前言

  螺釘、螺栓等緊固件是許多產(chǎn)業(yè)使用的、便于安裝和拆卸的緊固用機(jī)械零件，用途十分廣泛，從鐘表、手機(jī)等小型產(chǎn)品到住宅、大廈等建筑物，在組裝時(shí)都要用到緊固件。

  緊固件用材有碳素鋼、合金鋼、不銹鋼等鋼鐵材料和銅、鋁等非鋼鐵材料，僅普通碳素鋼、合金鋼和不銹鋼緊固件的品種就非常之多。

  01

  緊固件產(chǎn)業(yè)概況

  螺釘、螺栓等緊固件是許多產(chǎn)業(yè)使用的、便于安裝和拆卸的緊固用機(jī)械零件，用途十分廣泛，從鐘表、手機(jī)等小型產(chǎn)品到住宅、大廈等建筑物，在組裝時(shí)都要用到緊固件。

  所以緊固件是所有產(chǎn)業(yè)的基本的、通用的零件。因此，緊固件市場情況受到汽車、機(jī)械、建筑等使用螺釘、螺栓產(chǎn)業(yè)變化的很大影響，同時(shí)也是這些產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)狀況的反映。

  不久前，世界緊固件市場由亞洲、美國、歐洲均等分割，近年來由于中國產(chǎn)量的增加，亞洲緊固件產(chǎn)量占據(jù)了世界產(chǎn)量的一半以上。

  過去日本一直保持緊固件生產(chǎn)世界第一大國的地位，近年來中國緊固件產(chǎn)量大幅度增加，在2005年產(chǎn)量超過日本居世界第一。

  02

  緊固件技術(shù)的發(fā)展動向

  2.1

  緊固件的種類和用途

  緊固件的尺寸一般采用公制螺紋，按照直徑和螺距的不同分為粗羅紋和細(xì)羅紋。由于緊固件有各種不同的尺寸、精度、強(qiáng)度和制作材料，這些元素組合起來使緊固件的種類有數(shù)十萬、上百萬之多。

  粗略說，緊固件可分為螺栓類的陽羅紋產(chǎn)品和螺母類的陰羅紋產(chǎn)品。按照緊固件頭部轉(zhuǎn)動部位的形狀有十字槽頭、頭部單槽、六角頭等。此外，對于不同使用環(huán)境和用途，緊固件還有附加特性，所以緊固件的分類相當(dāng)復(fù)雜。

  關(guān)于螺釘、螺栓的強(qiáng)度表示方法，第一個(gè)數(shù)字是以MPa為單位的公稱抗拉強(qiáng)度的1/100，第二個(gè)數(shù)字是公稱下屈服點(diǎn)與公稱強(qiáng)度之比的10倍，例如“10.9”，表示公稱抗拉強(qiáng)度為1000MPa，0.2%屈服強(qiáng)度為900MPa的螺栓。

  螺母的強(qiáng)度用與之組合使用的最高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度級別數(shù)字來表示。不銹鋼緊固件的強(qiáng)度用鋼種和抗拉強(qiáng)度級別數(shù)字的組合來表示，例如“A2-50”。

  這些表示方法是國際統(tǒng)一的緊固件強(qiáng)度表示方法。緊固件是工業(yè)產(chǎn)品中標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行的最好的產(chǎn)品，詳細(xì)規(guī)定可見ISO標(biāo)準(zhǔn)。

  緊固件用材有碳素鋼、合金鋼、不銹鋼等鋼鐵材料和銅、鋁等非鋼鐵材料，僅普通碳素鋼、合金鋼和不銹鋼緊固件的品種就非常之多。

  2.2

  緊固件的技術(shù)開發(fā)

  提高緊固件的強(qiáng)度，可以使緊固件減少使用數(shù)量、縮小直徑、減輕重量。但需要解決抗拉強(qiáng)度達(dá)到1200MPa，屈強(qiáng)比大于90%的螺栓發(fā)生延遲斷裂和疲勞斷裂的問題，因此，高強(qiáng)度螺栓用鋼的開發(fā)固然重要，高強(qiáng)度螺栓制造技術(shù)的開發(fā)也要同時(shí)進(jìn)行。

  在不損失緊固性能的前提下，對小型輕量化的緊固件進(jìn)行開發(fā)。為此對緊固件用新材料和緊固件形狀進(jìn)行了研究，同時(shí)也對難加工材料的加工方法進(jìn)行開發(fā)。

  對航空器和和醫(yī)療設(shè)備用的緊固件材料和提高緊固性進(jìn)行了開發(fā)，開發(fā)出Ti合金、Mg合金等新材料緊固件。

  為使緊固件牢固地緊固在部件上，防止因松弛發(fā)生事故，對緊固技術(shù)和防松弛技術(shù)進(jìn)行了研究。由于不認(rèn)真安裝緊固件導(dǎo)致緊固性下降引發(fā)大事故的情況不斷發(fā)生，所以不能掉以輕心。

