螺丝 紧固件与紧固件材料的发展方向（中）

  

1紧固件产业概况 

螺钉、螺栓等紧固件是许多产业使用的、便于安装和拆卸的紧固用机械零件，用途十分广泛，从钟表、手机等小型产品 到住宅、大厦等建筑物，在组装时都要用到紧固件。所以紧固件是所有产业的基本的、通用的零件。因此，紧固件市场情况受到汽车、机械、建筑等使用螺钉、螺栓 产业变化的很大影响，同时也是这些产业生产状况的反映。

　　不久前，世界紧固件市场由亚洲、美国、欧洲均等分割，近年来由于中国产量的增加，亚洲紧固件产量占据了世界产量的一半以上。过去日本一直保持紧固件生产世界第一大国的地位，近年来中国紧固件产量大幅度增加，在2005年产量超过日本居世界第一。

　　2紧固件技术的发展动向

　　2.1紧固件的种类和用途

　 　紧固件的尺寸一般采用公制螺纹，按照直径和螺距的不同分为粗罗纹和细罗纹。由于紧固件有各种不同的尺寸、精度、强度和制作材料，这些元素组合起来使紧固 件的种类有数十万、上百万之多。粗略说，紧固件可分为螺栓类的阳罗纹产品和螺母类的阴罗纹产品。按照紧固件头部转动部位的形状有十字槽头、头部单槽、六角 头等。此外，对于不同使用环境和用途，紧固件还有附加特性，所以紧固件的分类相当复杂。

　　关于螺钉、螺栓的强度表示方法，第一个数字是以 MPa为单位的公称抗拉强度的1/100，第二个数字是公称下屈服点与公称强度之比的10倍，例如“10.9”，表示公称抗拉强度为 1000MPa，0.2%屈服强度为900MPa的螺栓。螺母的强度用与之组合使用的最高强度螺栓的强度级别数字来表示。不锈钢紧固件的强度用钢种和抗拉 强度级别数字的组合来表示，例如“A2-50”。这些表示方法是国际统一的紧固件强度表示方法。紧固件是工业产品中标准化进行的最好的产品，详细规定可见 ISO标准。

　　紧固件用材有碳素钢、合金钢、不锈钢等钢铁材料和铜、铝等非钢铁材料，仅普通碳素钢、合金钢和不锈钢紧固件的品种就非常之多。

　　2.2紧固件的技术开发

　　1）紧固件高强度化

　　提高紧固件的强度，可以使紧固件减少使用数量、缩小直径、减轻重量。但需要解决抗拉强度达到1200MPa，屈强比大于90%的螺栓发生延迟断裂和疲劳断裂的问题，因此，高强度螺栓用钢的开发固然重要，高强度螺栓制造技术的开发也要同时进行。

　　2）紧固件的小型轻量化

　　在不损失紧固性能的前提下，对小型轻量化的紧固件进行开发。为此对紧固件用新材料和紧固件形状进行了研究，同时也对难加工材料的加工方法进行开发。

　　3）新材料利用

　　对航空器和和医疗设备用的紧固件材料和提高紧固性进行了开发，开发出Ti合金、Mg合金等新材料紧固件。

　　4）紧固技术和防松弛技术

　 　为使紧固件牢固地紧固在部件上，防止因松弛发生事故，对紧固技术和防松弛技术进行了研究。由于不认真安装紧固件导致紧固性下降引发大事故的情况不断发 生，所以不能掉以轻心。应当认识到，紧固件的容易安装和安全使用是两个完全不同的概念，发挥紧固件的紧固作用的关键在于正确的安装作业，因此不能停止对提 高紧固设计和强化紧固作业的施工方法的开发。

　　3汽车用紧固件

　　汽车中使用大量的紧固件。数量至少有1000多个。此 外，外购的组装部件中也有紧固件，所以汽车实际使用的紧固件数量更多。汽车紧固件需要研究的问题是高强度化和提高质量。汽车紧固件的高强度化可减轻紧固件 重量和相应部件的重量，这将是今后混合动力型汽车和纯电动汽车永恒的课题。汽车紧固件质量方面最需要解决的问题是防止廉价高强度材紧固件的延迟断裂。

