随着汽车产品向节能、环保、轻量化、小型化发展，汽车用高强度紧固件越来越受到重视。汽车紧固件是汽车的主要连接件、功能件，占汽车零件总数量的50%左右。

生产汽车高强度紧固件的关键点一是材料，二是热处理，无论哪一点有问题，都将导致高强度紧固件的性能失效。我国汽车紧固件的开发研究，还处于相对落后的状态。

汽车分商用车和乘用车两大类。据统计，一辆轻型车或乘用车紧固件约500种规格，50kg，4000件左右；而一辆中型或重卡商用车约需紧固件7500件，质量80kg。商用车除了汽车发动机等关键部位使用10.9级及以上紧固件外，其余部位主要采用8.8级紧固件；加上其他的杆件、连接件、弹簧制品，总消耗线材100～120kg。

乘用车上使用的紧固件，包括低碳、不锈钢，大部分应用在焊接件和装饰件的部位上，其中保证动力传递安全的发动机连杆、缸盖飞轮、变速器螺栓，制动器、主传动转向机构、轮箍螺栓，门绞链固定用螺栓等，基本上都是高强度紧固件，占全车使用紧固件数量的80%，且其中的50%采用10.9级及以上的高强度紧固件。

汽车用高强度紧固件的主要品种是，8.8、9.8、10.9和12.9、12.9级螺栓五个强度等级，这些强度级别的紧固件都要进行热处理，才能提高产品的综合力学性能，达到规定的抗拉强度和屈强比。

1.热处理工艺制定原则

汽车高强度紧固件要获得具有良好综合力学性能的回火索氏体、回火托氏体组织，其前提是淬火时要保证心部得到马氏体组织，这与钢的淬透性有密切关系。不论是碳素钢还是合金钢，在完全淬透的情况下，紧固件经高温回火得到相同硬度的成品时，它们的力学性能如强度、塑性和韧性等都差不多。

如果45和40Cr钢都完全淬透并回火至同一硬度的话，那么它们的强度、塑性和韧性等都大致相同，但是如果不完全淬透的话，即使回火后的硬度与淬透后回火的相同，其屈服强度、断后伸长率、断面收缩率和冲击韧度等都要低些，其降低程度随淬透程度的减少而增大。

同一材质的产成品，当截面大小不同时，淬透程度也不同，尤其是碳素钢会因为各钢厂在冶炼技术、标准上有所区别而不同，采用相同工艺生产的成品性能必然存在差异。

淬火加热温度主要根据钢的化学成分，结合具体工艺确定。钢的化学成分是确定淬火温度的主要因素，根据淬火介质的不同，采用的淬火加热温度也不同。亚共析钢淬火温度选择在Ac3以上，碳素钢在Ac3以上（30～50）℃；合金钢在Ac3以上（50～80）℃。

对心部淬硬的紧固件来说，由于组织应力和热应力的综合作用，产生的 拉应力将处于零件表面附近，从而引起淬裂，这个淬裂危险尺寸与所用淬火介质有关，对于螺栓，水淬时的直径为8～10mm，油淬时的直径为20～39mm。处于危险尺寸的螺栓淬火时，必须采取适当的措施以防止淬裂。

有些合金钢含第2类回火脆性敏感的元素较多，回火后必须采取适当的冷却方法，避免在高温区域停留较长时间，产生第2类回火脆性。

2.增加驱氢处理

汽车的节能化、轻量化发展，对发动机和动力系统的设计提出了更高的要求，随着强度的提高，由氢脆引发的断裂就成为一个十分突出的问题。

研究表明，实际使用的紧固件在自然环境下发生氢脆断裂主要是淬火回火的马氏体钢，发生在屈服强度＞620MPa ，硬度值＞31HRC的高强度材料。抗拉强度越高，对氢脆越敏感，材料越容易吸氢，而驱氢越不容易。

