根据别列叶夫“汽车标准件厂”的经验

【俄】B.B马伊斯特连科等著 江苏朱燕贞译

一、前言　　

在现化化机械中，紧固件(螺栓、螺钉、螺柱、螺母、垫圈等)的数量占零件总量的60%，因此提高紧固件的生产效率是甚为迫切的任务。　　

大量的紧固件是应用冷体积冲压过程制造的：镦粗、缩径、正挤压和反挤压等。　　

根据汽车紧固件的主要发展趋势(几何形状复杂化见图1)，提高汽车紧固件强度和精度，将对用来制造紧固件的材料提出高的要求。　　

对冷体积冲压用钢的一整套要求中，占特别地位的是在冷态下不可变形性的指标,既变形程度达70%-75%的变形能力时不形成裂纹、断裂、剪移带和其它塑性(延伸率和收缩率高)。金属的可变形性将决定凹模腔的充填能力，以及再现凹模表面几何形状的精度。　

　二、评价可变形性的方法　　

熟知的评价可变形性方法(镦粗试缺陷。冷体积冲压用钢应该有高的原始验，扭转试验等)可登记用于冷体积冲压的材料卡，可按大小排列进行材料的比较，但不适于在制造具体制件时(例如用冷镦法)预测材料的形状，因为在这些评价中没有考虑真实的应力一应变状态、变形的温度一速度条件，以及工具的强度特性。　　

为了确定可变形性、变形抗力和材料的硬化倾向，已研制了专用的方法和试验法。根据零件的应力一应变状态、原始材料(10F、35、38CrMnNiMo、20Mn2B等)塑性的研究结果，以及试验结果，论证了必须用差示法选择杆件(螺栓、螺钉、销)、空心件(螺母、管接头、铆钉)和专用件(球销、接管螺母、刹车软管的管嘴)制造用钢，并且，下列指标必须相互匹配：金属的塑性寿命、工具耐用度、工艺过程稳定性。　　

在冷体积冲压时，特别是表征各向压缩的冷挤压时，评价工艺可变形性的主要判据是钢的变形抗力及其在加工过程中的变化。应用这过程的主要限制之一是作用在工具上的压力值高(大约2200-2500Mpa)。由于变形不均匀性和材料的流动动力学特点(特别在复合冲压过程时)，在被变形毛坯的某些区域内会产生超过允许值的拉应力的剪应力，从而引起微裂纹宏裂纹的形成，有时还产生毛坯完全破坏。　　

在一系列情况(镦粗、复合挤压等)下，除了变形抗力外，还必须考虑毛坯的破坏特征。评价破坏的种类对解决与原始金属的质量和变形工艺过程的稳定相关问题极为重要。甚至在钢的原始塑性指标相对高时产生的脆性破坏，可证明变形工艺过程的不稳定性和不可能保证使用时零件的可靠性。　　

变形抗力和其与变形程度的关系可按硬化曲线确定。这硬化曲线是按拉伸、压缩和扭转机械试验的结果作出的。在确定镦粗、挤压和其它大多表征为压缩主应力的工序中的变形抗力时，必须优先采用压缩试验。　　

按压缩、拉伸和扭转试验结果作出的强化曲线和20Mn2B、16CrSiNi和38CrMnNiNo钢的塑性图表，如图2所示。图中σ/T为决定压应力和拉应力之间比值的应力状态指标：σ为平均应力；T为剪应力强度。　　

对冲压时的硬化特征和硬化程度起显著影响的是变形量和在冷拉原始轧材或毛坯时应力状态的种类，以及钢的组织。在主要的冲压工序中，相对变形为70%-75%以上。在冷体积冲压过程中存在拉应力，并与原始毛坯的表面缺陷(划道、发纹、结疤)结合，将引起塑性急剧下降。所进行的研究表明利用连铸坯制造复杂型零件的优点。冲压时连铸坯的变形程度达90%。

冶金起源的缺陷通过镦粗试验确定。在测量硬度和拉伸试验(包括确定收缩率)时，上述缺陷将引起冷体积冲压工艺过程的完全破坏。一般，上述缺陷对试验结果不起显著影响。

三、对冷体积冲压用原始金属的主要要求

根据综合评价钢的塑性、分析硬化曲线和大量的生产经验，形成了对冷体积冲压用原始金属的主要要求。

这些要求除了足够的塑性外，还包括对机械性能（σb值在±50Mpa范围内）和化学成分的要求，以及对钢的显微组织（粒状珠光体含量应是80%-90%）等要求。对用来制造高强度零件的调质钢，提出的重要要求是它们的淬透性高。

最完全满足上述要求的是用硼微合金化的钢。图3列出了各种钢的淬透性曲线。这些曲线表示了用硼合金化的效果。实际上，用含硼低合金钢替代高碳和中碳钢，在最近十年来已获得了广泛推广。人们正在利用含钢硼替代难变形钢（20Cr、19MnNi、16CrMnNiMo30、35、45、38CrMnNiMo、40Cr、40CrNi、40CrNiMoA等），从而降低了稀缺合金元素的消耗。

紧固件的质量将取决于冷体积冲压用高质量轧材的应用。对高强度紧固件，中央鲍尔金黑色冶金科学研究所与伏尔加汽车制造厂股份有限公司的切削试验室一起研制了一系列经济型含硼合金钢（12Mn1B、20Mn2B、30Mn1B、35Mn1B），确定了它们的合理利有范围。这范围可在有依据的选择钢牌号时扩大伏尔加汽车中8.8、9.8、10.9、12.9级紧固件的应用，从而可提高螺纹联接件的可靠性，且可减少了紧固件的成本。

冷体积冲压用含硼钢（含硼量0.001%以上）的特点是：它们的工艺塑性高，淬透性高（深度达50μm）。在淬火和回火后零件的所有强度水平（直至σb=1500MPa值）下，含硼钢零件的冲击韧性较碳钢零件（强度水平相同）10~20J/cm2。而按脆性一韧性转变温度确定的冷脆性界限值低30-50℃。

现已确定，0.2%~0.35%C的含硼钢具有高的淬透性，并可保证零件在热强化后的有高的强度（σb==800~1300Mpa），在原始状态下，与利用在零件内达到相同强度的传统钢相比，有较高的塑性，这时，对含碳量达0.3%的含硼钢，不需要碳化物的预球化处理。

个别复杂型的高强度零件只能用含硼钢制造（BA3-2121汽车的车轮螺栓、调节前传动汽车轮毂用的带偏心支承垫的螺栓。）

目前，正常进行用12Mn1B钢替代20和20Mn2B钢制造六角螺母的工作。这种钢有较高的塑性，从而保证冷镦工具和螺纹成形工具有较高的耐用度，并具有较好的淬透性。这时，该钢较20和20Mn2B钢便宜。