广西壮族自治区标准技术研究院

T/CSAE 99-2019中国汽车工程学会标准《汽车紧固件用耐热钢技术条件》解读

时间:2020-08-21    来源:摘自《中国标准化》2020年第01期
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1 引言

2019年4月25日,中国汽车工程学会首次批准发布了《汽车紧固件用耐热钢技术条件》,标准编号为:T/CSAE 99-2019,该标准于2019年4月25日正式实施。为了便于标准的理解与实施,现将标准的编制情况简要介绍。 

2 立项背景

汽车发动机是汽车的心脏,是车辆动力的来源,融合了热力学、动力学、燃烧学、摩擦学、高温氧化腐蚀等各个学科,尤其是发动机排气侧,其温度往往是一辆汽车上最高的,可达950度以上,且存在极复杂高低温交变。这对发动机热端的零件材料及工艺有着最高的要求。汽车紧固件作为汽车的零部件,数量极多,且在大部分位置起到非常重要的连接作用,甚至安全作用。比如在发动机上排气歧管、增压器等部位的连接紧固件有一-个共同的要求:耐高温和承受强烈振动[1]。

中国汽车行业尤其是乘用车经过二三十年的快速发展,已经在绝大部分零部件、材料、工艺等领域掌握了自主开发生产的能力,尤其是紧固件,中国汽车紧固件产业几乎引领了世界发展方向。但是,也有一个不争的事实,我国是紧固件出口大国,出口量几乎占产量的一半,但出口的产品大部分为低端产品,出口的平均价格为1260美元/吨,而进口的平均价格高达9000美元/吨[2]。位于发动机热端和底盘排气管等位置的耐热紧固件,依然有70%以上需要紧固件成品进口,即使部分国内生产加工,但制造耐热紧固件的原材料也是100%完全进口,耐热紧固件成为汽车所有紧固件中唯一尚没有深度自主开发、没有形成完整自主产业链的零件。对于紧固件来说,普通的冷墩低碳钢或者合金钢难以满足要求。

国内目前的钢铁企业尚没有全面而系统的紧固件用耐热钢牌号或生产加工标准体系,紧固件企业依靠进口钢材及其标准牌号进行生产,国内汽车企业对发动机热端紧固件采用完全进口或钢材进口的方式进行生产应用,图纸也都标注为国外标准牌号。耐热钢冷墩材料掌握在国外极少数大型钢厂的手中,如日本大同特殊钢,美国卡彭特等。国内目前也没有合适的标准来指导耐热紧固件的生产应用,大部分发动机热端以及底盘排气管支架类紧固件是完全零件进口或材料进口国内加工,所用材料牌号也均为国外标准牌号或国外钢厂企业标准,在国际贸易环境的持续低迷和保护主义及提升关税抬头形势下,所以制定我们国家自己的耐热紧固件用材料牌号及其标准十分必要。 

3 现行类似标准分析

在充分总结和比较了国内紧固件用耐热钢标准、调研了国内外耐热钢生产企业和紧固件企业以及整车厂对耐热钢材料及耐热钢紧固件的设计理论和试验方法的基础上,参考了ASTM A193 A193M《高温或高压及其他特殊目的用合金钢和不锈钢栓接材料的标准规范》、ASTM A493/A493M 《冷顶锻和冷镦用不锈钢线材及盘条标准规范》、DIN EN10269《指定高温和/或低温性能的紧固件用钢和镍基合金》等标准中的有关内容编写和GB/T 20878《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》。 

本标准对耐热钢原材料冶炼工艺、化学成分及牌号、力学性能等方面作了较详细的规定,并对后续拉丝工艺也做了适用于冷镦紧固件的相关规定和要求。 

因此,建立中国汽车行业《汽车紧固件用耐热钢技术条件》标准,可丰富中国汽车产品及材料标准系列,为国内汽车关键产品和材料工艺研究发展提供数据支持,打破国外技术和标准垄断。更为重要的是,建立《汽车紧固件用耐热钢技术条件》标准,弥补了国内缺乏关于纵深产业链的不足,为后续建立、修改相关标准提供方法及数据参考。

