近年来，为了实现碳中和目标，汽车行业正在加速向电动化转型，与此同时，内燃机领域也致力于二氧化碳减排、燃烧效率提升以及轻量化技术开发。伴随着内燃机高性能化发展趋势，下游市场对高强度螺栓的需求见涨，截至目前，1600MPa级高强度螺栓已经全面实现商业化应用。为了提高螺栓强度，当前面临的主要挑战是克服延迟断裂和确保冷锻性。为了满足对更高强度的需求，各钢铁企业根据不同成分设计开发了各种高强度螺栓用钢，如表1所示。另一方面，为了实现人类社会可持续发展，限制稀有合金的使用，业内正在开发更多的新型钢材。
在这一社会背景下，日本神户制钢开发了一种用于高强度螺栓的1600MP级调质钢，在节省合金用量的同时，还兼具抗延迟断裂性和冷锻性。本文介绍了所开发钢材的设计理念和性能。
1传统钢材和新开发钢材的材料设计理念
在开发常规高强度螺栓用钢时，原奥氏体晶界处的晶间断裂是调质型螺栓延迟断裂的特征之一，因此，提高抗延迟断裂性能的基本方针就是晶界强化，表2所示的成分设计现有已开发钢材的共同特征。其中，添加Mo和V并在高温下回火，并使片状渗碳体球化，可提高韧性和抗延迟断裂性，同时利用Mo和V碳化物的二次硬化实现高强度。不过，在这种设计模式下，随着强度的提高，必须增加稀有金属Mo的添加量。此外，还衍生出了制造性和合金成本问题，且高强度化也受到一定限制。
另一方面，非调质型螺栓也是实现高强度和抗延迟断裂的另一种方法。众所周知，非调质型螺栓没有原奥氏体晶界，因此，即使提高强度，也不太可能发生脆化。另一个优点是可以通过拉丝加工进行强化，而无需添加特殊合金，但高强度钢材在螺栓成型技术上还存在一定问题，尚未得到广泛应用。
本研发的目的是在不使用稀有金属Mo和节省合金用量的情况下，开发一种1600MPa级调质型高强度螺栓用钢，该钢种兼具抗延迟断裂性和冷锻性。为了在不使用合金碳化物的情况下提高强度，可以降低回火温度，但这会导致在原奥氏体晶界形成片状粗大渗碳体，从而降低韧性。因此，在低温回火时抑制片状渗碳体的形成和长大，以及提高韧性，这些至关重要，故而重点关注了Si。由于Si能抑制渗碳体的形成和长大，因此，在现有钢材中广为使用。此外，有报道称Si添加钢在400℃左右回火时会产生氢捕获效应，从而有望提高抗延迟断裂性能。另一方面，Si会降低冷锻性和抗延迟断裂性，因此，传统的高强度螺栓钢通常在设计时都会减少Si的含量，本研究过程中，尝试积极利用Si，在节省合金用量的同时实现理想的强度和韧性。
当从外部环境中渗透的氢超过断裂极限时，就会发生延迟断裂。强度越高，断裂极限值越低，因此，控制氢渗透非常重要。此外，考虑到氢陷阱可能会加速氢渗透。在此次开发中，为了同时减少氢陷阱和氢气渗透，添加了可以有效抑制氢渗透的Cu和Ni。表2显示了新开发钢的成分设计。
2成分对抗延迟断裂性能的影响
为了验证利用Si同时实现理想强度和韧性的新理念，使用表3所示的Si添加量不同的钢材作为钢样，并以1000-1200MPa级SCM435和SCM440作为对比材料，进行延迟断裂试验。
图1显示了延迟断裂试验结果，在1200MPa以上的高强度范围内，钢样表现出与1000-1200MPa级SCM钢材相同的抗延迟断裂性能。此外，不同钢样间的比较表明，Si的添加量越高，在高强度范围内的性能越好。结果表明，1.8%Si钢具有作为1600MPa级螺栓用钢的应用潜力。接下来，为了验证添加Si对抑制晶间断裂的影响，对抗拉强度1500-1600MPa的SCM440（1565MPa）和1.8%Si钢（1604MPa）进行了延迟断裂试验后，对断口进行了观察，结果显示，SCM440显示出明显的晶间断裂，而1.8%Si钢则没有显示出晶间断裂，断口显示为准解理断口和韧窝的混合断口。从断口表面的观察结果可以确认，1.8%Si钢在1600MPa强度范围内的晶间断裂受到了一定抑制。
为了考察Si对碳化物析出的影响，随后对钢样和SCM440进行了金相组织观察和差示扫描量热分析（DSC），金相观察结果显示，随着Si添加量的增加，碳化物变得更加细小，原奥氏体晶界上的碳化物也变得更细小。另外，通过比较1.8%Si钢和SCM440，可以确认1.8%Si钢中的碳化物明显更细小。差示扫描量热分析（DSC）结果如图5所示。从图5可以看出，随着Si添加量的增加，渗碳体的析出温度向高温一侧移动，1.8%Si钢中的析出温度超过了400℃，这表明1.8%Si钢中的渗碳体析出明显受到抑制，碳化物变得更细小。
测定了氢扩散系数，以验证金相组织观察中证实的碳化物细化是否产生了氢捕获效应。结果如图3所示，氢扩散系数随着Si含量的增加而降低，这表明碳化物细化改善了氢捕获效应，明显抑制了钢中的氢扩散。此外，还验证了Cu和Ni对耐腐蚀性能的改善，其目的是减少从环境中渗透的氢气量，结果如图4所示。1.8%Si钢的腐蚀量降低到SCM440的1/3左右。随着耐腐蚀性能的提高，还能有效减少与腐蚀相关的氢渗透。
由此可以推断，1.8%Si钢由于减少了晶间碳化物，碳化物细化改善了氢捕获效应；由于添加了Cu和Ni，有效提高了耐腐蚀性，抑制了氢气的渗透，从而提高了抗延迟断裂性能。
3螺栓试制评估
作为最终评估，进行了螺栓试制，以评估螺栓的成型性、锻造力和抗延迟断裂性能。考虑到添加大量Si后相变温度的变化，在进行球化退火后，在零件成型机上分三个阶段进行了M8螺栓的试锻。试制螺栓没有出现裂纹或其他外观质量问题，且法兰和颈部底部的锻造流线无异常，成型性良好。
图5显示了试制螺栓的锻造力。其中，1.8%Si钢的锻造力一直远高于SCM435，但在第三阶段差值仅为8%，可以顺利成型。通过优化球化退火条件，即使是Si添加量较高的钢材也能顺利进行锻造。对试制螺栓进行了延迟断裂试验，结果如图6所示。1.8%Si钢在1600MPa级强度范围内的抗延迟断裂性能高于1200MPa级的SCM435，借助螺栓的延迟断裂试验，也验证了其作为1600MPa级钢材的应用潜力。
4结语
通过利用Si元素，神户制钢所自主开发出一种1600MPa级调质型高强度螺栓用钢，不仅节省了合金用量，同时具有抗延迟断裂性和冷锻性。该钢种目前已投入批量生产，为了应对碳中和挑战，今后还将在高强度钢领域发挥重要作用。