  應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，緊固件的容易安裝和安全使用是兩個(gè)完全不同的概念，發(fā)揮緊固件的緊固作用的關(guān)鍵在于正確的安裝作業(yè)，因此不能停止對提高緊固設(shè)計(jì)和強(qiáng)化緊固作業(yè)的施工方法的開發(fā)。

  03

  汽車用緊固件

  汽車中使用大量的緊固件。數(shù)量至少有1000多個(gè)。此外，外購的組裝部件中也有緊固件，所以汽車實(shí)際使用的緊固件數(shù)量更多。汽車緊固件需要研究的問題是高強(qiáng)度化和提高質(zhì)量。

  汽車緊固件的高強(qiáng)度化可減輕緊固件重量和相應(yīng)部件的重量，這將是今后混合動力型汽車和純電動汽車永恒的課題。汽車緊固件質(zhì)量方面最需要解決的問題是防止廉價(jià)高強(qiáng)度材緊固件的延遲斷裂。

  3.1

  汽車緊固件的強(qiáng)度級別和使用鋼種

  表1是汽車螺栓的強(qiáng)度級別和使用鋼種。各汽車廠使用的標(biāo)準(zhǔn)螺栓是8.8級螺栓，多為硼鋼制品。硼鋼螺栓價(jià)格較低，原因是硼的含量很少，可以使鋼的碳當(dāng)量很低，可省略加工前的球化退火。

  10.9級螺栓是合金鋼和硼鋼制品，與8.8級硼鋼螺栓不同之處是，降低了P、S等導(dǎo)致延遲斷裂的有害元素含量，并且在拔絲中使用無滲磷潤滑涂層。

  12.9級汽車螺栓是合金鋼制品，14.9級汽車螺栓是特殊合金鋼制品，鋼中雜質(zhì)含量低，并且添加V等碳化物析出元素俘獲鋼中的氫，提高抗延遲斷裂性。

  汽車批量生產(chǎn)中使用的最高強(qiáng)度級別的螺栓是16T，其材質(zhì)是拔絲加工的共析鋼，鋼中的碳化釩將氫俘獲，使之無害化，螺栓的緊固能力進(jìn)一步提高，因此，也可用來制造16.9級超高強(qiáng)度螺栓。

  表1汽車螺栓的強(qiáng)度級別和使用鋼種

  3.2

  汽車螺栓的高強(qiáng)度化

  汽車螺栓的高強(qiáng)度化可使部件輕量化和小型緊湊化，因此高強(qiáng)度螺栓的需求量會不斷增加。特別是汽車發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)和電動機(jī)周圍的螺栓輕量緊湊化對周圍部件的輕量化和性能提高有很大作用。

  因此這些部位都使用高強(qiáng)度螺栓。例如用16T級高強(qiáng)度螺栓M9代替?zhèn)鹘y(tǒng)材質(zhì)螺栓M12，每個(gè)螺栓減少重量80g，整個(gè)連桿減重240g，并使發(fā)動機(jī)整體輕量化和小型化。

  3.3

  汽車螺栓的延遲斷裂

  汽車螺栓的延遲斷裂是最令人擔(dān)憂的質(zhì)量問題。螺栓延遲斷裂常發(fā)生在螺栓制造后的若干年，原因有設(shè)計(jì)問題和制造問題。

  制造方面的原因有，高表面硬度或高內(nèi)部硬度材料、熱處理不良，螺帽根部、羅紋底部的R過小，螺栓內(nèi)鋼質(zhì)的纖維流線不當(dāng)?shù)刃螤钜蜃拥仍�因�?/p>

  這些問題通過加強(qiáng)工藝管理可以解決。成為問題的是設(shè)計(jì)失誤，即對延遲斷裂安全系數(shù)的設(shè)定錯(cuò)誤。

  螺栓的斷裂除了延遲斷裂，還有疲勞斷裂、沖擊斷裂、韌性斷裂等斷裂形式，需要通過強(qiáng)度計(jì)算和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)定適宜的安全系數(shù)。

  對于疲勞斷裂和沖擊斷裂可以高精度地確定安全系數(shù)，這是因?yàn)閷�這些斷裂模式已經(jīng)有了充分的理論知識，并且進(jìn)行了長達(dá)數(shù)月的試驗(yàn)測定。

  但對于延遲斷裂，從十多年前開始逐漸認(rèn)識到擴(kuò)散性氫導(dǎo)致空洞形成的機(jī)理，并采用氫俘獲技術(shù)生產(chǎn)抗延遲斷裂鋼，但還不能設(shè)定市場供貨螺栓的安全系數(shù)。

