第42卷 第6期 
上 海 金 属 
Vol.42,
No.62020年
11月 SHANGHAIMETALS 
November,
202015
 基金项目:泛亚汽车技术中心有限公司“创意工坊”创新孵化基金(
18 PAT 44)作者简介:钱鹏,男,工程师,硕士,主要从事汽车发动机及变速箱和电池包相关紧固件的设计研发、供应商管理,验证及失效分析工
作,E mail:peng_qian@patac.com.cn,电话:158****1266通信作者:陆恒昌,男,讲师,博士,主要从事高性能钢铁材料基础理论与技术研究,E mail:luh
engchang@shu.edu.cn,电话:
188****2010
汽车用耐热紧固件团标的制定及A286合金螺栓的研制
钱 鹏1
 陆恒昌
 袁 峰1
(1.泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201206;2.上海大学材料科学与工程学院,上海
200444) 
【摘要】 为了满足对汽车用耐热紧固件的需求,泛亚汽车技术中心有限公司等单位制定了2项团体标准T/CSAE99—2019和T/CSAE136—2020。团标中包含了紧固件用耐热材料的
牌号和基本技术要求,耐热材料的应用等。通过全产业链协作,建立了“材料生产
紧固件制造 服役评价”的质保体系,研制了A286合金螺栓。结果表明:采用真空感应熔炼(VIM)+电渣重
熔(ESR),
并进行合理的覆膜处理、拉拔、热处理,试制的A286合金螺栓使用性能满足要求。A286合金螺栓的制造工艺为冶炼→开坯→热连轧→盘条酸洗→覆膜处理→拉丝→固溶处理→酸洗→轻拉拔→检测→冷镦→搓丝→时效→表面处理→性能检测,最佳工艺为:轻拉减面率8%~18%,(980±10)℃固溶处理及(720±10)℃时效
16h。【关键词】 耐热紧固件 A286合金 固溶处理 时效
EstablishmentofGroupStandardsonHeat resistantFastenersfor
AutomobileandDevelopmentofA286AlloyBolt
QIANPeng1 LUHengchang2 YUANFeng1
1.PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.
,Ltd.,Shanghai201206,China;2.Schoolof
MaterialsScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China)  【Abstract】 Inordertomeettheneedsforautomotiveheat resistantfastener,twogroupstandardssuchasT/CSAE99—2019andT/CSAE136—2020wereestablishedbyPanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.,Ltd.inconjunctionwithotherplants.Thegroupstandardsinvolvegradesandbasictechnicalrequirementsofheat resistantmaterialsreservedforfastener,applicationsofheat resistantmaterialsandsoon.Throughcooperationwithmembersinthewholeindustrychain,aqualityassurancesystemconsistingofmaterialproducti
on,fastenermanufacturing,andserviceevaluationwasestablished,andA286alloyboltsweredeveloped.TheresultsshowedthattheA286alloyboltstrial producedbyvacuuminductionmeltingpluselectroslagremelting,reasonabletectorialmembraneprocessing,drawingandheattreatingexhibitedserviceperformancewhichconformedtotherequirements.TheprocessoffabricatingtheA286alloyboltswasasfollows:smelting→forging→hot
continuousrolling→pickling→tectorialmembraneprocessing→colddrawing→solutiontreating→pickling→lightdrawing→inspection→coldheading→threadrolling→aging→surfacetreatment→performancetests.Theoptimalprocessescanbelistedas:lightdrawingtoareareductionsof8%to
18%,solutiontreatingat(980±10)℃,andagingat(72
0±10)℃for16h.
