為了實現(xiàn)碳中和，鋼鐵材料及零部件制造過程中的二氧化碳減排迫在眉睫。用于汽車零部件等緊固的螺栓，通常采用鋼鐵企業(yè)制造的線材，經(jīng)拉絲、螺栓成型工藝，并通過軟化退火、調(diào)質(zhì)處理制成。目前神戶制鋼已成功開發(fā)并商品化非調(diào)質(zhì)螺栓用鋼 KNCH TM 系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品可省略上述熱處理工序。
省略軟化退火工序，需要確保螺栓具備可沖壓的塑性變形能力，同時降低變形抗力，以確保模具在工業(yè)量產(chǎn)中的使用壽命。眾所周知，在螺栓沖壓過程中，鋼中固溶的氮會阻礙位錯移動，進而導(dǎo)致變形能力下降和變形抗力增加。KNCH TM 系列產(chǎn)品相比日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）碳素鋼增加了鋁的添加量，使氮以氮化鋁的形式析出，從而提高了位錯的可動性。此外，由于螺栓法蘭部位通過壓縮變形成型，降低壓縮方向的變形抗力、提高變形能力至關(guān)重要。為此，該系列鋼材利用預(yù)先施加拉伸應(yīng)變以促進壓縮方向變形的包辛格效應(yīng)。隨著面縮率增加，拉伸應(yīng)變增大，包辛格效應(yīng)更為顯著，但同時加工硬化會使線材強度上升，因此，變形抗力隨面縮率變化存在極小值。在變形抗力極小值對應(yīng)的面縮率下生產(chǎn)線材，可獲得優(yōu)異的冷鐓性能。通過優(yōu)化成分并利用包辛格效應(yīng)，KNCH TM 系列產(chǎn)品成功確保了變形能力，降低了變形抗力，實現(xiàn)了與軟化退火材料相當(dāng)?shù)睦溏呅阅堋?/span>
另一方面，省略淬火回火工序需要對線材軋制后的抗拉強度，以及拉絲加工和螺栓成型過程中的加工硬化量進行控制。為此，針對不同的螺栓強度等級，對碳、硅、錳、鉻等元素的添加量進行了調(diào)整，這些元素對鋼材抗拉強度影響較大。同時，降低線材軋制溫度，細(xì)化奧氏體晶粒，促進冷卻過程中的相變，以獲得均勻的鐵素體-珠光體組織，從而穩(wěn)定螺栓沖壓后的強度，并防止因硬質(zhì)組織導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生。
KNCH TM 系列產(chǎn)品已在700-1000MPa級螺栓抗拉強度實現(xiàn)了實用化。然而，對于螺栓頭部加工要求嚴(yán)苛、需要高變形能力的法蘭螺栓應(yīng)用場景，目前僅實現(xiàn)了800MPa級。若能進一步推廣1000MPa級非調(diào)質(zhì)螺栓的應(yīng)用，有望大幅減少二氧化碳排放。但要擴大1000MPa級非調(diào)質(zhì)螺栓的應(yīng)用范圍，除提高變形能力外，還需確保其抗延遲斷裂性能。已知非調(diào)質(zhì)螺栓在延遲斷裂過程中不會出現(xiàn)調(diào)質(zhì)螺栓特有的晶界斷裂，因此，在抗延遲斷裂性能方面具有優(yōu)勢。但現(xiàn)有研究有限，確立保障安全性和可靠性的鋼材設(shè)計與評估技術(shù)不可或缺。神戶制鋼正利用在高強度調(diào)質(zhì)螺栓開發(fā)和實用化過程中積累的技術(shù)，致力于早日實現(xiàn)非調(diào)質(zhì)螺栓的高強度化。
此外，包括 KNCH TM 系列產(chǎn)品在內(nèi)的已實用化非調(diào)質(zhì)螺栓用鋼，在永久拉伸方面存在問題。根據(jù)JIS規(guī)定，螺栓在承受一定載荷一定時間后卸載，不得產(chǎn)生拉伸。非調(diào)質(zhì)螺栓依靠塑性加工產(chǎn)生的位錯強化，可動位錯密度較高，沖壓后會產(chǎn)生永久拉伸。因此，螺栓沖壓后需在300℃左右進行均熱保溫處理，使固溶碳和固溶氮在位錯處釘扎，即進行發(fā)藍處理，這意味著傳統(tǒng)熱處理工序無法完全省略。神戶制鋼研究發(fā)現(xiàn)，螺栓永久拉伸源于金屬組織特定區(qū)域，已成功開發(fā)出無需發(fā)藍處理的800MPa級非調(diào)質(zhì)螺栓用鋼。這一成果使螺栓制造過程中的熱處理工序得以完全省略，進一步減少了二氧化碳排放，簡化了工藝流程。
今后，希望通過實現(xiàn)非調(diào)質(zhì)螺栓的進一步高強度化以擴大應(yīng)用范圍、降低變形抗力從而延長模具壽命、完全省略熱處理工序來削減二氧化碳排放，為達成碳中和作出貢獻。
