35VB 鋼與大直徑高強度螺栓

孫 富

（定西高強度緊固件股份有限公司， 甘肅定西 743000）

0 引言

35VB 鋼種始見于GB/T 1231—84《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、螺母、墊圈 技術條件》，該標準中螺栓的最大直徑規(guī)格為M30。

1987 年5 月26 日，在鐵道部科技局、冶金部鋼鐵司聯(lián)合主持的鑒定會上， 通過了 “高強度螺栓用新鋼種35VB”的鑒定轉產(chǎn)和“35VB 新鋼種高強度螺栓”新產(chǎn)品的鑒定。這兩項科研成果是由鐵道部科學研究院、大冶鋼廠、上海標準件公司、上海先鋒螺絲廠、鐵道部大橋工程局橋梁科學研究所、 清華大學等六單位經(jīng)過近十年研制成功的，但當時的研制僅限于M30 及以下規(guī)格。

本文主要以M36、10.9 級螺栓進行試驗驗證。

1 35VB 鋼的主要性能

1.1 相變臨界點

相變臨界點，見表1。

表1 相變臨界點

1.2 冷變形性能

螺栓用鋼的冷變形性能系指冷鐓性能和螺紋滾軋性能， 是以盡可能小的變形拉力和盡可能高而不產(chǎn)生破裂的變形能力來評價。 一般認為考核塑性的可靠指標斷面收縮率Z 在50%以上比較合格，而35VB 鋼在56%以上。 冷頂鍛試驗時，當鐓粗高度減小到1/2、1/3 時，表面均未出現(xiàn)裂紋，證明35VB 鋼有良好的冷變形性能。

1.3 淬透性

螺栓的最終性能主要取決于螺栓淬火后的金相組織。

35VB 鋼淬火后的金相組織是大量板條狀馬氏體與少量變晶馬氏體。 另外，根據(jù)石家莊鋼廠的實驗結果，當芯部要求90%馬氏體時，鹽水淬火的臨界直徑為φ38mm，而且從我公司多年的生產(chǎn)實踐證明，35VB 鋼的淬透性完全可以滿足生產(chǎn)10.9 級M36 及以下規(guī)格螺栓的要求。

1.4 力學性能

35VB 鋼經(jīng)不同淬火溫度、450℃回火后的力學性能見表2，經(jīng)870℃淬火不同溫度回火后的力學性能見表3?？梢?， 只要適當?shù)幕鼗饻囟忍幚恚?5VB 鋼的力學性能完全能滿足GB/T3098.1 中10.9 級高強度螺栓的要求。

表2 450℃回火后的力學性能

表3 870℃淬火不同溫度回火后的力學性能

1.5 低溫沖擊韌性

不同爐號的35VB，經(jīng)870℃水淬，450℃回火后，在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃及-76℃進行沖擊韌性試驗，結果見圖1。

圖1 35VB 不同溫度下的沖擊值

表明35VB 鋼的脆性轉變溫度低于-40℃。 沖擊斷口的宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)由室溫到-40℃所有斷口的特征都是灰色纖維狀，有剪切唇及放射狀裂紋擴展區(qū)，隨著試驗溫度的下降，-60℃時的斷口上只見明顯的放射狀裂紋拓展區(qū)，剪切唇很?。?76℃時斷口齊平無塑性變形。 沖擊斷口的電子顯微鏡觀察， 室溫至-20℃是穿晶斷裂具有塑性韌窩特征，見圖2，從-40℃到-76℃都是穿晶脆性斷裂，具有準解理花樣和撕裂棱特征，見圖3。

圖2 室溫至-20℃沖擊斷口圖

圖3 -40℃到-76℃沖擊斷口圖

1.6 抗延遲斷裂性能

對于高強度螺栓用鋼不但要考慮其常規(guī)力學性能，而且必須從斷裂力學觀點考慮其選材、 成分以及制定熱處理工藝。

另外， 從表4 看出， 所有樣件硬度檢測結果均低于39.8HRC（390HV），根據(jù)ISO/TR 20491：2019（GB/Z XX XX 已報批），螺栓硬度低于390HV 時，不會由于氫的存在而導致機械性能延遲下降，所以具有較高的抗延遲斷裂性能。