16
  上 海 金 属 第42卷【Key Words】 heat resistantfastener,A286alloy,solutiontreating,aging
  近年来,国家始终要求汽车行业实施节能减排。目前汽车企业的节能减排措施主要包括整车
轻量化和采用高效内燃机、涡轮增压技术、自动变速器、混合动力、电子控制技术等。其中涡轮增压技术可提高发动机比功率和比扭矩,实现发动机小型化,因此被认为是更经济有效的节能减排技术。但由于涡轮增压器的转速较高,服役温度可达1000℃,因此需采用耐热材料制作,包括紧固件[1 3]。但目前国内耐热紧固件的标准及产业链不健全,因此汽车用耐热紧固件及原材料严重依赖进口,其货源受到近期不稳定国际贸易形势的影响。A286铁基沉淀硬化型高温合金具有较好的热稳定性、塑性及良好的耐蚀性,是目前汽车发动机中用量最大的紧固件材料[4]。鉴于这种情况,泛亚汽车技术中心有限公司联合上下游企业制定了汽车用耐热紧固件团体标准,并开展了
A286合金螺栓的研制,对推动汽车用紧固件制造及材料生产全产业链的建立具有重要意义。
1 汽车耐热紧固件的选材  为了满足超低排放的要求,对汽车发动机的效率和运行温度的要求不断提
高。发动机排气侧
的温度往往是最高的,其紧固件承受极其复杂的高低温交变应力,因此对发动机热端零件用材料及制造工艺的要求很高。对于紧固件,普通的冷镦低碳钢或合金钢及普通的镀涂等表面处理均难以满足要求。图1为美国卡朋特公司(Carpenter)提出的常用耐热紧固件材料及使用温度。可以看出,A286铁基合金的使用温度不高于700℃;含镍量更高的NCF3015合金使用温度可提高至
700~760℃;80A镍基合金的使用温度最高,可达820℃,但成本很高;431不锈钢具有高的强度
但使用温度相对最低,成本也较低。因此选材时既要顾及性能也要考虑成本。
表1为国内采用耐热紧固件连接的主要汽车零部件,可见紧固件所用材料基本为国外标准或国外厂标的材料。其中A286合金主要用于增压器与排气歧管/催化器、排气歧管与缸盖、催化器与排气管等的连接件,使用数量一般3~9件不等。
图1 耐热紧固件材料的选用
Fig.1 Selectionofthematerialsreservedforheat
resistantfastener
2 团体标准的制定
国内虽有耐热材料的相关标准,但目前尚没有全面而系统的牌号或生产标准,因此大部分紧固件厂采用ASTM、EN及JIS等标准。紧固件企业依靠
第6期 钱 鹏等:汽车用耐热紧固件团标的制定及A286合金螺栓的研制
17
表1 国内用耐热紧固件连接的汽车零部件Table1 Domesticautomobilepartsconnectedbyheat resistantfasteners
序号
材料牌号
应用部位
主机厂
660(ASTM)A286(ASTM)排气歧管到增压器(螺柱)增压器到三元催化器(螺柱)三元催化器到后处理及排气管(螺柱)泛亚汽车技术中心有限公司、上汽乘用车、东风汽车技术中心、神龙汽车有限公司221CrMoV5 7(EN)B16(ASTM)排气歧管到增压器(螺母)泛亚汽车技术中心有限公司、上汽乘用车3
409Cb(ASTM)增压器到三元催化器(螺母)三元催化器到后处理及排气管(螺母)
泛亚汽车技术中心有限公司、东风汽车技术中心6
660(ASTM)A286(SAE)(BS1508286531)B16(ASTM)A470(BSENISO)X6Cr13(SAE)
排气系统福特汽车工程研究有限公司725Cr2MoVA排气歧管到增压器(螺母)东风汽车技术中心8
SUH660(JIS
排气歧管与缸盖燃烧室(螺柱、螺母)排气歧管到增压器(螺柱、螺母)增压器到三元催化器(螺柱、螺母)
众泰汽车9A286(ASTM
后排气系统 螺母前排气系统 螺母
观致汽车10660(ASTM)A286(ASTM)发动机涡轮冷却水泵(螺柱)三元催化器前排气管(螺母)神龙汽车有限公司11
21CrMoV5 7(EN)
发动机涡轮增压器(螺母)
神龙汽车有限公司
进口材料及其标准进行生产,汽车发动机热端紧固件完全依赖进口或采用进口材料生产,图纸标注的均为国外标准牌号,如日本大同特殊钢及美国卡朋特等。为了推动耐热紧固件用材料自主供货,泛亚