  將疲勞斷裂與延遲斷裂進(jìn)行比較可知，對于疲勞斷裂有疲勞極限值，但對于延遲斷裂則沒有極限值的確定指標(biāo)。

  在解決延遲斷裂安全系數(shù)設(shè)定方面，鋼鐵企業(yè)對延遲斷裂機(jī)制的研究和新材料的開發(fā)固然重要，但用戶方面的使用信息也不可忽視。

  螺栓在使用中發(fā)生斷裂是不應(yīng)有的現(xiàn)象，但從斷裂螺栓中獲得的信息對于延遲斷裂的研究十分重要。斷裂螺栓是多少銷售量中的一個(gè)，行駛多長時(shí)間、行駛多少公里后發(fā)生斷裂等等都是很重要的信息。

  并且從斷裂螺栓中還可以獲得關(guān)于表面硬度、內(nèi)部硬度、滲磷情況等各種因素的信息。因此，在今后關(guān)于延遲斷裂評價(jià)方法和基準(zhǔn)值設(shè)定的研究中，應(yīng)注意理論研究、實(shí)驗(yàn)室研究和使用信息分析相結(jié)合。

  04

  工程機(jī)械用緊固件

  4.1

  推土機(jī)和挖掘機(jī)用螺栓

  JIS規(guī)定了3.6-12.9共10個(gè)螺栓強(qiáng)度級別，但推土機(jī)和挖掘機(jī)用螺栓的99%是10.9級和12.9級，極少量為9.8級及以下的螺栓。

  一臺65t級推土機(jī)螺栓用量總計(jì)約6000個(gè)，其中12.9級占8.5%、10.9級占8.5%、9.8級及以下占1.1%。

  一臺20t油壓挖掘機(jī)螺栓用量總計(jì)約2000個(gè)，其中12.9級占12.2%、10.9級占87%、9.8級及以下占0.8%。螺栓使用量的上述比例關(guān)系近10多年沒有變化。

  原因是工程機(jī)械的工作環(huán)境是不規(guī)整的地面，并且經(jīng)受風(fēng)吹雨淋。在這種大負(fù)荷和惡劣環(huán)境下，需要采用較高強(qiáng)度螺栓對部件進(jìn)行高軸力緊固。

  另一方面強(qiáng)度超過12.9級的螺栓價(jià)格較高，并且抗延遲斷裂性還有一定問題。因此螺栓用量比例多年沒有變化。

  除了特殊螺栓，一般螺栓的公稱直徑有M4-M36共計(jì)15種，但大部分是M10-M20。螺栓公稱長度是12-95mm。推土機(jī)使用螺栓約250種，油壓挖掘機(jī)使用螺栓約130種。

  使用的螺栓形狀大部分是六角螺栓，此外還有內(nèi)六角螺栓、凸緣螺栓、吊環(huán)螺栓等，沒有特殊形狀的螺栓。

  過去，對螺栓和相應(yīng)的墊片是分別管理的，后來開發(fā)出的組合螺栓是一種組合了墊片的凸緣螺栓，采用組合螺栓，可對螺栓和墊片按一個(gè)零件編號進(jìn)行管理，減少了零件編號，并使墊片小型化，同時(shí)還可以防止墊片漏裝的問題。

  但目前組合螺栓只有M14以下的細(xì)徑螺栓，期待組合螺栓規(guī)格的擴(kuò)大。

  JIS中對螺栓的材質(zhì)沒有具體規(guī)定，對碳素鋼只規(guī)定了含碳量的上下限，對高強(qiáng)度螺栓用的低合金鋼，只將B、Mn、Cr作為參考添加元素。

  也就是說，只要力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用什么材質(zhì)都可以，因此工程機(jī)械用螺栓也因制造廠家的不同而不同。

  強(qiáng)度在10.9及以上的螺栓都要進(jìn)行淬火回火處理以達(dá)到要求的力學(xué)性能。常規(guī)工藝是，在大氣氣氛下將連續(xù)式加熱爐加熱的螺栓進(jìn)行油淬，然后立即進(jìn)行回火。

  但對于12.9級的大直徑螺栓，由于加熱時(shí)間相對較長，要進(jìn)行保護(hù)性氣氛加熱，防止羅紋牙和羅紋底部出現(xiàn)異常脫碳。這時(shí)需要特別注意的是不要因過于擔(dān)心脫碳，反而造成滲碳。

  為防止螺栓的銹蝕和粘結(jié)，要對螺栓進(jìn)行表面處理。在對螺栓進(jìn)行鍍鋅時(shí)，過去曾使用6價(jià)鉻系鈍化處理液，但查明6價(jià)鉻對人體的有害影響后，就完全停止使用。

  現(xiàn)在已經(jīng)全部使用無害的3價(jià)鉻系鈍化處理液，為強(qiáng)化防銹效果，螺栓的鍍層厚度大于JIS的規(guī)定。

  4.2

  提高推土機(jī)和挖掘機(jī)螺栓緊固效果的措施

  由于螺栓的設(shè)備事故主要是螺栓的松弛和延遲斷裂。螺栓接觸面彈性衰減引起的非轉(zhuǎn)動松弛是螺栓松弛的一種形式，但主要松弛形式仍然是扭轉(zhuǎn)力不足引起的轉(zhuǎn)動松弛。