一般认为，当强度达到1050MPa以上才会发生氢脆断裂。GB/T5267.1《紧固件电镀层》规定，当心部或表面硬度值＞320HV时，应通过实验对氢脆进行检验，并进行驱氢处理。就是说，性能等级10.9级及以上的电镀螺栓，都应该采用低氢工艺并进行驱氢。从国外资料看，汽车紧固件发生氢脆断裂的强度阈值可能会下降到1000 MPa。

金相组织对钢的氢敏感性影响很明显。回火马氏体、上贝氏体（粗），下贝氏体（细）、索氏体、珠光体、奥氏体对氢的敏感性依次降低。回火马氏体对氢脆的敏感性最强，因此在热处理时可通过调整热处理工艺，减少回火马氏体组织的生成。

汽车紧固件调质热处理是在高温下进行的。为了减少热处理过程中表面氧化的生成，常常在加热炉中加入保护气氛。如果保护气氛中含有氢化合物，就有可能在热处理过程中吸氢，增加紧固件氢脆风险。

另外，热处理对电镀后的驱氢效果密切相关，淬火形成的残余应力对氢脆影响明显。残余（拉）应力消除得越充分，电镀后驱氢的效果就越好，氢脆断裂的阈值也就越高，这种情况在高强度螺栓的生产中表现的最明显。

为防止产生氢脆，1000～1300MPa高强度紧固件必须在电镀后驱氢。驱氢时将电镀后的紧固件加热到一定温度并保持一段时间，使材料中的氢聚集形成氢分子而逸出。驱氢不彻底主要有两个的原因，一是没有及时驱氢，二是驱氢时间过短。

3.加强紧固件心部组织的测定

汽车紧固件在进行调质过程中，淬火加热温度、材料淬透性、淬火冷却速度等因素的影响，会在紧固件心部位产生铁素体组织。过多的铁素体组织会降低螺栓的硬度和强度，影响紧固件的使用。

为了控制汽车螺栓的热处理质量，对螺栓的心部铁素体含量进行测定是十分必要的。某发动机涨紧轮的紧固螺栓，材料为ML35，强度等级8.8，在装配时常常被拉长，对失效的螺栓分析发现，螺栓心部含有大量的铁素体。对此类有较高装配扭矩要求的螺栓，在热处理过程中，不仅控制淬火和回火的硬度，同时将其心部铁素体控制在3级以内，才能杜绝在装配时被拉长或拉断。

调质紧固件心部组织的测定，可参考GB/T13320－2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》 标准。检验结果表明，对于SWRCH35K钢制造的8.8级螺栓，心部铁素体组织的体积分数应在12% 左右、控制在3级以内，硬度值 为27HRC；对于SCM435钢制造的10.9级螺栓，心部铁素体组织的体积分数应控制在5% 以内，硬度值 为34.5HRC。

中碳合金钢主要用来制造9.8、10.9、12.9级高强度螺栓，对于螺栓淬火后心部铁素体的测定：对无疲劳寿命要求的9.8、10.9级的发动机支架紧固螺栓，心部铁素体1～3级合格；对有摩擦因数要求的9.8、10.9级发动机连杆螺栓，心部铁素体1～2级合格，对于35CrMoV、 ML42CrMo钢制造的12.9级螺栓，心部铁素体1级合格。

轮毂车轮螺栓是汽车中一个关键保安件，在汽车中要求具有载荷承受较大，尺寸精度较高，外观质量较好等特点。目前，产品市场需求量较大，为了提高产品的生产效率，采用在高效的多功位自动冷镦机上一次冷镦成形，或部分后序车削、磨削加工成形。

轮毂车轮螺栓的选材，它是获得良好产品的可靠保证，合理地选用材料可使产品成本具有市场核心竞争力。轮毂车轮螺栓的结构和技术要求取决于汽车的外形、型号以及机械性能和使用性能，最常用的轮毂车轮螺栓有以下三种：车轮双头螺柱+内外螺母；轮毂螺栓+环形螺母；轮毂车轮紧固螺栓。采用的螺纹主要有：M12×1.25 、M14×1.5、 M16×1.5、 M18×1.5、 M22×1.5规格。轮毂车轮螺栓技术要求见附表。

