35VB 鋼與大直徑高強度螺栓

孫 富

（定西高強度緊固件股份有限公司， 甘肅定西 743000）

0 引言

35VB 鋼種始見于GB/T 1231—84《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、螺母、墊圈 技術條件》，該標準中螺栓的最大直徑規格為M30。

1987 年5 月26 日，在鐵道部科技局、冶金部鋼鐵司聯合主持的鑒定會上， 通過了 “高強度螺栓用新鋼種35VB”的鑒定轉產和“35VB 新鋼種高強度螺栓”新產品的鑒定。這兩項科研成果是由鐵道部科學研究院、大冶鋼廠、上海標準件公司、上海先鋒螺絲廠、鐵道部大橋工程局橋梁科學研究所、 清華大學等六單位經過近十年研制成功的，但當時的研制僅限于M30 及以下規格。

本文主要以M36、10.9 級螺栓進行試驗驗證。

1 35VB 鋼的主要性能

1.1 相變臨界點

相變臨界點，見表1。

表1 相變臨界點

1.2 冷變形性能

螺栓用鋼的冷變形性能系指冷鐓性能和螺紋滾軋性能， 是以盡可能小的變形拉力和盡可能高而不產生破裂的變形能力來評價。 一般認為考核塑性的可靠指標斷面收縮率Z 在50%以上比較合格，而35VB 鋼在56%以上。 冷頂鍛試驗時，當鐓粗高度減小到1/2、1/3 時，表面均未出現裂紋，證明35VB 鋼有良好的冷變形性能。

1.3 淬透性

螺栓的最終性能主要取決于螺栓淬火后的金相組織。

35VB 鋼淬火后的金相組織是大量板條狀馬氏體與少量變晶馬氏體。 另外，根據石家莊鋼廠的實驗結果，當芯部要求90%馬氏體時，鹽水淬火的臨界直徑為φ38mm，而且從我公司多年的生產實踐證明，35VB 鋼的淬透性完全可以滿足生產10.9 級M36 及以下規格螺栓的要求。

1.4 力學性能

35VB 鋼經不同淬火溫度、450℃回火后的力學性能見表2，經870℃淬火不同溫度回火后的力學性能見表3。可見， 只要適當的回火溫度處理，35VB 鋼的力學性能完全能滿足GB/T3098.1 中10.9 級高強度螺栓的要求。

表2 450℃回火后的力學性能

表3 870℃淬火不同溫度回火后的力學性能

1.5 低溫沖擊韌性

不同爐號的35VB，經870℃水淬，450℃回火后，在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃及-76℃進行沖擊韌性試驗，結果見圖1。

圖1 35VB 不同溫度下的沖擊值

表明35VB 鋼的脆性轉變溫度低于-40℃。 沖擊斷口的宏觀觀察，發現由室溫到-40℃所有斷口的特征都是灰色纖維狀，有剪切唇及放射狀裂紋擴展區，隨著試驗溫度的下降，-60℃時的斷口上只見明顯的放射狀裂紋拓展區，剪切唇很小；-76℃時斷口齊平無塑性變形。 沖擊斷口的電子顯微鏡觀察， 室溫至-20℃是穿晶斷裂具有塑性韌窩特征，見圖2，從-40℃到-76℃都是穿晶脆性斷裂，具有準解理花樣和撕裂棱特征，見圖3。

圖2 室溫至-20℃沖擊斷口圖

圖3 -40℃到-76℃沖擊斷口圖

1.6 抗延遲斷裂性能

對于高強度螺栓用鋼不但要考慮其常規力學性能，而且必須從斷裂力學觀點考慮其選材、 成分以及制定熱處理工藝。

另外， 從表4 看出， 所有樣件硬度檢測結果均低于39.8HRC（390HV），根據ISO/TR 20491：2019（GB/Z XX XX 已報批），螺栓硬度低于390HV 時，不會由于氫的存在而導致機械性能延遲下降，所以具有較高的抗延遲斷裂性能。

表4 35VB M36×L 10.9 級螺栓性能檢測結果統計表

通過對35VB 鋼斷裂韌度和應力腐蝕門檻值測定，以及大量的生產實踐證明，選用大于440℃回火工藝（我公司實際生產中回火溫度為450℃）， 在使用中不會發生延遲斷裂。

2 35VB 鋼的比較優勢

2.1 資源優勢

近30 年來，國內外針對緊固件用材做了大量的研究開發工作， 諸如邢鋼在2010 年10 月又研制出10.9 級高強度螺栓用51B20 新鋼種，35VB 就是當時針對大直徑高強度螺栓而專門研發的鋼種。與同類其他鋼種相比，該鋼種不僅具有優越的綜合性能，而且充分考慮了V、B 等合金元素在我國的富有資源，容易形成批量生產。

2.2 工藝性能

首先，35VB 在大冶鋼廠、 石家莊鋼廠等國內大型鋼鐵生產廠家經過30 多年的批量生產，工藝成熟，質量穩定。 其次，相對于35CrMo、42CrMo， 35VB 在生產高強度螺栓時不再進行退火處理，符合我國節能減排的方針，而且該鋼材具有良好的冷變形性能， 適合于冷鐓生產高強度螺栓，生產效率較高，生產周期較短。 第三，35VB 熱處理工藝較為簡便，適合常規水淬工藝，特別是我公司采用托輥式網帶自動化生產線，性能十分穩定，表4 為M36 螺栓批量生產性能檢測結果。

3 使用環境優勢

35VB 具有較高的抗低溫脆斷性能，特別適合于我國北方地區的橋梁、高層建筑等室外環境使用，根據檢測結果對比，35VB 抗低溫脆斷性能不低于35CrMo、42CrMo（表5），特別適合風電機組等野外安裝使用。

表5 M36 螺栓42CrMo 與35VB 低溫沖擊對比

4 35VB 高強度螺栓的使用情況

35VB 鋼高強度螺栓最早用于1979 年5 月交付使用上海鐵路局滬杭線113 號橋，1982 年4 月由上海鐵路局檢定隊檢查認為狀態良好，沒有發現螺栓斷裂。

用于大連起重機器廠與曼內斯曼-德馬克公司合作生產的六套小方坯連續鑄造機的澆注平臺鋼結構上，結果證明是安全可靠的。

1987 年5 月，35VB 鋼及35VB 鋼大直徑高強度螺栓通過鑒定后，批量用于九江長江大橋鋼梁上。

進入上世紀90 年代后，35VB 大直徑高強度螺栓廣泛應用于上海楊浦大橋等公路橋梁、鐵路橋梁、高層建筑上。

但是，上述使用的是以M24 為主的M30 及其以下規格螺栓。 2000 年以后，我們打破GB/T 1228～1231 標準的限制， 進行了以M36 為主要規格螺栓的生產試驗，并大批量使用于風力發電機組上。

5 結論

綜合上述試驗論證、檢驗分析、生產實踐，得出如下結論：

35VB 鋼完全能夠滿足M36 規格10.9 級螺栓的性能要求，性能十分穩定；當然，如果螺栓性能等級為8.8 級時，直徑規格還可以更大。

與35CrMo、42CrMo 相比，35VB 在低溫沖擊韌性、抗延遲斷裂性能上更優。

35VB 具有優良的冷變形性能，免退火，防脫碳，符合國家節能減排的方針、政策，且生產效率較高，生產周期較短。