汽車用耐熱緊固件團標的制定及A286合金螺栓的研制

錢 鵬 陸恒昌 袁 峰

(1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201206；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

近年來，國家始終要求汽車行業(yè)實施節(jié)能減排。目前汽車企業(yè)的節(jié)能減排措施主要包括整車輕量化和采用高效內(nèi)燃機、渦輪增壓技術(shù)、自動變速器、混合動力、電子控制技術(shù)等。其中渦輪增壓技術(shù)可提高發(fā)動機比功率和比扭矩，實現(xiàn)發(fā)動機小型化，因此被認為是更經(jīng)濟有效的節(jié)能減排技術(shù)。但由于渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速較高，服役溫度可達1 000 ℃，因此需采用耐熱材料制作，包括緊固件[1-3]。但目前國內(nèi)耐熱緊固件的標準及產(chǎn)業(yè)鏈不健全，因此汽車用耐熱緊固件及原材料嚴重依賴進口，其貨源受到近期不穩(wěn)定國際貿(mào)易形勢的影響。A286鐵基沉淀硬化型高溫合金具有較好的熱穩(wěn)定性、塑性及良好的耐蝕性，是目前汽車發(fā)動機中用量最大的緊固件材料[4]。鑒于這種情況，泛亞汽車技術(shù)中心有限公司聯(lián)合上下游企業(yè)制定了汽車用耐熱緊固件團體標準，并開展了A286合金螺栓的研制，對推動汽車用緊固件制造及材料生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈的建立具有重要意義。

1 汽車耐熱緊固件的選材

為了滿足超低排放的要求，對汽車發(fā)動機的效率和運行溫度的要求不斷提高。發(fā)動機排氣側(cè)的溫度往往是最高的，其緊固件承受極其復(fù)雜的高低溫交變應(yīng)力，因此對發(fā)動機熱端零件用材料及制造工藝的要求很高。對于緊固件，普通的冷鐓低碳鋼或合金鋼及普通的鍍涂等表面處理均難以滿足要求。圖1為美國卡朋特公司(Carpenter)提出的常用耐熱緊固件材料及使用溫度。可以看出，A286鐵基合金的使用溫度不高于700 ℃；含鎳量更高的NCF 3015合金使用溫度可提高至700～760 ℃；80A鎳基合金的使用溫度最高，可達820 ℃，但成本很高；431不銹鋼具有高的強度但使用溫度相對最低，成本也較低。因此選材時既要顧及性能也要考慮成本。

圖1 耐熱緊固件材料的選用

表1為國內(nèi)采用耐熱緊固件連接的主要汽車零部件，可見緊固件所用材料基本為國外標準或國外廠標的材料。其中A286合金主要用于增壓器與排氣歧管/催化器、排氣歧管與缸蓋、催化器與排氣管等的連接件，使用數(shù)量一般3～9件不等。

表1 國內(nèi)用耐熱緊固件連接的汽車零部件

2 團體標準的制定

國內(nèi)雖有耐熱材料的相關(guān)標準，但目前尚沒有全面而系統(tǒng)的牌號或生產(chǎn)標準，因此大部分緊固件廠采用ASTM、EN及JIS等標準。緊固件企業(yè)依靠進口材料及其標準進行生產(chǎn)，汽車發(fā)動機熱端緊固件完全依賴進口或采用進口材料生產(chǎn)，圖紙標注的均為國外標準牌號，如日本大同特殊鋼及美國卡朋特等。為了推動耐熱緊固件用材料自主供貨，泛亞汽車技術(shù)中心有限公司聯(lián)合上下游企業(yè)通過中國汽車工程學(xué)會立項，制定了T/CSAE 99—2019 《汽車緊固件用耐熱鋼技術(shù)條件》及T/CSAE 136—2020 《汽車高溫連接緊固件技術(shù)條件》兩項團體標準。團標的主要技術(shù)內(nèi)容涵蓋了緊固件用冷鐓耐熱材料的相關(guān)技術(shù)要求、盤條和線材技術(shù)要求、耐高溫緊固件生產(chǎn)制造技術(shù)條件和表面處理技術(shù)條件，還有包含力學(xué)性能、扭矩測試的系統(tǒng)裝配驗證技術(shù)條件及標識標記、包裝交貨要求等，適用于發(fā)動機熱端緊固件，包括螺栓、雙頭螺柱和螺母等。表2和表3分別為T/CSAE 99—2019和T/CSAE 136—2020中的材料牌號及其對應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)?？梢娝信铺柲芑緷M足目前國內(nèi)對汽車發(fā)動機用耐熱緊固件的需求。

表2 T/CSAE 99—2019中耐熱材料的基本數(shù)據(jù)

