世界上强度最高的紧固件(19.8级)已成功开发

在当前“碳达峰”和“碳中和”政策下,汽车、高铁、航空、航天、国防等国家重大装备制造用紧固件对长寿命超高强度紧固件有紧迫需求。超高强度紧固件可以在相同夹紧力下,通过减少自身尺寸来节省重量和增加安装空间,因此可以对被连接部件进行功能和体积优化,从而使装备达到整体减重和性能优化的目的。公开的资料显示,国外目前优势企业的紧固件最高强度级达到了17.8级。我国973项目依据国际发展状况,曾经研制了13.9-15.9级的紧固件材料与紧固件。

图为董瀚

2021年11月28日,由上海大学材料学院董瀚教授领衔的高性能钢铁材料团队、河北龙凤山铸业有限公司、七丰精工科技股份有限公司、舟山市7412工厂、江苏冶金技术研究院、上海大学(浙江)高端装备基础件材料研究院等单位经过一年多的联合攻关,通过“材料生产—紧固件制造—服役评价”全产业链协作,基于钢铁材料高性能化理论,利用龙凤山铸业生产的高纯铁原料成功研发出超高强度紧固件用B17.8及B19.8钢,形成了16.8级和19.8级紧固件制造技术,紧固件实物如下图所示。

图为16.8级和19.8级紧固件实物(规格为MJ8×1×50)

通过材料和热处理工艺优化,16.8级和19.8级螺栓室温抗拉强度分别满足1600~1770MPa和1900~2070MPa。剪切测试(依据GJB3376-1998)结果表明,16.8级和19.8级螺栓剪切力分别达到97kN和115kN;室温拉伸疲劳强度测试(依据GJB3376-1998及GJB715.30A-2002,载荷比=0.1)结果表明,研制的紧固件满足疲劳寿命要求(平均疲劳寿命不低于65000次,单个疲劳寿命不低于45000次);耐延迟断裂性能试验(根据GJB715.12-1990,大气环境下恒定拉应力保持96小时)结果表明,螺栓在测试时间内未发生断裂破坏,卸载后螺栓表面及螺纹处未发现裂纹;新研制的超高强度螺栓综合性能满足使役要求。

据悉,国外超高强度紧固件已经形成了相应的设计规范(如VDA235-2005),相比之下,我国相关产品技术和标准严重滞后,急需制定相关的规范。该项目成功研制出16.8级和19.8级紧固件,是国际上紧固件与材料攀登强度高峰的一个突破。将有力地推动我国重大装备的轻量化制造(如可以实现发动机小型化和提高功率密度的目标),促进中国的钢铁生产与紧固件制造领先世界。这次超高强度螺栓的研制突破预示着我国基础件与材料从跟跑、并跑到领跑的过程正在加速。

作者 | 陆恒昌 胡杰

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