  為防止轉(zhuǎn)動松弛，采用的方法是使用超高強(qiáng)度螺栓和更大扭轉(zhuǎn)力進(jìn)行緊固。為此開發(fā)出強(qiáng)度超過JIS強(qiáng)度級別的超高強(qiáng)度螺栓。一般來說，螺栓的強(qiáng)度越高，延遲斷裂的危險(xiǎn)性越大。

  強(qiáng)度為12.9級的履帶螺栓的緊固方法是塑性轉(zhuǎn)動緊固法，首先用預(yù)扭矩進(jìn)行緊固，然后再按照預(yù)定的轉(zhuǎn)動角度進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)螺母進(jìn)行緊固。連接一片履帶要使用4個(gè)螺栓，用全自動螺母擰緊器同時(shí)對4個(gè)螺栓進(jìn)行緊固。

  目前正在研究通過增加螺母轉(zhuǎn)動角度和將液壓螺母擰緊器改為電動擰緊器等方法，提高更加穩(wěn)定的緊固力。

  作為推土機(jī)和挖掘機(jī)移動裝置的履帶是與土石接觸承受劇烈摩擦的消耗部件，在使用過程中要多次被拆檢和更換。這時(shí)必須將履帶螺栓拆卸下來，由于履帶螺栓的頭部也受到磨損，所以常常發(fā)生扳手卡不住螺栓頭的情況。

  特別是推土機(jī)移動頻繁，這種情況更是常常發(fā)生。為此，對推土機(jī)履帶螺栓頭部進(jìn)行高頻淬火，提高其硬度。此外，超大型推土機(jī)履帶螺栓頭部比傳統(tǒng)螺栓頭部大5mm，以增加磨損裕量。

  4.3

  工程機(jī)械用螺栓的發(fā)展動向

  如前所述，十多年來，工程機(jī)械用螺栓沒有明顯的變化。并且工程機(jī)械也幾乎不采用其他緊固方法代替螺栓連接。原因是螺栓緊固的可靠性很高，并且已經(jīng)緊固的螺栓也比較容易拆卸，即便于更換和維修。

  因此，提高螺栓的性能和性價(jià)比，比試圖減少或取代螺栓的探索更有意義。

  螺栓緊固后不松弛和容易拆卸是兩個(gè)相反的特性。為了提高這兩個(gè)特性，應(yīng)不使螺栓生銹和粘結(jié)，為此多年來在提高羅紋精度、采用涂裝和表面處理技術(shù)以及改進(jìn)緊固方法等方面開展了大量的工作。

  在螺栓成本方面，材料費(fèi)占的比例最大，其次是加工費(fèi)和熱處理費(fèi)。因此，為實(shí)現(xiàn)更高的性價(jià)比，需提高螺栓用料的成材率。

  為此，在小型螺栓制造中實(shí)現(xiàn)了螺栓頭部的無飛邊模鍛成型和羅紋的滾軋成型，期待將這些技術(shù)擴(kuò)大應(yīng)用到大型螺栓的制造。

  在螺栓用鋼方面，工程機(jī)械用大規(guī)格高強(qiáng)度螺栓，因一直存在的延遲斷裂和淬透性問題，成為影響擴(kuò)大使用的瓶頸。

  在淬透性方面，用價(jià)格低廉效果又好的B替代高價(jià)合金元素，期待今后開發(fā)出低淬透性鋼加熱后也可以進(jìn)行充分冷卻的熱處理技術(shù)和非調(diào)質(zhì)鋼高強(qiáng)度螺栓。

  在抗延遲斷裂性方面，由于鋼鐵廠開發(fā)出超高強(qiáng)度螺栓用鋼，并且在技術(shù)上是可行的，但是價(jià)格仍然較高。

  對于常規(guī)的12.9級螺栓來說，降低合金元素含量后，回火溫度就要下降，由此會增加延遲斷裂的危險(xiǎn)性，所以期待著開發(fā)出低成本、高可靠性的新型超高強(qiáng)度螺栓用鋼。

  05

  建筑、橋梁用緊固件

  5.1

  建筑、橋梁用高強(qiáng)度螺栓

  過去鋼結(jié)構(gòu)的連接方法是多為鉚接。后來美國開發(fā)出更為合理的摩擦型連接方法，日本引進(jìn)摩擦型連接方法后，高強(qiáng)度螺栓的使用快速普及。

  最初使用的是六角頭高強(qiáng)度螺栓，現(xiàn)在則主要使用現(xiàn)場施工更方便的扭剪型高強(qiáng)度螺栓。

  高強(qiáng)度螺栓的功能是通過保證鋼結(jié)構(gòu)的剛性和強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑物的安全性，具體來說就是緊固軸力管理很重要。

  為減小緊固軸力波動，將高強(qiáng)度螺栓標(biāo)準(zhǔn)制定成高強(qiáng)度螺栓連接副的標(biāo)準(zhǔn)，并且考慮到現(xiàn)場的施工條件，對緊固軸力做了規(guī)定，使螺栓在0-60℃溫度范圍內(nèi)能夠發(fā)揮緊固作用。

