超高強度螺栓簡介和應用前景

超高強度螺栓簡介和應用前景

超高強度(UHS)螺栓也被稱為奧氏體熱處理螺栓，其硬度和抗拉強度高于ISO898-1中規定的螺栓性能等級。

2011年8月，VDA發布了材料數據表VDA235-205，定義了用于汽車工業的14.8、15.8和16.8級熱處理的要求。

隨著這些螺栓在汽車上的應用越來越廣泛，及對接頭設計的影響，有必要建立一個特殊的性能等級標識。

由于強度和性能的提高，UHS螺栓，不同于行業標準的油淬火和回火螺栓。

具有獨特的頭部標記，性能等級后一個大寫U，表示超高強度螺栓(14.8U,15.8U和16.8U)。

今天，提供了超高強度螺栓(14.8U、15.8U和16.8U)的加工注意事項以及對接頭設計的影響。

UHS螺栓，通常用于關鍵應用中，通過使用較小公稱直徑的螺栓，來充分利用夾緊載荷潛力，和獲得較大直徑螺栓的抗拉強度。

這些螺栓，可幫助減輕車輛的重量，特別是在關鍵的發動機和底盤應用上需要高夾緊力載荷。

與標準油淬火和回火相比，用更少的螺栓進行等溫淬火處理的時間更長，因此成本增加。螺栓通過爐子大約需要16分鐘，然后鹽浴大約40分鐘。在爐內的時間取決于零件的尺寸和重量，大多數爐帶工藝建議是單層厚度的螺栓。

 01 等溫淬火熱處理概述

等溫淬火工藝在進過高溫后使用鹽浴而不是油來淬火冷卻零件，形成下貝氏體結構，與傳統的油淬形成馬氏體結構不同。

緊固件制造商表示，UHS螺栓的優選材料是SAE8640鋼。

有一些制造商對基本的SAE8640進行了輕微的化學改性，以幫助提升冷鐓性和等溫淬火后物理性能。其他被研究的鋼材有SAE6150、5140、4340、4140和SAE4130等，但SAE8640表現更好。

此外，零件芯硬度的增加，可能導致拉絲引起微觀的組織變化。

冷成形螺栓的線材退火方式對熱處理的一致性（即球化、亞臨界球化、應力消除等）很重要。為了輔助等溫淬火過程，零件應該是干凈的(沒有磷酸鹽)，使用輕水基防銹劑。

UHS螺栓，對氫脆(氫致應力腐蝕開裂)的敏感性與工業標準油淬火回火螺栓相同或略低。但不能消除。參考標準ISO15330緊固件氫脆檢測預加載試驗。因此，防腐蝕涂層建議避免電鍍，可考慮考慮浸鍍涂層。

通常情況下，按照CQI-9特殊工藝：熱處理系統評估章節4-生產數量業務活動前的工作審核，對淬火工藝進行評估。包括工業標準的硬度檢查，拉伸和貝氏體組織測試。組織檢測采用焦亞硫酸鈉(SMB)蝕刻分析方法對環氧基嵌套復合試樣進行貝氏體和馬氏體檢測。

由于硬度的增加，UHS螺栓在受到磁性進料設備的影響時可能會被磁化。

令人擔憂的是，如果螺栓被磁化，它們往往會吸引小的金屬顆粒，從而干擾裝配。

雖然相關行業標準尚不清楚，但為防止干擾車輛電子設備，部件上的磁性可接受水平在0到3高斯之間。建議在使用磁性供料設備時安裝消磁裝置。

奧斯體等溫淬火是一種經過多年驗證的熱處理工藝，該工藝已為汽車工業提供性能等級14.8U的螺栓量產超過10年。

性能等級14.8U的螺栓在熱處理后軋制螺紋時，其疲勞強度比馬氏體組織的10.9螺栓提高了20%，下貝氏體組織的優點是晶體組織內的內應力更低，在同等強度下的延展性更好，根據ISO3800的疲勞性能更高，由于較低的殘余應力，奧氏體熱處理的變形更少，淬火裂紋的概率更小。

案列顯示，MJ16×2.5性能級14.8U螺栓根據ISO148-18的夏比沖擊評估結果顯示貝氏體條件下的14.8U等溫淬火螺栓與14.9馬氏體條件下的夏比沖擊試驗吸收能顯著提高。

02 應用位置

一些發動機內部關鍵件，傳動系統，變速箱和底盤應用使用14.8U和16.8U螺栓，使用屈服法或轉角法的擰緊策略。

部分連桿螺栓采用多重緊固策略，即UHS螺栓在二次緊固時屈服點的夾緊載荷增加。

長的屈服區域，減少了對電動工具精度的依賴。

此外，內部發動機UHS緊固件可以更小(即M7取代M8)。

此外，UHS螺栓適用于不能增加公稱直徑尺寸，還要求提高連接強度并達到減重的限制空間中。

03  設計和應用的重要因素

螺栓下頭圓角設計是重要的，因為此區域變形量比較大。

對于提高疲勞應用，可考慮大圓角半徑或特定形狀的，如特殊設計的圓角(雙半徑或橢圓)。

UHS螺栓優選MJ螺紋形式-ISO5855航空航天MJ螺紋(MJ12-1.25)，和熱后處理螺紋軋制。

MJ螺紋的拉應力面積，會略大于相同尺寸和螺距的標準ISO米制螺紋(M12-1.25)。

由于MJ螺紋型面存在模具磨損成本高、滾絲速度慢等問題。熱處理后的螺紋軋制大大降低了模具壽命。

用M42工具鋼制作的特種滾絲模具經硬化后可提高滾絲的壽命。經過熱處理的軋制螺紋提高了疲勞壽命，優化了螺栓的性能。

通常，浸鍍涂層表面防腐涂層應用在大多數UHS緊固件上，可提供一致的摩擦性能。

該涂層具有均勻的厚度，以提供更好的耐腐蝕性能，而且此涂層加工過程中不存在引入氫脆的潛在危險。

04  應用說明

如果UHS螺栓，要取代現有的ISO等級(例如10.9)，擰緊規范可能需要調整，以優化UHS螺栓的特殊性能。

一個關鍵的螺栓設計規則是螺栓優先失效。

在使用UHS螺栓時，配合件的材料和內螺紋嚙合長度是重要的考慮因素。為了充分利用UHS螺栓的抗拉強度，常常增加螺紋嚙合度。因為的鋁材料的物理性質，鋁螺紋孔可能是有問題的。建議進行電動工具進行扭矩失效測試，建立失效模式的**系數。

例如，使用電動工具在鋁轉向節的內螺紋上擰緊M10×1.5-14.8U直至失效，內螺紋在2x直徑、2.5x直徑、2.75x直徑都出現滑絲；3.5x直徑時，螺栓失效。

此外，UHS螺栓提供高夾緊力，會增加接觸壓力，應注意接觸面嵌入的風險。

05 UHS螺栓，可增加預緊力和延展性，支持發動機、傳動系統和底盤部件小型化，減輕重量。

與馬氏體淬火和回火性能(即10.9)相比，UHS螺栓有額外的成本,因為UHS螺栓使用的是特殊材料，等溫淬火熱處理工藝較慢，熱處理后軋制螺紋和推薦使用MJ螺紋型增加模具費用。

前景是，UHS螺栓可支持車輛減重，在汽車關鍵應用的市場正在緩慢擴大。

有證據表明，通過擴大VDA分類，UHS螺栓正穩步成為主流，并被汽車工程師使用。

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