4 主要技术内容说明

4.1 范围

本标准规定了汽车紧固件用耐热钢材料的牌号及化学成分要求、盘条技术要求和线材技术要求。适用于汽车耐热紧固件冷镦用含镍、含铬的不锈耐热钢材料或般合金耐热钢材料,不适用于机加工成型的紧固件用材料。此处特别强调了冷镦成型的紧固件,而非单纯的机加工或车削(头部)成型的紧固件。

4.2 术语和定义

从国内外标准检索来看,还有国内大型合资企业现行的企业标准来看,国内汽车用耐热钢紧固件材料及牌号体系完全来自国外,且有一定的集中性,比如常用于650℃工况环境下的涡轮增压器螺柱,其材料采用了的DIN EN 10269标准中的牌号1. 4980,三元催化器螺母,其材料采用了ASTMA493 CRADE 409Cb,这两类材料的生产主体主要是两家国外企业,存在高度的标准垄断和产品垄断。国外的工业体系决定了牌号的广泛适用性,但我国标准中,虽然有相关近似牌号但针对紧固件,尤其是冷镦成型的汽车紧固件,却没有一套合适的材料生产、牌号、性能和检验等实用型、市场型的标准。 

T/CSAE 992019在编制时,充分调研了国内十余家主流的汽车制造及研发企业汽车紧固件生产企业,除了汽车行业之外,也充分对国内特大型钢铁企业进行了调研,另外,也参考了全球大型车企的内部相关标准,这些调研结论对本标准中四种全新牌号的编制起到了重要的作用,形成了不锈钢系列耐热钢和普通合金钢系列耐热钢两个大类以及热轧,拉拔两个重点生产工艺和盘条、线材两个重要产品。

4.3 通用要求

标准的通用要求主要强调了四种全新的材料牌号及其化学成分限值和汽车应用的使用温度,四种全新命名的牌号为ML06Cr15Ni25Ti2MoAIVB,ML04CrI1Nb, ML41CrMoV和ML21CrMoV,前两个牌号为不锈钢系列,后两个牌号为普通合金钢系列,命名方法按照CB/T 221和CB/T 6478规定的命名方法,前面加ML代表铆螺,为了便于汽车从业人员的辨识,特别增加了附录表,用于本标准定义的牌号与国外标准牌号的近似对照使用。

4.4 盘条技术要求

针对汽车紧固件的应用,标准在编制时特别规定了热轧盘条的尺寸,即直径范围为Ø5.5mm -22.0mm。耐热钢材料尤其是不锈钢系列的冶炼方法有一定的特殊性, 因此,标准特别规定了电渣炼钢设备及工艺。根据汽车行业大批量稳定生产的行业属性,标准编制时充分考虑了汽车产品质量要求,比如对连铸坯的切头切尾,轧制阶段的控轧控冷和表面质量在线监控设备。 

关于力学性能的要求,标准规定每批盘条取2个式样进行检测,针对材料种类的不同,做出了细致化的规定。除了常规的力学性能,标准编制时,也对冷顶锻、低倍组织、非金属夹杂、晶粒度等作出了相应的技术规定。 

由于4个牌号分属于不同的钢种,因此,在标准编制,考虑到生产工艺的不同,规定对牌号ML06Cr15Ni25Ti2MoAIVB盘条一般以固溶+酸洗状态交付,对牌号ML04Crl1Nb盘条般以退火+酸洗状态交付。对ML4ICrMoV ML21CrMoV盘条一般以热轧状态交付。 