  在實(shí)際施工時(shí)，高強(qiáng)度螺栓不僅要符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，而且在施工前要進(jìn)行緊固軸力檢查和安裝中進(jìn)行現(xiàn)場檢查，通過頻繁的檢查確認(rèn)實(shí)際的緊固軸力。

  此外，為保證實(shí)際連接部的強(qiáng)度，常常在施工前進(jìn)行滑動試驗(yàn)，以確認(rèn)螺栓連接部強(qiáng)度符合要求。因此保證摩擦連接構(gòu)筑物安全性是一項(xiàng)非常細(xì)致的工作。

  5.2

  高強(qiáng)度螺栓的種類

  按形狀分類，高強(qiáng)度螺栓有六角頭高強(qiáng)度螺栓和扭剪型高強(qiáng)度螺栓。高強(qiáng)度螺栓可以熱鍍鋅成為熱鍍鋅高強(qiáng)度螺栓。

  扭剪型高強(qiáng)度螺栓通過對配合部的摩擦管理使緊固力矩和軸力穩(wěn)定化，六角頭高強(qiáng)度螺栓和熱鍍鋅高強(qiáng)度螺栓的緊固力矩系數(shù)已經(jīng)納入標(biāo)準(zhǔn)。

  JIS1186將M12-M30高強(qiáng)度螺栓納入標(biāo)準(zhǔn)，大于M30高強(qiáng)度螺栓要經(jīng)過認(rèn)證后進(jìn)行制造。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒使用的高強(qiáng)度螺栓是經(jīng)過認(rèn)證的M48高強(qiáng)度螺栓。

  過去使用的是11T及以上的高強(qiáng)度螺栓，由于發(fā)生延遲斷裂，現(xiàn)在主要使用10T螺栓。熱鍍鋅高強(qiáng)度螺栓由于經(jīng)過酸洗處理，有氫滲入的可能性，所以以8T螺栓為主要產(chǎn)品。

  近年來，通過螺栓用鋼和螺栓形狀的改進(jìn)解決了延遲斷裂的問題，開發(fā)出14T超高強(qiáng)度螺栓，其用量逐漸增加。此外，由于要求構(gòu)筑物在破壞時(shí)應(yīng)具有高變形能，所以，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定10T高強(qiáng)度螺栓的伸長率應(yīng)等于或大于14%。

  5.3

  建筑、橋梁用高強(qiáng)度螺栓用鋼

  為了省略橋梁的防銹涂裝，采用耐候性鋼材制造橋梁，耐候鋼中含有Cu、Cr、Ni等元素，在鋼材表面生成一種特殊銹層保護(hù)鋼材。用耐候鋼制造的橋梁等構(gòu)筑物的緊固件螺栓也要采用耐候性高強(qiáng)度螺栓。

  在近海區(qū)域，為防止鹽害腐蝕，不能采用一般的耐候性鋼材，而要采用新開發(fā)的、抑制氯腐蝕的Ni系耐候鋼，因此也有采用Ni系耐候鋼制造的高強(qiáng)度螺栓。

  對14T超高強(qiáng)度螺栓用鋼進(jìn)行細(xì)晶化處理提高韌性、使鋼中析出微細(xì)碳化物抑制氫擴(kuò)散，采用這種高性能鋼制造出超高強(qiáng)度螺栓。

  不銹鋼高強(qiáng)度螺栓用于緊固不銹鋼部件，使用的材料是析出硬化型SUS630。

  5.4

  建筑、橋梁用高強(qiáng)度螺栓的表面處理

  建筑、橋梁用高強(qiáng)度螺栓表面處理方法一般是熱鍍鋅，但熱鍍鋅高強(qiáng)度螺栓不適用于JISB1186，各廠家需要通過認(rèn)證后進(jìn)行生產(chǎn)。在惡劣環(huán)境下使用時(shí)螺栓鍍層為HDZ55厚鍍層。

  熱鍍鋅高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度一般是F8T。此外，F(xiàn)12T超高強(qiáng)度熱鍍鋅螺栓也部分地得到實(shí)際應(yīng)用。熱鍍鋅高強(qiáng)度螺栓的緊固方法是轉(zhuǎn)動螺母的塑性區(qū)緊固方法。

  在實(shí)際的現(xiàn)場施工時(shí)，要求熱鍍鋅高強(qiáng)度螺栓的緊固操作者具有施工技術(shù)資格。

  建筑、橋梁用高強(qiáng)度螺栓表面處理方法除了熱鍍鋅，還有用鹽水處理的方法。對高強(qiáng)度螺栓用鹽水噴淋100h進(jìn)行清洗，使之具有臨時(shí)防銹的功能，螺栓在現(xiàn)場安裝后到涂裝前不會生銹，從而省略了除銹操作。

