近年來，為了實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，汽車行業(yè)正在加速向電動化轉(zhuǎn)型，與此同時，內(nèi)燃機領(lǐng)域也致力于二氧化碳減排、燃燒效率提升以及輕量化技術(shù)開發(fā)。伴隨著內(nèi)燃機高性能化發(fā)展趨勢，下游市場對高強度螺栓的需求見漲，截至目前，1600MPa級高強度螺栓已經(jīng)全面實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。為了提高螺栓強度，當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)是克服延遲斷裂和確保冷鍛性。為了滿足對更高強度的需求，各鋼鐵企業(yè)根據(jù)不同成分設(shè)計開發(fā)了各種高強度螺栓用鋼，如表1所示。另一方面，為了實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展，限制稀有合金的使用，業(yè)內(nèi)正在開發(fā)更多的新型鋼材。
在這一社會背景下，日本神戶制鋼開發(fā)了一種用于高強度螺栓的1600MP級調(diào)質(zhì)鋼，在節(jié)省合金用量的同時，還兼具抗延遲斷裂性和冷鍛性。本文介紹了所開發(fā)鋼材的設(shè)計理念和性能。
1傳統(tǒng)鋼材和新開發(fā)鋼材的材料設(shè)計理念
在開發(fā)常規(guī)高強度螺栓用鋼時，原奧氏體晶界處的晶間斷裂是調(diào)質(zhì)型螺栓延遲斷裂的特征之一，因此，提高抗延遲斷裂性能的基本方針就是晶界強化，表2所示的成分設(shè)計現(xiàn)有已開發(fā)鋼材的共同特征。其中，添加Mo和V并在高溫下回火，并使片狀滲碳體球化，可提高韌性和抗延遲斷裂性，同時利用Mo和V碳化物的二次硬化實現(xiàn)高強度。不過，在這種設(shè)計模式下，隨著強度的提高，必須增加稀有金屬Mo的添加量。此外，還衍生出了制造性和合金成本問題，且高強度化也受到一定限制。
另一方面，非調(diào)質(zhì)型螺栓也是實現(xiàn)高強度和抗延遲斷裂的另一種方法。眾所周知，非調(diào)質(zhì)型螺栓沒有原奧氏體晶界，因此，即使提高強度，也不太可能發(fā)生脆化。另一個優(yōu)點是可以通過拉絲加工進行強化，而無需添加特殊合金，但高強度鋼材在螺栓成型技術(shù)上還存在一定問題，尚未得到廣泛應(yīng)用。
本研發(fā)的目的是在不使用稀有金屬Mo和節(jié)省合金用量的情況下，開發(fā)一種1600MPa級調(diào)質(zhì)型高強度螺栓用鋼，該鋼種兼具抗延遲斷裂性和冷鍛性。為了在不使用合金碳化物的情況下提高強度，可以降低回火溫度，但這會導(dǎo)致在原奧氏體晶界形成片狀粗大滲碳體，從而降低韌性。因此，在低溫回火時抑制片狀滲碳體的形成和長大，以及提高韌性，這些至關(guān)重要，故而重點關(guān)注了Si。由于Si能抑制滲碳體的形成和長大，因此，在現(xiàn)有鋼材中廣為使用。此外，有報道稱Si添加鋼在400℃左右回火時會產(chǎn)生氫捕獲效應(yīng)，從而有望提高抗延遲斷裂性能。另一方面，Si會降低冷鍛性和抗延遲斷裂性，因此，傳統(tǒng)的高強度螺栓鋼通常在設(shè)計時都會減少Si的含量，本研究過程中，嘗試積極利用Si，在節(jié)省合金用量的同時實現(xiàn)理想的強度和韌性。
當(dāng)從外部環(huán)境中滲透的氫超過斷裂極限時，就會發(fā)生延遲斷裂。強度越高，斷裂極限值越低，因此，控制氫滲透非常重要。此外，考慮到氫陷阱可能會加速氫滲透。在此次開發(fā)中，為了同時減少氫陷阱和氫氣滲透，添加了可以有效抑制氫滲透的Cu和Ni。表2顯示了新開發(fā)鋼的成分設(shè)計。
2成分對抗延遲斷裂性能的影響