表4 35VB M36×L 10.9 級螺栓性能檢測結果統(tǒng)計表

通過對35VB 鋼斷裂韌度和應力腐蝕門檻值測定，以及大量的生產(chǎn)實踐證明，選用大于440℃回火工藝（我公司實際生產(chǎn)中回火溫度為450℃）， 在使用中不會發(fā)生延遲斷裂。

2 35VB 鋼的比較優(yōu)勢

2.1 資源優(yōu)勢

近30 年來，國內(nèi)外針對緊固件用材做了大量的研究開發(fā)工作， 諸如邢鋼在2010 年10 月又研制出10.9 級高強度螺栓用51B20 新鋼種，35VB 就是當時針對大直徑高強度螺栓而專門研發(fā)的鋼種。與同類其他鋼種相比，該鋼種不僅具有優(yōu)越的綜合性能，而且充分考慮了V、B 等合金元素在我國的富有資源，容易形成批量生產(chǎn)。

2.2 工藝性能

首先，35VB 在大冶鋼廠、 石家莊鋼廠等國內(nèi)大型鋼鐵生產(chǎn)廠家經(jīng)過30 多年的批量生產(chǎn)，工藝成熟，質量穩(wěn)定。 其次，相對于35CrMo、42CrMo， 35VB 在生產(chǎn)高強度螺栓時不再進行退火處理，符合我國節(jié)能減排的方針，而且該鋼材具有良好的冷變形性能， 適合于冷鐓生產(chǎn)高強度螺栓，生產(chǎn)效率較高，生產(chǎn)周期較短。 第三，35VB 熱處理工藝較為簡便，適合常規(guī)水淬工藝，特別是我公司采用托輥式網(wǎng)帶自動化生產(chǎn)線，性能十分穩(wěn)定，表4 為M36 螺栓批量生產(chǎn)性能檢測結果。

3 使用環(huán)境優(yōu)勢

35VB 具有較高的抗低溫脆斷性能，特別適合于我國北方地區(qū)的橋梁、高層建筑等室外環(huán)境使用，根據(jù)檢測結果對比，35VB 抗低溫脆斷性能不低于35CrMo、42CrMo（表5），特別適合風電機組等野外安裝使用。

表5 M36 螺栓42CrMo 與35VB 低溫沖擊對比

4 35VB 高強度螺栓的使用情況

35VB 鋼高強度螺栓最早用于1979 年5 月交付使用上海鐵路局滬杭線113 號橋，1982 年4 月由上海鐵路局檢定隊檢查認為狀態(tài)良好，沒有發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂。

用于大連起重機器廠與曼內(nèi)斯曼-德馬克公司合作生產(chǎn)的六套小方坯連續(xù)鑄造機的澆注平臺鋼結構上，結果證明是安全可靠的。

1987 年5 月，35VB 鋼及35VB 鋼大直徑高強度螺栓通過鑒定后，批量用于九江長江大橋鋼梁上。

進入上世紀90 年代后，35VB 大直徑高強度螺栓廣泛應用于上海楊浦大橋等公路橋梁、鐵路橋梁、高層建筑上。

但是，上述使用的是以M24 為主的M30 及其以下規(guī)格螺栓。 2000 年以后，我們打破GB/T 1228～1231 標準的限制， 進行了以M36 為主要規(guī)格螺栓的生產(chǎn)試驗，并大批量使用于風力發(fā)電機組上。

5 結論

綜合上述試驗論證、檢驗分析、生產(chǎn)實踐，得出如下結論：

35VB 鋼完全能夠滿足M36 規(guī)格10.9 級螺栓的性能要求，性能十分穩(wěn)定；當然，如果螺栓性能等級為8.8 級時，直徑規(guī)格還可以更大。

與35CrMo、42CrMo 相比，35VB 在低溫沖擊韌性、抗延遲斷裂性能上更優(yōu)。

35VB 具有優(yōu)良的冷變形性能，免退火，防脫碳，符合國家節(jié)能減排的方針、政策，且生產(chǎn)效率較高，生產(chǎn)周期較短。