  這種方法在橋梁建造中常常使用，但最近在東京天空樹電波塔的建造中也使用這種方法。

  現(xiàn)在出現(xiàn)了橋梁免維修的趨勢，為適應(yīng)這種新趨勢，出現(xiàn)了噴射熔融Al-Mg進(jìn)行特殊表面處理的螺栓，并且正在推進(jìn)實(shí)用化。

  此外，還開發(fā)出建筑結(jié)構(gòu)用防鹽害的熱鍍Al-Zn高強(qiáng)度螺栓。今后還會出現(xiàn)許多表面涂鍍螺栓，但更重要的是要開發(fā)緊固方法，使螺栓緊固后軸力一直保持穩(wěn)定。

  5.5

  提高施工性

  可以提高施工性的特殊高強(qiáng)度螺栓也在特殊場合下得到應(yīng)用。例如可在狹窄施工現(xiàn)場僅從一邊進(jìn)行緊固的單邊螺栓、在無下面腳手架的情況下，安裝橋梁板時(shí)可以單側(cè)緊固的高強(qiáng)度螺栓等。

  06

  家電、辦公設(shè)備用緊固件

  目前普通的家電、辦公設(shè)備許多國家都可以生產(chǎn)，但高性能、高質(zhì)量家電、辦公設(shè)備中有許多地方需要高功能、高附加值的緊固件。以下對這些緊固件及其用材的需求情況和發(fā)展動向做簡要介紹。

  6.1

  電視

  在家電用緊固件中，近年來變化最大的就是電視用緊固件。電視由模擬方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化電視，并且由于液晶、等離子技術(shù)的進(jìn)步，加快了電視的薄型化。因此出現(xiàn)了許多陰極射線管電視時(shí)代所沒有的要求。

  薄型電視的內(nèi)部部件可分為顯示屏、主板、機(jī)殼三大部分。最初薄型電視機(jī)殼多使用鋁合金。這是因?yàn)楸⌒碗娨暤膬?yōu)點(diǎn)是顯示屏大，顯示屏在薄型電視中的重量最大，因此要求機(jī)殼即輕又要有一定的強(qiáng)度。

  將主板安裝在鋁合金機(jī)殼上，由于主板放熱量大，所以在主板和機(jī)殼之間有鋁制凸塊，使兩者之間保持一定距離。最初使用的是車削制造的鋁制凸塊，隨著薄型電視產(chǎn)量的增加，要求實(shí)現(xiàn)凸塊制造的鍛造化。

  鋁制凸塊應(yīng)能夠壓入鋁合金機(jī)殼并且用螺釘緊固時(shí)不松扣。對鍛造和滾軋制造鋁制凸塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，凸塊形狀和熱處理結(jié)果都不能滿足使用要求，最后開發(fā)出“內(nèi)裝配”鋁制凸塊。

  為降低緊固成本，采用了自攻釘方式，在螺釘緊固時(shí)，在鋁制凸塊內(nèi)形成陰羅紋。這種自攻釘方式的問題是陰羅紋形成時(shí)產(chǎn)生的粉末。

  這種粉末如散落在顯示屏或主板上，會導(dǎo)致電視功能失效。此外，鋁合金自攻釘在陰羅紋形成時(shí)產(chǎn)生摩擦熱引起自攻釘和鋁制凸塊的燒結(jié)也是一個(gè)問題。

  解決這些問題的方法是采用“鋁密封”提高鋁合金自攻性，防止燒結(jié)現(xiàn)象。此外，在鋁密封的前端涂覆粉末吸附劑，防止自攻釘緊固時(shí)粉末的散落。這些措施組合使用提高了薄型電視的生產(chǎn)率和質(zhì)量穩(wěn)定。

  薄型電視的最大特點(diǎn)是“薄”，由于“薄”在其它部位也產(chǎn)生了過去電視所沒有的問題。

  過去電視內(nèi)部的螺釘暴露在表面，而薄型電視容易發(fā)熱，這種熱量使螺釘處于高溫狀態(tài)，如果螺釘暴露，人們接觸到高溫的螺釘頭部會造成燒傷。

  為防止這種情況的發(fā)生，開發(fā)出在原來的鋼螺釘頭部鑲嵌樹脂的“防熱螺釘”。

  6.2

  手機(jī)

  對手機(jī)用螺釘?shù)囊�求是保證手機(jī)防水、輕薄等硬件要求的實(shí)現(xiàn)。

  隨著手機(jī)輕薄化的發(fā)展，薄型樹脂材料在手機(jī)上的應(yīng)用越來越多，對手機(jī)用螺釘?shù)囊�求是能夠牢固地將這種薄型樹脂材料緊固住。為滿足這種要求，開發(fā)出PS螺釘Ⅱ。

  這是一種薄型樹脂專用的淺嵌入型螺釘，可以保證薄型樹脂緊固后具有足夠的強(qiáng)度。防水型手機(jī)的螺釘緊固部位的防水性十分重要，但僅靠螺釘很難保證防水性，目前主要使用帶有O形墊圈的螺釘。