為了驗證利用Si同時實現(xiàn)理想強度和韌性的新理念，使用表3所示的Si添加量不同的鋼材作為鋼樣，并以1000-1200MPa級SCM435和SCM440作為對比材料，進行延遲斷裂試驗。
圖1顯示了延遲斷裂試驗結(jié)果，在1200MPa以上的高強度范圍內(nèi)，鋼樣表現(xiàn)出與1000-1200MPa級SCM鋼材相同的抗延遲斷裂性能。此外，不同鋼樣間的比較表明，Si的添加量越高，在高強度范圍內(nèi)的性能越好。結(jié)果表明，1.8%Si鋼具有作為1600MPa級螺栓用鋼的應(yīng)用潛力。接下來，為了驗證添加Si對抑制晶間斷裂的影響，對抗拉強度1500-1600MPa的SCM440（1565MPa）和1.8%Si鋼（1604MPa）進行了延遲斷裂試驗后，對斷口進行了觀察，結(jié)果顯示，SCM440顯示出明顯的晶間斷裂，而1.8%Si鋼則沒有顯示出晶間斷裂，斷口顯示為準(zhǔn)解理斷口和韌窩的混合斷口。從斷口表面的觀察結(jié)果可以確認(rèn)，1.8%Si鋼在1600MPa強度范圍內(nèi)的晶間斷裂受到了一定抑制。
為了考察Si對碳化物析出的影響，隨后對鋼樣和SCM440進行了金相組織觀察和差示掃描量熱分析（DSC），金相觀察結(jié)果顯示，隨著Si添加量的增加，碳化物變得更加細(xì)小，原奧氏體晶界上的碳化物也變得更細(xì)小。另外，通過比較1.8%Si鋼和SCM440，可以確認(rèn)1.8%Si鋼中的碳化物明顯更細(xì)小。差示掃描量熱分析（DSC）結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著Si添加量的增加，滲碳體的析出溫度向高溫一側(cè)移動，1.8%Si鋼中的析出溫度超過了400℃，這表明1.8%Si鋼中的滲碳體析出明顯受到抑制，碳化物變得更細(xì)小。
測定了氫擴散系數(shù)，以驗證金相組織觀察中證實的碳化物細(xì)化是否產(chǎn)生了氫捕獲效應(yīng)。結(jié)果如圖3所示，氫擴散系數(shù)隨著Si含量的增加而降低，這表明碳化物細(xì)化改善了氫捕獲效應(yīng)，明顯抑制了鋼中的氫擴散。此外，還驗證了Cu和Ni對耐腐蝕性能的改善，其目的是減少從環(huán)境中滲透的氫氣量，結(jié)果如圖4所示。1.8%Si鋼的腐蝕量降低到SCM440的1/3左右。隨著耐腐蝕性能的提高，還能有效減少與腐蝕相關(guān)的氫滲透。
由此可以推斷，1.8%Si鋼由于減少了晶間碳化物，碳化物細(xì)化改善了氫捕獲效應(yīng)；由于添加了Cu和Ni，有效提高了耐腐蝕性，抑制了氫氣的滲透，從而提高了抗延遲斷裂性能。
3螺栓試制評估
作為最終評估，進行了螺栓試制，以評估螺栓的成型性、鍛造力和抗延遲斷裂性能?？紤]到添加大量Si后相變溫度的變化，在進行球化退火后，在零件成型機上分三個階段進行了M8螺栓的試鍛。試制螺栓沒有出現(xiàn)裂紋或其他外觀質(zhì)量問題，且法蘭和頸部底部的鍛造流線無異常，成型性良好。
圖5顯示了試制螺栓的鍛造力。其中，1.8%Si鋼的鍛造力一直遠(yuǎn)高于SCM435，但在第三階段差值僅為8%，可以順利成型。通過優(yōu)化球化退火條件，即使是Si添加量較高的鋼材也能順利進行鍛造。對試制螺栓進行了延遲斷裂試驗，結(jié)果如圖6所示。1.8%Si鋼在1600MPa級強度范圍內(nèi)的抗延遲斷裂性能高于1200MPa級的SCM435，借助螺栓的延遲斷裂試驗，也驗證了其作為1600MPa級鋼材的應(yīng)用潛力。
4結(jié)語
通過利用Si元素，神戶制鋼所自主開發(fā)出一種1600MPa級調(diào)質(zhì)型高強度螺栓用鋼，不僅節(jié)省了合金用量，同時具有抗延遲斷裂性和冷鍛性。該鋼種目前已投入批量生產(chǎn)，為了應(yīng)對碳中和挑戰(zhàn)，今后還將在高強度鋼領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
