為室溫抗拉強(qiáng)度≥950MPa，硬度28～37HRC，晶粒度6～8級。

2.3.2 ML04Cr11Nb鋼

退火是鐵素體不銹鋼唯一的熱處理工藝，ML04Cr11Nb鋼退火需嚴(yán)格控制加熱溫度或降低鐓鍛溫度在750℃以下。在生產(chǎn)中應(yīng)避免相脆性、475℃脆性、高溫脆性及晶間腐蝕敏感傾向的存在，在730～750℃這個(gè)溫度加熱可較充分地消除應(yīng)力，使鋼得到軟化，且保證晶粒不被粗化，同時(shí)改善塑性和韌性。熱處理工藝的選擇應(yīng)以此為目標(biāo)，還可以避免鉻的碳化物、氧化物析出，從而提高鋼的耐腐蝕性。

2.3.3 ML41CrMoV和ML21CrMoV鋼

ML41CrMoV和ML21CrMoV鋼是耐熱合金結(jié)構(gòu)鋼，具有較好的熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的鋼，在高溫下具有較高的強(qiáng)度，由于成本低廉，工作時(shí)可承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，雖然使用溫度相對較低，選材時(shí)常常考慮成本價(jià)格，故是發(fā)動(dòng)機(jī)上耐熱鋼緊固件常用材料之一。一般采用真空爐氮?dú)獗Ｗo(hù)加熱，淬火+高溫回火（調(diào)質(zhì)），淬火溫度分別為880～910℃和900～930℃油冷;回火溫度分別為：670～710℃和680～720℃，加熱必須滿足奧氏體均勻化，以達(dá)到金相組織約90%回火索氏體或回火屈氏體及力學(xué)性能要求。

2.3.4 14Cr17Ni2鋼

14Cr17Ni2鋼是一種用途廣泛的馬氏體+鐵素體型不銹鋼。該鋼具有良好的耐蝕性和較高的力學(xué)性能，螺栓成型后在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，材料的金相組織中主要有δ鐵素體、殘余奧氏體、馬氏體及碳化鉻析出相，馬氏體相和少量碳化鉻析出相共同作用達(dá)到強(qiáng)化材料的效果，這些相的形態(tài)、分布和比例決定了鋼力學(xué)性能差異，而過多的δ鐵素體相和碳化鉻析出相將降低材料的塑性和韌性。

該鋼淬火溫度為960～1000℃，回火應(yīng)避開脆性區(qū)475～550℃。工藝的選擇依據(jù)是提高馬氏體相含量、抑制δ鐵素體相的形成、控制碳化鉻析出含量以及盡可能地細(xì)化馬氏體組織。淬火后的正常組織是馬氏體+δ鐵素體，當(dāng)淬火溫度過高時(shí)，會(huì)誘發(fā)鋼中δ鐵素體與殘余奧氏體含量增加，降低沖擊韌性值;若降低淬火溫度，奧氏體化不完全，淬火后組織內(nèi)殘留大量奧氏體，影響抗拉強(qiáng)度和硬度[6]。對于大規(guī)格直徑螺栓最佳熱處理工藝，淬火溫度選擇在1020℃，而對于技術(shù)要求10.9級耐熱鋼緊固件回火溫度選擇在580～610℃。通常該鋼通過調(diào)質(zhì)改變組織形態(tài)可以提高沖擊韌性;若在高溫下重復(fù)回火會(huì)降低14Cr17Ni2鋼沖擊韌性，這與組織中晶界上Cr、Fe碳化物和合金元素（Si、Mn等）的析出有關(guān)，這一點(diǎn)必須注意。

2.3.5 NiCr20TiAl合金

NiCr20TiAl鎳合金須采用固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化三類手段對合金進(jìn)行綜合強(qiáng)化[7]，基本熱處理制度為固溶+時(shí)效處理，從而實(shí)現(xiàn)硬化合金和提高其強(qiáng)度的作用。