  6.3

  數(shù)碼相機(jī)

  數(shù)碼相機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)成為照相機(jī)的主流產(chǎn)品，對數(shù)碼相機(jī)的要求是高功能和小型化。

  為保持單透鏡反射照相機(jī)特有的黑色外觀，對暴露在照相機(jī)表面的螺釘頭部要進(jìn)行涂裝，但對涂裝后的螺釘進(jìn)行緊固時(shí)，螺釘十字槽頭附近的涂裝會剝離。

  為解決這個(gè)問題，開發(fā)出抗涂裝剝離螺釘，目前已經(jīng)大量用于單透鏡反射照相機(jī)。

  數(shù)碼照相機(jī)小型化要求結(jié)構(gòu)緊湊。使用頭部高度0.2mm的PS螺釘Ⅱ可滿足緊固薄型部件的要求，實(shí)現(xiàn)了省空間化。減小螺釘頭部高度，相應(yīng)地十字槽頭變淺，螺釘緊固作業(yè)率下降，為此，開發(fā)出強(qiáng)力驅(qū)動十字扳手。

  為實(shí)現(xiàn)小型化，機(jī)殼材料出現(xiàn)薄板化的趨勢，為補(bǔ)償薄板化引起的強(qiáng)度下降，選用不銹鋼作為機(jī)殼材料。

  不銹鋼是攻絲困難的材料，螺釘緊固前的攻絲是制造成本升高的一個(gè)原因。于是通過螺釘材料的研究和熱處理的改進(jìn)，開發(fā)出高強(qiáng)度螺釘保證了不銹鋼材料的自攻性，促進(jìn)了照相機(jī)小型化的實(shí)現(xiàn)。

  07

  飛機(jī)和航天器用緊固件

  7.1

  飛機(jī)螺栓制造的特點(diǎn)

  飛機(jī)螺栓制造的特點(diǎn)在于按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格的制造和質(zhì)量管理。例如日本的飛機(jī)制造除了在采購方面遵守MILNAS等通用標(biāo)準(zhǔn)，各機(jī)身制造廠和發(fā)動機(jī)制造廠還獨(dú)自制定了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對使用材料、制造方法和試驗(yàn)評價(jià)方法進(jìn)行了細(xì)致的規(guī)定。

  特別是在質(zhì)量管理方面，對重要的熱處理、表面處理、無損檢驗(yàn)等特殊工序的技術(shù)要求和作業(yè)方法，在標(biāo)準(zhǔn)中作了嚴(yán)密規(guī)定，并和NADCAP認(rèn)證。

  在材料方面，要符合AMS和MIL等材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。這些標(biāo)準(zhǔn)中除了對材料的化學(xué)成分和制造方法做了規(guī)定，還對與材料特征有關(guān)的熱處理后的力學(xué)性能做了規(guī)定。

  將有關(guān)機(jī)身要求一直規(guī)定到飛機(jī)制造廠。不論開發(fā)出多么優(yōu)良的材料，并經(jīng)過長時(shí)間的反復(fù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，如不經(jīng)過這些標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)定是不能夠采用的。

  特別是對于螺栓，十分重視其高可靠性，所以足夠的使用實(shí)績非常重要。由于按照標(biāo)準(zhǔn)對飛機(jī)螺栓進(jìn)行嚴(yán)格管理，所以與一般制造業(yè)用螺栓相比，飛機(jī)螺栓制造的自由度很小，螺栓的變化也小。

  7.2

  飛機(jī)螺栓用材

  Ni-Cr-Mo鋼等低合金鋼，很早就用于機(jī)身要求高強(qiáng)度的部位，代表性的鋼種有8740鋼和4340鋼。Ni-Cr-Mo鋼的抗拉強(qiáng)度范圍很大從125ksi到180ksi，可用于機(jī)身的各個(gè)部位。

  為適應(yīng)機(jī)身輕量化的需求，隨著材料和熱處理技術(shù)的發(fā)展，制造出4330M、H-11、300M等抗拉強(qiáng)度從220ksi到260ksi的超高強(qiáng)度螺栓，但由于考慮到氫脆問題，多用于銷釘?shù)燃羟袘?yīng)力狀態(tài)的緊固。

  為防止這類低合金螺栓的銹蝕，必須進(jìn)行表面處理，最常用的是鍍鎘。

  耐蝕性螺栓一部分用300系、400系不銹鋼制造，更多的是用析出硬化型不銹鋼制造。使用的析出硬化型不銹鋼有17-4PH，對用于強(qiáng)韌性要求更高部位的螺栓則使用PH13-8Mo。

  具有良好的耐蝕及耐熱性螺栓使用奧氏體耐熱鋼A286制造，用途很廣。A286根據(jù)固溶溫度的不同，可得到130ksi和140ksi兩個(gè)強(qiáng)度級別。

  在加工制造螺栓時(shí)，通過冷加工和時(shí)效處理產(chǎn)生加工硬化，可以使螺栓強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

