緊固件素來享有“工業(yè)之米”的美譽(yù)，是應(yīng)用量最大的基礎(chǔ)零部件。我國緊固件產(chǎn)量和產(chǎn)值逐年增長，近兩年緊固件年產(chǎn)量達(dá)到了900萬噸，居世界首位。但我國緊固件行業(yè)總體仍處于中低端水平，高端緊固件依賴進(jìn)口，進(jìn)出口單價相差7倍左右。高端緊固件主要應(yīng)用在汽車、航空、航天、航海、軌道交通裝備及國防等高端領(lǐng)域，據(jù)估算，我國高端緊固件的市場規(guī)模超過600億元。高端緊固件主要從日本、歐美等發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，在當(dāng)前復(fù)雜的國際環(huán)境下，高端緊固件容易成為我國重大裝備的“卡脖子”產(chǎn)品，因此亟需調(diào)整我國緊固件產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快推進(jìn)國產(chǎn)緊固件向高端化升級。在“碳達(dá)峰”和“碳中和”政策背景下，汽車、高鐵、航空、航天、國防等國家重大裝備制造用緊固件對長壽命超高強(qiáng)度緊固件有緊迫需求。超高強(qiáng)度緊固件可以在相同夾緊力下，通過減少自身尺寸來降低重量和增加安裝空間，因此可以對被連接部件進(jìn)行功能和體積優(yōu)化，從而使裝備達(dá)到整體減重和性能優(yōu)化的目的。據(jù)了解，一架現(xiàn)代飛機(jī)所用的緊固件總重量可占飛機(jī)總重的5%-6%，而一架中型飛機(jī)上的各類緊固件可達(dá)到200-300萬個。僅在飛機(jī)減重方面，超高強(qiáng)度緊固件就有巨大的市場需求。汽車行業(yè)是緊固件需求量最大的用戶，在緊固件行業(yè)中的用量占比23.2%，同時汽車用緊固件所需種類及數(shù)量眾多，占一輛汽車零件總數(shù)的40%，一輛轎車上平均使用緊固件約580種、5000件、50kg；有關(guān)報道表明整車重量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，二氧化碳排放量可減少5g/km，因此汽車行業(yè)對超高強(qiáng)度緊固件有迫切的需求。公開資料顯示，國外目前優(yōu)勢企業(yè)的緊固件最高強(qiáng)度級達(dá)到了17.8級。我國973項目依據(jù)國際發(fā)展?fàn)顩r，曾經(jīng)研制了13.9-15.9級的緊固件材料與緊固件。國外超高強(qiáng)度緊固件已經(jīng)形成了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范（如VDA 235-205），相比之下，我國相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后，急需制定相關(guān)的規(guī)范。為了促進(jìn)國產(chǎn)緊固件及材料的高端化發(fā)展，上海大學(xué)材料學(xué)院董瀚教授帶領(lǐng)的高性能鋼鐵材料團(tuán)隊依托“長三角”產(chǎn)業(yè)集群與產(chǎn)業(yè)鏈完全的優(yōu)勢，2017年在海鹽縣政府的支持下成立了“上海大學(xué)-海鹽緊固件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺”、2020年相繼成立了“上海大學(xué)-舟山市7412工廠高端緊固件研究院”和“上海大學(xué)-七豐精工高強(qiáng)度高端緊固件技術(shù)研究院”。2021年4月，在嘉善縣政府的大力支持下，上海大學(xué)與嘉善縣政府成立了“上海大學(xué)（浙江）高端裝備基礎(chǔ)件材料研究院”，立足“長三角”，圍繞國家“四個面向”要求開展基礎(chǔ)件相關(guān)工作。超高強(qiáng)度緊固件及材料的研制是研究院的重點項目。該項目成功研制出19.8級超高強(qiáng)度緊固件，是國際上緊固件與材料攀登強(qiáng)度高峰的一個突破。將有力地推動我國重大裝備的輕量化制造，促進(jìn)中國的鋼鐵生產(chǎn)與緊固件制造領(lǐng)先世界。這次超高強(qiáng)度螺栓的研制突破預(yù)示著我國基礎(chǔ)件與材料從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的過程正在加速。本項目通過“材料生產(chǎn)—緊固件制造—服役評價”全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作，基于鋼鐵材料高性能化理論，精細(xì)控制鋼材生產(chǎn)全流程，獲得高的潔凈度、高的均勻度和高的組織度。通過優(yōu)化熱處理工藝，利用M2C二次硬化原理進(jìn)一步提高強(qiáng)度（如圖1），同時改善氫致延遲斷裂性能，從而成功研發(fā)出滿足服役性能的超高強(qiáng)度緊固件用B17.8及B19.8鋼。
本項目利用龍鳳山鑄業(yè)生產(chǎn)的高純鐵原料進(jìn)行冶煉，控制鋼的純凈度，成功研發(fā)出超高強(qiáng)度緊固件用B17.8及B19.8鋼，形成了16.8級和19.8級緊固件制造技術(shù)。主要創(chuàng)新性進(jìn)展：1、形成緊固件用鋼超高強(qiáng)化組織調(diào)控技術(shù)。通過調(diào)控奧氏體晶粒尺寸、細(xì)化基體組織，在此基礎(chǔ)上通過合金化及熱處理工藝優(yōu)化，獲得納米級M2C析出相進(jìn)一步強(qiáng)化，使緊固件用鋼獲得良好的強(qiáng)度和塑韌性匹配，滿足16.8和19.8級緊固件性能要求。2、形成氫陷阱與強(qiáng)化界面的降低延遲斷裂敏感性技術(shù)。在基體中導(dǎo)入密集細(xì)小的氫陷阱，結(jié)合晶界偏聚元素強(qiáng)化晶界，有效阻礙了氫的擴(kuò)散和偏聚，顯著提高耐延遲斷裂性能。3、形成了夾雜物性態(tài)控制的提高抗疲勞破壞性能技術(shù)。通過控制雜質(zhì)元素總量≤100 ppm和有害低熔點元素總量≤300ppm的高純凈度控制方法，控制夾雜物性態(tài)與空間分布，有效地減少了疲勞裂紋源。
通過材料和熱處理工藝優(yōu)化，16.8級和19.8級螺栓室溫抗拉強(qiáng)度分別滿足1600~1770MPa和1900~2070MPa，16.8級和19.8級緊固件實物如圖2所示。剪切測試（依據(jù)GJB 3376-1998）結(jié)果表明，16.8級和19.8級螺栓剪切力分別達(dá)到97KN和115KN；室溫拉伸疲勞強(qiáng)度測試（依據(jù)GJB 3376-1998及GJB715.30A-2002，載荷比=0.1）結(jié)果表明，研制的緊固件滿足疲勞壽命要求（平均疲勞壽命不低于65000次，單個疲勞壽命不低于45000次）；耐延遲斷裂性能試驗（根據(jù)GJB 715.12-1990，大氣環(huán)境下恒定拉應(yīng)力保持96小時）結(jié)果表明，螺栓在測試時間內(nèi)未發(fā)生斷裂破壞，卸載后螺栓表面及螺紋處未發(fā)現(xiàn)裂紋；新研制的超高強(qiáng)度螺栓綜合性能滿足使役要求。