汽车技术中心有限公司联合上下游企业通过中国汽车工程学会立项,制定了T/CSAE99—2019《汽车紧固件用耐热钢技术条件》及T/CSAE136—2020《
汽车高温连接紧固件技术条件》两项团体标准。团标的主要技术内容涵盖了紧
固件用冷镦耐热材料的相关技术要求、盘条和线材技术要求、耐高温紧固件生产制造技术条件和表面处理技术条件,还有包含力学性能、扭矩测试的系统装配验证技术条件及标识标记、包装交货
要求等,适用于发动机热端紧固件,包括螺栓、双头螺柱和螺母等。表2和表3分别为T/CSAE
99—2019和T/CSAE136—2020中
的材料牌号及其对应的相关数据。可见所列牌号能基本满足目前
国内对汽车发动机用耐热紧固件的需求。 表2 T/CSAE99—2019中耐热材料的基本数据
Table2 Essentialdataoftheheat resistantmaterialsinT/CSAE99—2019
牌号
热处理制度
Rm/MPaRp0.2/MPaA/%Z/%
对应国外牌号ML06Cr15Ni25Ti2MoAlVB
固溶+时效900~1150≥600≥15—
A286、660、1.4980
ML04Cr11Nb退火≤485
≥270≥20≥60
409CbML41CrMoV淬火+回火850~1000≥700≥14≥45B16ML21CrMoV
淬火+回火
700~850
≥550
≥16
观致汽车
≥60
21CrMoV5 7
3 A286
合金螺栓的研制A286合金螺栓的制造工艺流程为冶炼→开坯→热连轧→盘条酸洗→覆膜处理→拉丝→固溶处理→酸洗→轻拉→检验→冷镦→搓丝→时效→
性能检测。3.1 冶炼采用真空感应(VIM)+电渣重熔(ESR)工艺冶炼试验合金,化学成分如表4所示。经过开坯和热轧至公称直径9mm的盘条。通过Thermo calc软件计算试制A286合金的
18  上 海 金 属 第
42卷 
表3 耐热紧固件用材料的高温力学性能
Table3 Hightemperaturemechanicalpropertiesofthematerialsforheat resistantfastener
牌号
热处理强度/MPa
(≥)温度/℃150200250300350400
450500550600650
ML06Cr15Ni25Ti2MoAlVB固溶+时效R
—————720
710700690
670
Rp0.2570560550540530520510490460430380ML04Cr11Nb退火R
360340320300290275
250225200175—Rp0.2210200190180174165150135120105—ML41CrMoV淬火+回火R
780760730715695665
630565480350—Rp0.2647631608593577554523470400293—ML21CrMoV淬火+回火R
645625600575540510
475440400645—Rp0.2515500480460435410380350———
14Cr17Ni2淬火+回火R
780760730715695665
630565480350
—Rp0.2647631608593577554523470400293—GH4080A固溶+时效R
950900900900900900
900890880850—
Rp0.2
577568564560550540
530
520
510
500
480
表4 螺栓用A286合金的化学成分(质量分数)
Table4 
ChemicalcompositionoftheA286alloyforbolt(massfraction)
元素
CSiMnPSCrNiMoTiAlBVPS
质量分数
0.04
0.65
1.46
0.018
0.003
15.10
24.90
1.20
2.21
0.24
0.006
0.300
0.018
0.003
相图如图2所示。由图2可知,A286合金的熔点
1390℃,固相线温度为1232℃,在1232~530℃基体为奥氏体,平衡析出相包括Laves相(析出温度683~955℃)、σ相(析出温度710
℃)及Ni3
Ti(析出温度770℃)
。图
2 A286
合金相图
Fig.2 PhasediagramoftheA286alloy
3.2 
拉拔及时效工艺对螺栓性能的影响在最后一道次拉拔过程中,研究了减面率及