  利用加工硬化性，對160ksi和200ksi高強(qiáng)度鋼進(jìn)行拔絲，可以得到不同強(qiáng)度要求、不同用途的螺栓。加工硬化提高螺栓強(qiáng)度的氫脆危險(xiǎn)性較小。

  由于奧氏體耐熱鋼是鐵基合金，所以材料成本較低，今后用這類材料制造高強(qiáng)度螺栓的情況會有所增加。

  耐蝕及耐熱性螺栓用材，除了奧氏體耐熱鋼，還有Co基超合金MP35N。MP35N的常溫強(qiáng)度為260ksi，并具有良好的疲勞強(qiáng)度、韌性和耐蝕性。MP35N螺栓雖然用量很少，但都用于條件惡劣的部位。

  飛機(jī)發(fā)動機(jī)的高溫環(huán)境中使用的螺栓是超耐熱合金螺栓。螺栓用材以Ni基超合金為主，主要有Waspaloy和Inconel718，其中Inconel718使用最多。

  Inconel718的通常使用強(qiáng)度是185ksi，通過固溶和時(shí)效使強(qiáng)度可以達(dá)到。

  Inconel718與上述的A286一樣，基體是奧氏體，通過冷加工和時(shí)效處理可提高強(qiáng)度。近年來采用了拔絲后強(qiáng)度達(dá)到220ksi的Inconel718制造超耐熱合金螺栓。

  過去高溫強(qiáng)度良好的耐高溫螺栓主要用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)，現(xiàn)在將其作為高強(qiáng)度螺栓，在飛機(jī)機(jī)體的用量也有所增加。

  Co基超合金MP159是對MP35N進(jìn)行改進(jìn)提高耐熱性的材料，常溫強(qiáng)度為260ksi，具有高疲勞強(qiáng)度和韌性，并且抗高溫松弛能力強(qiáng)，MP159螺栓常用于工作條件苛刻的發(fā)動機(jī)。

  MP159經(jīng)拔絲也具有加工硬化性，并在螺栓中得到利用。MP159和Waspaloy等含Co量很多的材料具有非常優(yōu)良的性能，但材料成本很高，并且存在加工性不良的問題。

  Ti合金比強(qiáng)度高，耐蝕性、耐熱性也好，廣泛用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)和機(jī)身的各個(gè)部位。盡管Ti合金材料成本高、加工性也不好，但為實(shí)現(xiàn)要求機(jī)動性好的軍用飛機(jī)和要求提高燃料效率的民用飛機(jī)的輕量化，Ti合金的應(yīng)用在不斷擴(kuò)大。

  特別是近年來加快了復(fù)合材料在機(jī)身上的應(yīng)用中，由于Ti合金具有良好的防止電化學(xué)腐蝕的特性，其應(yīng)用率進(jìn)一步提高。

  用于制造螺栓的Ti合金主要是α-β合金的Ti-6Al-4V，經(jīng)固溶時(shí)效處理，使用強(qiáng)度可達(dá)160ksi。

  其它的螺栓材料有強(qiáng)度比Ti-6Al-4V稍高的Ti-6Al-6V-2Sn和日本開發(fā)的熱加工性良好的SP-700等α-β合金，但用量很少。

  目前飛機(jī)機(jī)身制造廠為實(shí)現(xiàn)機(jī)身的輕量化，迫切需要強(qiáng)度超過Ti-6Al-4V的高強(qiáng)度Ti合金螺栓。由于兼有良好的成型性和疲勞強(qiáng)度是很困難的，所以目前這種螺栓的材料尚未開發(fā)出來。

  7.3

  航天器用螺栓

  飛機(jī)螺栓制造廠以其高超的技術(shù)、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和高度的誠信贏得客戶的好評，因此生產(chǎn)的螺栓產(chǎn)品也大量供給航天產(chǎn)業(yè)使用。

  航天器用螺栓由于用途不同，形狀各異，很少使用飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)螺栓，但螺栓材料大部分是飛機(jī)螺栓標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料。

  為提高發(fā)射航天器的推進(jìn)力，對航天器提出了輕量化的要求，在這種情況下，采用了大量的Ti合金螺栓。

  此外，由于超耐熱合金Waspaloy和Inconel718飛機(jī)螺栓具有良好的應(yīng)用實(shí)績，所以這些材料制造的螺栓也用于處于高溫條件下的火箭發(fā)動機(jī)。

  人造衛(wèi)星在地面和在軌道上是處于兩個(gè)完全不同的環(huán)境，在軌道上處于真空的無重力狀態(tài)，沒有大的外力作用。

  但在發(fā)射過程的大氣層內(nèi)必須具有耐蝕性，另外，衛(wèi)星本身也要求小型化和輕量化，所以多使用比強(qiáng)度高的Ti-6Al-4V螺栓。

  此外，由于衛(wèi)星攜帶許多精密的電子儀器，因此非磁性的奧氏體不銹鋼螺栓和A286螺栓的用量也不少。