轮毂车轮螺栓技术要求

1.轮毂车轮螺栓使用概述

轮毂车轮螺栓为克服轮胎与轮毂车轮之间的相对位移，避免螺栓承受弯曲、剪切载荷，必须设计足够高的预紧力，同时还要受到脉动载荷的作用，有时还会出现冲击载荷。因此，螺栓的失效往往是过载拉伸或疲劳断裂。所以轮毂车轮螺栓用钢必须有足够高的抗拉强度，以抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损；以及较高的疲劳抗力和冲击韧度，以抵抗疲劳破坏、冲击断裂。

同时，轮毂车轮螺栓系多缺口结构特征，决定了它在高应力集中状态下服役。又由于制造精度、安装不当等因素，会产生偏斜拉伸的附加载荷。为此，轮毂车轮螺栓用钢也必须有足够的塑性、韧性，以减弱对偏斜、缺口应力集中和表面质量的敏感性。

在实际生产中，由于中小直径的螺栓往往采用冷镦成形六角螺栓头，采用搓丝和滚丝生产螺纹，这就要求螺栓用钢具有良好的工艺性能。

2.轮毂车轮螺栓用钢的依据

轮毂车轮螺栓用钢的主要目的不外乎以下两点：一是保证钢材具有必要的淬透性，使零件在淬火后具有足够深度的马氏体层，并使马氏体保持细致的隐晶组织；二是在高温回火后零件获得所预期的综合力学性能，即具有一定强度、良好的塑性、韧性和低的缺口敏感性以及较高的抗弯强度，以免产生松弛现象。

低、中碳合金钢所使用的合金元素中，Cr、Mn、Si、B能有效提高钢的淬透性，故一般使用其中的一种或几种来提高钢的淬透性。Cr、Mo、Ti、V等元素不仅有利于形成弥散碳化物，增加弥散强化的效果；而且这些合金元素有利于提高钢的强度、提高钢的塑性和韧性。Mo元素还有一个特殊的作用，就是防止钢在调质高温回火后出现回火脆性。

3.轮毂车轮螺栓用钢

轮毂车轮螺栓材料的性能与热处理有着相互依存的关系，材料的性能取决于材料的内部显微组织结构，而内部显微组织又与钢材牌号有关。长期以来，绝大多数汽车紧固件企业都采用SCM435、ML40Cr、ML35CrMo和ML42CrMo钢制造轮毂车轮螺栓，由于其冷镦性能差，常常因冷镦开裂、掉头而产生大量废品。

（1）钢材的冷镦性能

SCM435、ML40Cr、35CrMoV和ML42CrMo钢成品线材在实际生产螺栓时，往往由于其冶金水平等因素，有1%～5%在冷镦时开裂或掉头。低碳ML15MnVB、ML20MnTiB、10B28合金钢在冶炼过程中采用了大量的 技术，有效地保证了冷镦钢的质量。在生产实践中几乎无开裂现象。

以10B28钢为例，冷镦钢热轧状态为铁素体+珠光体组织，表面硬度为78～95HRB，塑性较好。经740～760℃软化退火后，珠光体转变为典型的球化体组织，塑性进一步提高，极易拉拔加工和冷镦成型制作螺栓（变形率80%～85%）不开裂。

轮毂车轮螺栓产品工艺路线：冷拔坯料→冷镦成形→滚花→滚螺纹→热处理→表面处理→驱氢→成品包装。冷镦坯料尺寸的选择是否合理，直接关系到轮毂车轮螺栓能否成形，以及冷镦成形后的冷镦毛坯能否直接同时满足滚花和螺纹坯径的尺寸要求。

