為了實(shí)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(shí)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(huì)阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，進(jìn)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(cuò)的可動(dòng)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(jìn)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?cè)龃?，包辛格效?yīng)更為顯著，但同時(shí)加工硬化會(huì)使線材強(qiáng)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(duì)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(shí)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(duì)線材軋制后的抗拉強(qiáng)度，以及拉絲加工和螺栓成型過程中的加工硬化量進(jìn)行控制。為此，針對(duì)不同的螺栓強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)碳、硅、錳、鉻等元素的添加量進(jìn)行了調(diào)整，這些元素對(duì)鋼材抗拉強(qiáng)度影響較大。同時(shí)，降低線材軋制溫度，細(xì)化奧氏體晶粒，促進(jìn)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(qiáng)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(jí)螺栓抗拉強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。然而，對(duì)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(chǎng)景，目前僅實(shí)現(xiàn)了800MPa級(jí)。若能進(jìn)一步推廣1000MPa級(jí)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(kuò)大1000MPa級(jí)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(huì)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(shì)。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(jì)與評(píng)估技術(shù)不可或缺。神戶制鋼正利用在高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)螺栓開發(fā)和實(shí)用化過程中積累的技術(shù)，致力于早日實(shí)現(xiàn)非調(diào)質(zhì)螺栓的高強(qiáng)度化。
此外，包括 KNCH TM 系列產(chǎn)品在內(nèi)的已實(shí)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(shí)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(cuò)強(qiáng)化，可動(dòng)位錯(cuò)密度較高，沖壓后會(huì)產(chǎn)生永久拉伸。因此，螺栓沖壓后需在300℃左右進(jìn)行均熱保溫處理，使固溶碳和固溶氮在位錯(cuò)處釘扎，即進(jìn)行發(fā)藍(lán)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(lán)處理的800MPa級(jí)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(jìn)一步減少了二氧化碳排放，簡(jiǎn)化了工藝流程。
今后，希望通過實(shí)現(xiàn)非調(diào)質(zhì)螺栓的進(jìn)一步高強(qiáng)度化以擴(kuò)大應(yīng)用范圍、降低變形抗力從而延長(zhǎng)模具壽命、完全省略熱處理工序來削減二氧化碳排放，為達(dá)成碳中和作出貢獻(xiàn)。