NiCr20TiAl鎳合金固溶處理溫度：1050～1090℃X8h，空冷;時(shí)效處理溫度：830～860℃X24h+690～720℃X16h二次時(shí)效，空冷處理。合金在固溶組織的基礎(chǔ)上經(jīng)時(shí)效處理，晶界上的M7C3繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6碳化物，所以在晶界上沉淀出叫連續(xù)的M23C6碳化物，晶內(nèi)的γ′相也長大成球形質(zhì)點(diǎn)。研究表明，抗拉強(qiáng)度隨著拉拔減面率的增加而增加，時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度大幅度提高，二次時(shí)效后晶粒度對NiCr20TiAl鎳合金的疲勞強(qiáng)度影響明顯，晶粒度不僅影響試樣的疲勞壽命;還影響試樣的疲勞強(qiáng)度，晶粒度越細(xì)小，單位體能內(nèi)晶界數(shù)量越多，對裂紋萌生的阻礙作用越明顯[8]。表面細(xì)晶組織可以提高疲勞裂紋的萌生抗力，內(nèi)部的粗晶組織有利于提高疲勞裂紋的擴(kuò)展抗力。

2.4 耐熱鋼緊固件熱處理金相組織

根據(jù)材料類型和熱處理工藝的不同，ML06Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼的為奧氏體+MC彌散碳化物;14Cr17Ni2鋼為回火索氏體+顆粒狀碳化物+少量塊狀鐵素體;NiCr20TiAl鎳合金為γ′相+M23C6碳化物。

3 ?耐熱鋼緊固件熱處理工藝展望

耐熱鋼緊固件在加工過程中熱處理工藝是不可獲缺的，必須在嚴(yán)格控制的加熱和冷卻條件下進(jìn)行熱處理，通過改變材料內(nèi)部的金相組織來達(dá)到所要求的力學(xué)性能或使用壽命。隨著新型耐熱鋼合金材料的應(yīng)用以及使用過程中對耐熱鋼緊固件性能提出的較高要求，近年來耐熱鋼熱處理新工藝、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，展望未來其發(fā)展趨勢如下：

①建立耐熱鋼合金熱處理工藝的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)體系，對耐熱鋼的鐓鍛變形量及熱處理過程進(jìn)行深入的研究;研究計(jì)算機(jī)模擬與熱處理工藝過程控制系統(tǒng)，裝備與工藝并行創(chuàng)新發(fā)展;耐熱鋼成分設(shè)計(jì)連同熱處理制度和其它工藝一起，使耐熱鋼達(dá)到最好的性能狀態(tài)，以便達(dá)到最佳使用性能匹配。

②發(fā)揮真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無脫碳和畸變量小的優(yōu)越性。加熱控制高溫相變，高溫相變是低溫相變的前提和基礎(chǔ);冷卻控制中低溫相變，中低溫相變產(chǎn)物保留于緊固件中，熱處理過程和服役中耐熱鋼各析出相之間的相互轉(zhuǎn)變關(guān)系及相變機(jī)制目前并不十分完整，需要通過虛擬熱處理工藝進(jìn)行完善。

③深入研究耐熱鋼適宜的淬火冷卻介質(zhì)，冷卻能力無疑是淬火冷卻介質(zhì)的核心和創(chuàng)新主題，而無毒和環(huán)保淬火冷卻介質(zhì)是今后熱處理技術(shù)的研究重點(diǎn)。

總之，耐熱鋼緊固件主要裝配在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管、渦輪增壓器和三元催化器等重要部位，其失效往往引發(fā)較嚴(yán)重的功能甚至安全問題，緊固件的配合選擇應(yīng)滿足制造材料的一致性，按照GB/T 3098.24的規(guī)定，材料強(qiáng)度比值應(yīng)大于0.7，以免發(fā)生高溫松弛，減少疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前應(yīng)加大對耐熱鋼緊固件標(biāo)準(zhǔn)的宣傳力度，從耐熱鋼合金和熱處理工藝著手，以預(yù)防作為第一要素，減少疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)，這對提高我國緊固件的制造和應(yīng)用水平乃至汽車車輛的可靠性都有意義。

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