表面质量的技术要求主要参考了国家相关标准,但对普通合金钢系列的牌号ML41CrMoV、ML21CrMoV,增加了脱碳层的要求,且要求相对比较严格,需采用金相法检验盘条每边不得存在铁素体脱碳层,每边总脱碳层深度不得大于公称直径的1.0%。但对于直径小于7 mm的盘条,每边总脱碳层深度不得大于0.1mm。

考虑到热轧盘条还要经过下一道拉丝改制,标准编制时,对包装及交货也做了比较细致的要求,其中特别说明钢材应成批交货,每批由同一炉号、同一牌号、同一规格和同一热处理炉次的钢材组成。每卷盘条径向均匀捆扎四道腰,内外径各挂1个标牌,并附上质量证明书,应注明包括但不限于下列内容:订货单位名称,钢种,尺寸,炉号,重量,化学成分,必要的宏观及微观性能。

4.5 钢丝技术要求

拉丝改制时紧固件必不可少的一道工序,且对紧固件生产尤其是冷镦的质量起到关键的作用。根据汽车行业发展趋势和面临的日趋严格的环保要求,标准编制充分考虑到任何技术要求对于环境的影响。 

标准规定盘条拉拔改制厂家应满足当地相关环保法规,采用合适的表面润滑工艺。拉拔后的力学性能决定了紧固件生产质量的稳定性,表7对四种牌号的钢丝性能做出了规定,冷顶锻的要求提升至1/4,表面皮膜的种类和相应的重量要求在表8中做出了规定。

钢丝的尺寸,如直径偏差、圆度等分别按照钢丝直径给出了三种范围。

钢丝作为紧固件生产的直接原材料,其表面质量和包装交货占据很重要的地位,标准编制时,技术条件规定钢丝以轻拉或软态盘卷交货。钢丝盘卷应为一根钢丝组成,不允许有包括焊接在内的任何形式的接头,整体规整,不得散乱、扭曲。其中ML41CrMoV和ML21CrMoV钢丝按GB/T 224规定的方法进行脱碳层检验,总脱碳层深度不得超过钢丝直径的1%。于热轧盘条的交货不同,盘卷钢丝需用防潮、防水、无腐蚀材料或聚丙烯编织物等进行防护包装。盘卷包装后用钢带或其它材料进行捆扎,每卷至少均匀捆扎盘卷径向的四个方向,不得对钢丝表面质量造成影响,至少配有两个吊环或吊带,方便取货。

4.6 其它要求

标准编制主要考虑的汽车行业的应用需求,因此,针对合资与自主品牌等不同的体系要求,标准对需方的一些特殊要求罗列6点,如缩小化学成分范围,测定结果高温抗拉强度,测定钢的蠕变断裂应力值和蠕变延伸率等。 

另外,根据汽车行业现行的合规要求,本标准特别增加了耐热钢材料及皮膜覆盖层中的禁限用物质管控需满足GB/T 30512-2014《汽车禁用物质要求》。

5 对实施新标准的说明与建议

T/CSAE 99 -2019标准是一个中国汽车工程学会团体标准,推荐该组织内成员自愿采用。本标准的发布,实现了汽车紧固件用耐热钢材料的生产、检测、包装等一-系列技术要求。从材料冶炼、化学成分约束等源头保证了中国自己冷镦耐热钢的生产技术。该标准的出现,填补了国内汽车紧固件用耐热钢材料及其牌号的空白,是汽车企业及紧固件企业的新选择。 

汽车行业和钢铁行业的编写团队在标准编制中,已经充分意识到,耐热钢紧固件虽然在汽车上的数量不多,但是却是国产化程度最低的紧固件产品,耐热钢生产标准和材料工艺掌握在国外两三家企业手中,进口成本逐年上升,甚至可能成为国外贸易保护主义的风险点。 

笔者认为,应该加强对紧固件用耐热钢标准的宣传力度,除了在汽车行业进行应用之外,也应在钢铁行业、金属加工行业、内燃机行业等其它行业和组织进行推广,使得国产材料得以广泛使用,降低原材料生产成本,形成良性的产业循环。