　　3.1汽车紧固件的强度级别和使用钢种

　 　各汽车厂使用的标准螺栓是8.8级螺栓，多为硼钢制品。硼钢螺栓价格较低，原因是硼的含量很少，可以使钢的碳当量很低，可省略加工前的球化退火。 10.9级螺栓是合金钢和硼钢制品，与8.8级硼钢螺栓不同之处是，降低了P、S等导致延迟断裂的有害元素含量，并且在拔丝中使用无渗磷润滑涂层。 12.9级汽车螺栓是合金钢制品，14.9级汽车螺栓是特殊合金钢制品，钢中杂质含量低，并且添加V等碳化物析出元素俘获钢中的氢，提高抗延迟断裂性。汽 车批量生产中使用的最高强度级别的螺栓是16T，其材质是拔丝加工的共析钢，钢中的碳化钒将氢俘获，使之无害化，螺栓的紧固能力进一步提高，因此，也可用 来制造16.9级超高强度螺栓。

　　

　　3.2汽车螺栓的高强度化

　　汽车螺栓的高强度化可使部件轻量化和小型紧凑 化，因此高强度螺栓的需求量会不断增加。特别是汽车发动机、传动系统和电动机周围的螺栓轻量紧凑化对周围部件的轻量化和性能提高有很大作用。因此这些部位 都使用高强度螺栓。例如用16T级高强度螺栓M9代替传统材质螺栓M12，每个螺栓减少重量80g，整个连杆减重240g，并使发动机整体轻量化和小型 化。

　　3.3汽车螺栓的延迟断裂

　　汽车螺栓的延迟断裂是最令人担忧的质量问题。螺栓延迟断裂常发生在螺栓制造后的若干 年，原因有设计问题和制造问题。制造方面的原因有，高表面硬度或高内部硬度材料、热处理不良，螺帽根部、罗纹底部的R过小，螺栓内钢质的纤维流线不当等形 状因子等原因，这些问题通过加强工艺管理可以解决。成为问题的是设计失误，即对延迟断裂安全系数的设定错误。螺栓的断裂除了延迟断裂，还有疲劳断裂、冲击 断裂、韧性断裂等断裂形式，需要通过强度计算和进行实验设定适宜的安全系数。对于疲劳断裂和冲击断裂可以高精度地确定安全系数，这是因为对这些断裂模式已 经有了充分的理论知识，并且进行了长达数月的试验测定。但对于延迟断裂，从十多年前开始逐渐认识到扩散性氢导致空洞形成的机理，并采用氢俘获技术生产抗延 迟断裂钢，但还不能设定市场供货螺栓的安全系数。

　　将疲劳断裂与延迟断裂进行比较可知，对于疲劳断裂有疲劳极限值，但对于延迟断裂则没有 极限值的确定指标。在解决延迟断裂安全系数设定方面，钢铁企业对延迟断裂机制的研究和新材料的开发固然重要，但用户方面的使用信息也不可忽视。螺栓在使用 中发生断裂是不应有的现象，但从断裂螺栓中获得的信息对于延迟断裂的研究十分重要。断裂螺栓是多少销售量中的一个，行驶多长时间、行驶多少公里后发生断裂 等等都是很重要的信息。并且从断裂螺栓中还可以获得关于表面硬度、内部硬度、渗磷情况等各种因素的信息。因此，在今后关于延迟断裂评价方法和基准值设定的 研究中，应注意理论研究、实验室研究和使用信息分析相结合。

　　4工程机械用紧固件

　　4.1推土机和挖掘机用螺栓

　　1）螺栓的强度级别

　 　JIS规定了3.6-12.9共10个螺栓强度级别，但推土机和挖掘机用螺栓的99%是10.9级和12.9级，极少量为9.8级及以下的螺栓。一台 65t级推土机螺栓用量总计约6000个，其中12.9级占8.5%、10.9级占8.5%、9.8级及以下占1.1%。一台20t油压挖掘机螺栓用量总 计约2000个，其中12.9级占12.2%、10.9级占87%、9.8级及以下占0.8%。螺栓使用量的上述比例关系近10多年没有变化。原因是工程 机械的工作环境是不规整的地面，并且经受风吹雨淋。在这种大负荷和恶劣环境下，需要采用较高强度螺栓对部件进行高轴力紧固，另一方面强度超过12.9级的 螺栓价格较高，并且抗延迟断裂性还有一定问题。因此螺栓用量比例多年没有变化。

　　2）螺栓的尺寸和形状

　　除了特殊螺栓， 一般螺栓的公称直径有M4-M36共计15种，但大部分是M10-M20。螺栓公称长度是12-95mm。推土机中共使用螺栓约250种，油压挖掘机中共 使用螺栓约130种。使用的螺栓形状大部分是六角螺栓，此外还有内六角螺栓、凸缘螺栓、吊环螺栓等，没有特殊形状的螺栓。过去，对螺栓和相应的垫片是分别 管理的，后来开发出的组合螺栓是一种组合了垫片的凸缘螺栓，采用组合螺栓，可对螺栓和垫片按一个零件编号进行管理，减少了零件编号，并使垫片小型化，同时 还可以防止垫片漏装的问题。但目前组合螺栓只有M14以下的细径螺栓，期待组合螺栓规格的扩大。

