淺談摩托車高溫用耐熱鋼緊固件的熱處理

李緒淼

摘要：隨著21世紀科技突飛猛進的背景下，我國高強度緊固件的開發研究有了一定的進步。馬氏體型耐熱鋼緊固件是指具有較好的熱穩定性和熱強性能，在摩托車發動機使用，可以達到更高設計應力，減輕摩托車自身重量，各類材料選擇不同的熱處理工藝得到的顯微組織，對緊固件的力學性能起著重要作用。

關鍵詞：摩托車;耐熱鋼;緊固件;熱處理

引言

我國近幾年對不銹耐熱鋼和鎳合金緊固件產品從品種、規格各方面都形成了一定量的需求，但是某些材料依賴進口，緊固件產品的功能特性還不能有效滿足裝備需要，產品的穩定性及可靠性仍有差距。汽車車輛、軌道交通、海洋工程、燃氣輪機等領域和重大裝備對不銹耐熱鋼緊固件的需求日益增長。在摩托車發動機組裝不可或缺的螺紋連接上，在提出了輕量化的要求后，勢必追求更高設計應力，更加合理的緊固技術。為了減少高強度緊固件氫脆斷裂的危險，而采用不銹耐熱鋼制造發動機螺栓，是使用最有效的措施之一。

1緊固件用馬氏體型耐熱鋼牌號

馬氏體型耐熱鋼是指具有較好的熱穩定性和熱強性的鋼，如20Cr13、22CrMoV12和40Cr10Si2Mo等鋼在高溫下具有較高的強度，又稱馬氏體型不銹鋼。都是發動機上重要緊固件材料，工作時要承受較高的機械負荷和熱負荷。

摩托車用發動機上的M5～M10連接螺栓要求有足夠的高溫強度和耐磨性能，良好的抗氧化性和抗燃氣腐蝕性，較高的熱傳導率和較低的膨脹系數，以及優良的冷熱加工和焊接性能，發動機上的螺栓材料應按照螺栓的工作溫度、工作環境及耐久性要求來選擇。

2高溫連接緊固件熱處理

2.1高溫連接緊固件熱處理工藝

高溫連接緊固件盡管有大量的含鎳、含鉻的耐熱材料牌號選擇，但是還必須通過正確的熱處理手段，才能更好地發揮耐熱鋼的功能。可以說，熱處理生產是提高高溫連接緊固件品質和使用可靠性的重要保證。

2.2高溫連接緊固件材料特質

馬氏體型耐熱鋼是指具有較好的熱穩定性和熱強性的鋼，20Crl3、30Crl3不銹鋼的最低含鉻量是11，7%，考慮到碳和鉻的結合成碳化鉻這一客觀存在，為保證鋼中的鉻與碳化合后仍能保持耐腐蝕所要求的最低限度，規定不同的含碳量主要出于機械性能的考慮。這類鋼因穩定奧氏體元素的作用占優勢，鋼的組織也因之發生變化，它們在加熱與冷卻時具有a Fe→y Fe的多型轉變，加熱時可形成奧氏體，此奧氏體僅存在與高溫，冷卻時則發生y Fe→M轉變。由于鉻顯著的降低鋼的臨界淬火速度，Cr13型不銹鋼自高溫加熱后在空氣中冷卻就可以得到馬氏體組織。20Cr13鋼的淬火溫度在920°C～1000°C之間、30Crl3鋼含碳量較高，組織中碳化物業就比較多，為使碳化物在淬火加熱時溶解得充分，提高淬火馬氏體的硬度和耐腐蝕性能，通常采用的淬火溫度比較高為1000℃-1050℃之間，450℃～700℃高溫回火后的Crl3型不銹鋼，基體組織轉變為回火索氏體，強度、塑性及沖擊韌性等綜合機械性能最佳，且耐腐蝕性能也較高。

ML41CrMoV和40Cr10Si2Mo鋼，在高溫下具有較高的強度，是發動機上重要螺栓材料，工作時要承受較高的機械負荷和熱負荷。采用真空爐氮氣保護加熱，淬火+高溫回火（調質熱處理），淬火溫度分別為880℃-910℃和990℃-1010℃油冷;回火溫度分別為：670℃-710℃和690℃-730℃，加熱必須滿足奧氏體均勻化，以達到高強度螺栓的技術要求。

14Crl7Ni2鋼在成型后須通過熱處理以獲得優異的綜合性能。在調質狀態下，材料的顯微組織中主要有8鐵素體、殘余奧氏體、馬氏體及碳化鉻析出相，這些相的形態、分布和比例決定了鋼的力學性能。一般情況下，馬氏體相和少量碳化鉻析出相共同作用達到強化材料的效果，而過多的8鐵素體相和碳化鉻析出相將降低材料的塑性和韌性。

14Crl7Ni2鋼淬火溫度為960℃-990℃，回火應避開脆性區475℃～550℃。淬火后的正常組織是馬氏體+8鐵素體，當淬火溫度過高時，會誘發鋼中8鐵素體與殘余奧氏體含量增加，降低沖擊韌性值;當降低淬火溫度，奧氏體化不完全，淬火后組織內殘留大量奧氏體，影響抗拉強度和硬度。而對于大規格直徑螺栓最佳熱處理工藝，淬火溫度為1040℃;560℃回火的組織為回火索氏體和少量淬火馬氏體，在相鄰晶粒之間均勻分布少量塊狀8鐵素體，含量小于10%、呈分散分布，抗拉強度值約為1 190MPa，沖擊功大于49J。而在600℃回火后碳化鉻含量會顯著降低，其抗拉強度也會隨之下降，對于10.9級高強度螺栓回火溫度應選擇在580℃～610℃。

回火保溫時間的延長有利于碳化物的析出和馬氏體相回火索氏體的轉變，使材料組織更加均勻化，綜合力學性能得到改善，在調質前進行高溫回火預處理無法消除和改變8鐵素體，但通過調質改變組織形態可以提高沖擊韌性。若在高溫下重復回火會降低14Crl7Ni2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，必須盡量避免。

2.3高溫連接緊固件熱處理金相組織

摩托車馬氏體不銹耐熱合金鋼材料的緊固件，經調質處理后，基體組織為回火索氏體。根據材料類型和熱處理工藝的不同，30Crl3和20Cr13鋼為回火索氏體+少量鐵素體;14Crl7Ni2鋼為回火索氏體+顆粒狀碳化物+少量塊狀鐵素體;ML41CrMoV和40Crl0Si2Mo鋼為回火索氏體+少量鐵素體。

3結束語

總而言之，摩托車發動機高溫連接緊固件主要其失效往往引發較嚴重的功能甚至安全問題。螺栓、螺釘、螺柱與螺母的配合選擇應滿足制造材料的一致性，按照GB/T3098.8的規定，螺母和與之配合的螺栓、螺釘、螺柱材料強度比值應大于0.7，以免發生高溫松弛，保證其質量。