（2）热处理工艺优化

不论中碳钢，还是低、中碳合金钢，增加硬度只能显著提高螺栓的抗拉强度，对于轮毂车轮螺栓这样应力集中较高的零件，其应力集中的不利影响大于增加硬度而提高螺栓强度的有利效果，因此改变硬度不能起到改善螺栓强度的作用。

轮毂车轮螺栓的机械性能不仅取决于热处理工艺和金相组织，更重要的是应具有良好的化学成分配合，而化学成分中首先应保证钢中的碳含量，碳含量在0.22%～0.24%以上，才能 限度地提高淬硬性，以增加有效的淬透性，在这种条件下，才能获得满意的显微组织和性能。

在一定条件下，原材料质量的优劣将影响紧固件生产工艺参数的选择，并直接影响汽车用高强度紧固件综合力学性能和使用安全。在汽车安装过程中，汽车高强度紧固件的开发和应用上，还存在着来自原材料供用商和加工制造方面的挑战。

选择正确的材料用在正确的位置是满足汽车连接制造要求的 办法。由于对高精度、高强度紧固件的需求日益高涨，因此，对高纯净度、高性能、高质量的冷镦钢需求也更为迫切。

根据汽车高强度螺栓的生产实践，钢的奥氏体的实际晶粒度粗于1～4级，对工件冲击吸收能量值呈逐渐下降趋势，严重影响力学性能指标。随着晶粒度级别的提高（晶粒度越细小），低温冲击吸收能量越高。这是由于晶粒越细，晶粒越多，晶界就越多，裂纹扩展的阻力就越大，冲击吸收能量值就越高，汽车在实际运行过程中事故发生率就低。因此，对汽车高强度螺栓原材料的实际晶粒度应控制在6～8级。

当粗大的奥氏体晶粒和严重的魏氏体组织存在或者未得到消除，重新淬火时，这些粗大组织将被“遗传”，使得淬火马氏体组织粗大，脆性增大，同时，粗大的原始组织引发组织不均匀性增大，内应力增大都将导致淬火开裂。奥氏体晶粒粗大，淬火时易于变形和开裂，因此奥氏体化时，必须严格控制晶粒度。

以前的汽车高强度紧固件制造商来说，只要达到图样要求的材料或能替代的材料把产品生产出来，达到性能及硬度等要求就够了。对当今的汽车高强度紧固件产品来说，这是远远不够的，除了抗拉强度、屈服强度、几何精度之外，还有摩擦因数、保证载荷、性能的一致性、疲劳强度、环保性、无六价铬有害物质和高耐盐雾试验能力等等。

过去的发动机装配方法是扭矩法，后来发展到扭矩转角法，而现在扭矩转角法也只是一般的要求，许多塑性区域拧紧法在越来越多地被采用。热处理调质所造成的金相组织差异、金属晶格变形等离散度大的紧固件，使装配更是很难控制的。

笔者曾解剖日本10.9级汽车螺栓，产品硬度离散度很小，只有1～2 HRC，而且抗拉强度值波动更小。当硬度在±1HRC和±2HRC的高强度螺栓在装配线上摩擦因数的数据就会波动相差很大。如果这些产品所用材料的批次或炉号相混，其结果就更难预料。

单纯采取跟踪炉批号，及时调整淬火温度，最终也难以满足产品性能，关键还是要求材料成分匹配加上淬透性能稳定，国产合金钢虽然能满足生产高强度螺栓的要求，只能说解决了温饱，但与 发达 的高强度螺栓用料比还有不小的差距。

高强度螺栓在应用中遇到的早期失效，大规格螺栓头部与杆部处断裂，连接处R倒角公差精度是制造时的一个焦点。螺纹处拉长或断裂，不仅有原材料非金属夹杂物的原因，还有在调质中加热保温不足，显微组织中存在未溶铁素体现象，芯部与表面组织、硬度差别或使用中超拧的影响。这将是今后需要重点研究的工艺课题。