　　3）螺栓的材质和热处理

　　JIS中对螺栓的材质没有具体规定，对碳素钢只规定了含碳量的上下限，对高强度螺栓用的低合金钢，只将B、Mn、Cr作为参考添加元素。也就是说，只要力学性能符合标准规定，使用什么材质都可以，因此工程机械用螺栓也因制造厂家的不同而不同。

　 　强度在10.9及以上的螺栓都要进行淬火回火处理以达到要求的力学性能。常规工艺是，在大气气氛下将连续式加热炉加热的螺栓进行油淬，然后立即进行回 火。但对于12.9级的大直径螺栓，由于加热时间相对较长，要进行保护性气氛加热，防止罗纹牙和罗纹底部出现异常脱碳。这时需要特别注意的是不要因过于担 心脱碳，反而造成渗碳。

　　4）螺栓的表面处理

　　为防止螺栓的锈蚀和粘结，要对螺栓进行表面处理。在对螺栓进行镀锌时，过去曾使用6价铬系钝化处理液，但查明6价铬对人体的有害影响后，就完全停止使用。现在已经全部使用无害的3价铬系钝化处理液，为强化防锈效果，螺栓的镀层厚度大于JIS的规定。

　　4.2提高推土机和挖掘机螺栓紧固效果的措施

　 　由于螺栓的设备事故主要是螺栓的松弛和延迟断裂。螺栓接触面弹性衰减引起的非转动松弛是螺栓松弛的一种形式，但主要松弛形式仍然是扭转力不足引起的转动 松弛。为防止转动松弛，采用的方法是使用超高强度螺栓和更大扭转力进行紧固。为此开发出强度超过JIS强度级别的超高强度螺栓。一般来说，螺栓的强度越 高，延迟断裂的危险性越大。强度为12.9级的履带螺栓的紧固方法是塑性转动紧固法，首先用预扭矩进行紧固，然后再按照预定的转动角度进一步扭转螺母进行 紧固。连接一片履带要使用4个螺栓，用全自动螺母拧紧器同时对4个螺栓进行紧固。目前正在研究通过增加螺母转动角度和将液压螺母拧紧器改为电动拧紧器等方 法，提高更加稳定的紧固力。

　　作为推土机和挖掘机移动装置的履带是与土石接触承受剧烈摩擦的消耗部件，在使用过程中要多次被拆检和更换。 这时必须将履带螺栓拆卸下来，由于履带螺栓的头部也受到磨损，所以常常发生扳手卡不住螺栓头的情况。特别是推土机移动频繁，这种情况更是常常发生。为此， 对推土机履带螺栓头部进行高频淬火，提高其硬度。此外，超大型推土机履带螺栓头部比传统螺栓头部大5mm，以增加磨损裕量。

　　4.3工程机械用螺栓的发展动向

　　如前所述，十多年来，工程机械用螺栓没有明显的变化。并且工程机械也几乎不采用其他紧固方法代替螺栓连接。原因是螺栓紧固的可靠性很高，并且已经紧固的螺栓也比较容易拆卸，即便于更换和维修。因此，提高螺栓的性能和性价比，比试图减少或取代螺栓的探索更有意义。

　　螺栓紧固后不松弛和容易拆卸是两个相反的特性。为了提高这两个特性，应不使螺栓生锈和粘结，为此多年来在提高罗纹精度、采用涂装和表面处理技术以及改进紧固方法等方面开展了大量的工作。

　 　在螺栓成本方面，材料费占的比例最大，其次是加工费和热处理费。因此，为实现更高的性价比，需提高螺栓用料的成材率。为此，在小型螺栓制造中实现了螺栓 头部的无飞边模锻成型和罗纹的滚轧成型，期待将这些技术扩大应用到大型螺栓的制造。在螺栓用钢方面，工程机械用大规格高强度螺栓，因一直存在的延迟断裂和 淬透性问题，成为影响扩大使用的瓶颈。

　　在淬透性方面，用价格低廉效果又好的B替代高价合金元素，期待今后开发出低淬透性钢加热后也可以 进行充分冷却的热处理技术和非调质钢高强度螺栓。在抗延迟断裂性方面，由于钢铁厂开发出超高强度螺栓用钢，并且在技术上是可行的，但是价格仍然较高。对于 常规的12.9级螺栓来说，降低合金元素含量后，回火温度就要下降，由此会增加延迟断裂的危险性，所以期待着开发出低成本、高可靠性的新型超高强度螺栓用 钢。