表3 耐熱緊固件用材料的高溫力學(xué)性能

3 A286合金螺栓的研制

A286合金螺栓的制造工藝流程為冶煉→開坯→熱連軋→盤條酸洗→覆膜處理→拉絲→固溶處理→酸洗→輕拉→檢驗→冷鐓→搓絲→時效→性能檢測。

3.1 冶煉

采用真空感應(yīng)(VIM)+電渣重熔(ESR)工藝冶煉試驗合金，化學(xué)成分如表4所示。經(jīng)過開坯和熱軋至公稱直徑9 mm 的盤條。

表4 螺栓用A286合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

通過Thermo-calc軟件計算試制A286合金的相圖如圖2所示。由圖2可知，A286合金的熔點為1 390 ℃，固相線溫度為1 232 ℃，在1 232 ～530 ℃基體為奧氏體，平衡析出相包括Laves相(析出溫度683～955 ℃)、σ相(析出溫度710 ℃)及Ni3Ti(析出溫度770 ℃)。

圖2 A286合金相圖

3.2 拉拔及時效工藝對螺栓性能的影響

在最后一道次拉拔過程中，研究了減面率及時效時間對螺栓性能的影響。減面率為8.0%～42.5%，時效溫度為730 ℃，時效時間分別為4、8、12、16和20 h，試驗結(jié)果如圖3所示?？梢?，抗拉強度隨著拉拔減面率的增加而提高。隨著時效時間的增加，合金的抗拉強度均先升高后下降。時效處理后，抗拉強度大幅度提高。時效4～12 h的合金，抗拉強度均增加，但時效12 h以上的合金強度下降。時效16～20 h的合金強度趨于穩(wěn)定。A286合金的強化主要與FCC結(jié)構(gòu)的有序相γ′即Ni3(Al,Ti)的析出有關(guān)，該相與奧氏體基體保持共格關(guān)系[5-6]。隨著時效時間的增加，析出相含量增加，因此強度提高，但到一定程度后，析出相的含量不再明顯增加，而且還可能發(fā)生Oswald熟化變粗[7-8]，導(dǎo)致隨著時效時間的延長強度下降。根據(jù)技術(shù)要求，時效后A286合金的抗拉強度應(yīng)為900～1 150 MPa，因此由以上結(jié)果可知，采用8%～18%的拉拔減面率和16～20 h的時效時間可使A286合金的強度達到要求。

圖3 拉拔減面率和時效時間對A286合金抗拉強度的影響

3.3 固溶溫度對晶粒度的影響

合金的晶粒尺寸決定于固溶處理的溫度和時間。一方面晶粒細化可有效提高金屬材料的室溫力學(xué)性能，另一方面，晶粒過于細小不利于高溫性能，因此適當(dāng)?shù)木Я６葘286合金的使用性能也至關(guān)重要[9-11]。研究了固溶處理溫度對合金晶粒度的影響，結(jié)果如圖4所示。可見在900～950 ℃固溶處理的A286合金晶粒度為9～10級，970 ℃固溶處理的合金晶粒度減小至8級，990 ℃固溶處理的合金晶粒度減小至6級。技術(shù)條件要求的A286合金晶粒度為6～8級，因此，合理的固溶溫度為970～990 ℃。

圖4 A286合金的晶粒度隨固溶處理溫度的變化

3.4 螺栓的制造及高溫持久性能

冷鐓是制造A286合金螺栓的難點，需進行良好的覆膜處理，本文采用草酸鹽涂層技術(shù)處理。基本工藝為：總酸度11～20點，促進度1～3點，溫度90～100 ℃，時間20～40 min，涂層厚度8～9 g/m2。結(jié)果表明：經(jīng)上述工藝處理的涂層潤滑性能較好，能滿足冷鐓要求。

通過匹配的冷鐓和熱處理工藝制備了M8螺栓產(chǎn)品，質(zhì)量檢驗結(jié)果表明，其外觀、尺寸、顯微組織、力學(xué)性能及鎖緊力均達到了技術(shù)要求。顯微組織如圖5所示，經(jīng)王水腐蝕后顯示出了奧氏體孿晶界。

圖5 試制A286合金螺栓的顯微組織

根據(jù)GB/T 2039—2012在650 ℃以385 MPa的應(yīng)力進行了持久試驗，試驗100 h后試樣斷裂，抗拉強度和斷后伸長率如表5所示?？梢娝兄频腁286合金螺栓的持久性能符合要求，且高溫強度和斷后伸長率高于進口材料。

表5 A286合金螺栓的高溫持久試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)制定的耐熱緊固件的團體標準T/CSAE 99—2019《汽車緊固件用耐熱鋼技術(shù)條件》和T/CSAE 136—2020《汽車高溫連接緊固件技術(shù)條件》能滿足國內(nèi)汽車發(fā)動機制造的需求，為健全相關(guān)標準邁出了重要一步。

(2)通過聯(lián)合上下游企業(yè)，成功研制了A286合金耐熱緊固件，其使用性能滿足相關(guān)技術(shù)要求。A286合金螺栓的最佳拉拔和熱處理工藝為：輕拉減面率8～18%，(980±10)℃固溶處理及(720±10)℃時效16 h。

致謝：參與本文研究工作的李瑛(東北特殊鋼集團股份有限公司)、趙萍麗(舟山市7412廠)、張波(上海海德信金屬材料有限公司)、董瀚(上海大學(xué))等。