时效时间对螺栓性能的影响。减面率为
8.0%~42.5%,时效温度为730℃,时效时间分别为4、
8、12、16和20h,试验结果如图3所
示。可见,抗拉强度随着拉拔减面率的增加而提高。随着时效时间的增加,合金的抗拉强度均先升高后下降。
时效处理后,抗拉强度大幅度提高。时效
4~12h的合金,抗拉强度均增加,但时效12h以上的合
金强度下降。时效16~20h的合金强度趋于稳定。A286合金的强化主要与FCC结构的有序相
γ′即
Ni3
(Al,Ti)的析出有关,该相与奥氏体基体保持共格关系[5 6
]。随着时效时间的增加,析出
相含量增加,因此强度提高,但到一定程度后,析出相的含量不再明显增加,而且还可能发生
Oswald熟
化变粗[7 8
],导致随着时效时间的延长强度下降。根据技术要求,时效后A286合金的抗拉强度应为900~1150MPa,因此由以上结果可知,采用8%~18%的拉拔减面率和16~20h的时效时间可使A286合金的强度达到要求。3.3 固溶温度对晶粒度的影响合金的晶粒尺寸决定于固溶
处理的温度和时间。一方面晶粒细化可有效提高金属材料的室温力学性能,另一方面,晶粒过于细小不利于高温性
能,因此适当的晶粒度对
A286合金的使用性能也至关重要[9 11
]。研究了固溶处理温度对合金晶
粒度的影响,结果如图4所示。可见在
900~950℃固溶处理的A286合金晶粒度为9~10级,970℃固溶处理的合金晶粒度减小至8级,990℃固溶处理的合金晶粒度减小至6级。技术条件要求
A286合金晶粒度为6~8级,因此,合理的固溶
第6期 钱 鹏等:汽车用耐热紧固件团标的制定及A286合金螺栓的研制
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 温度为970~990℃。
图3 拉拔减面率和时效时间对A286合金
抗拉强度的影响Fig.3 Effectofdraftandagingtimeontensile
strengthoftheA286alloy
图4 A286合金的晶粒度随固溶处理温度的变化Fig.4 VariationofgrainsizeoftheA286alloywith
solutiontemperature
3.4 
螺栓的制造及高温持久性能
冷镦是制造A286合金螺栓的难点,需进行
良好的覆膜处理,本文采用草酸盐涂层技术处理。基本工艺为:总酸度11~20点,促进度1~3
点,温度90~100℃,时间20~40min,涂层厚度8~9g/m2
。结果表明:经上述工艺处理的涂层润滑性能较好,能满足冷镦要求。通过匹配的冷镦和热处理工艺制备了M8螺栓产品,质量检验结果表明,其外观、尺寸、显微组织、力学性能及锁紧力均达到了技术要求。显微
组织如图5所示,经王水腐蚀后显示出了奥氏体孪晶界。
图5 试制A286合金螺栓的显微组织Fig.5 Microstructureofthetrial produced
A286alloybolt
根据GB/T2039—2012在650℃以385MPa的应力进行了持久试验,试验100h后试样断裂,抗拉强度和断后伸长率如表5所示。可见所研制的A286合金螺栓的持久性能符合要求,且高温强度和断后伸长率高于进口材料。
 表5 A286合金螺栓的高温持久试验结果
Table5 ResultsofhightemperatureendurancetestfortheA286alloybolt
编号温度
/℃应力/MPa持续时间/(h:min)抗拉强度/MPa断后伸长率
/%结果试制材料1
号650
385100:1476720合格2号650385100:1575319合格进口材料1
号650
385100:1463216合格2号650
385100:1469218
合格
4 
结论(1)制定的耐热紧固件的团体标准T/CSAE
99—2019《汽车紧固件用耐热钢技术条件》和T/CSAE136—2020《汽车高温连接紧固件技术条件》能满足国内汽车发动机制造的需求,为健全相关标准迈出了重要一步。
(2)通过联合上下游企业,成功研制了A286
合金耐热紧固件,其使用性能满足相关技术要求。A286合金螺栓的最佳拉拔和热处理工艺为:轻拉减面率8~18%,(980±10)℃固溶处理及(720±10)℃时效16h。
(下转第26页)