紧固件用钢——冷镦钢的应用、发展、技术

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紧固件用材

     种类繁多、应用广泛的紧固件产品，在不同环境、场合接受各种考验，比如高、低温、高压、腐蚀、重载交变应力，抗剪抗扭，防止预紧失效、氢脆延时断裂等等。

 

     因此紧固件材料的选择非常重要，选择不合适，会造成产品成本高；影响产品使用寿命，更严重可能导致重大安全事故。

 

     目前紧固件常用材料有钢、钛、铜、铝、尼龙、碳纤维等。相对而言，钢的性价比较高、可回收、加工适应性强，具有优秀的机械性能。

 

     紧固件的力学性能70%以上是母材钢材决定的。现代紧固件85%以上是由先进的冷镦工艺制造完成，故冷镦钢是最常用的优秀原材料。

 

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冷镦钢的应用

      冷镦钢的钢种一般为低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。是一种在室温条件下，即可利用冷镦工艺生产紧固件的钢种。

 

      再者采用金属塑性加工成型，材料内部组织非常严密、产品的机械性能好、成材率高、能量损耗少、产品的精度高、表面的光洁度优良。

 

     所以可用来制造螺钉、螺栓、螺母、自攻螺钉、墙板钉等各类紧固件，广泛应用于汽车、机械设备、航空设备、建筑和电器等行业领域。

 

冷镦钢的发展现状

 

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我国冷镦钢的产量发展

1969年

我国已自己制造出多工位自动冷镦机，但我国还不能生产冷镦钢。

1987年

马钢引进了国内第一条德国进口的西马克高速线材轧机，仍不能生产冷镦钢，只能生产《标准件用碳素热轧圆钢GB715》,《普通碳素钉螺钢热轧圆钢》。马钢用宝钢坯，在马钢高线上首次试轧了ML35、35K冷镦钢盘条。至此，我国材第一次轧制出冷镦钢盘条。

1993年3月

宝钢第一条高线在本部投产了，结束了进口冷镦钢控制我国紧固件冷镦钢原料的市场局面。那时宝钢钢料试用价2690元/吨，直供价2750元/吨，上海市场进口35K，价格为3750元/吨。

2003年

马钢完成了对高线的技术改造。

2005年

马钢不但生产出冷镦钢，还创新试制了《超细晶非调质冷镦钢》、免退火ML35、35K、减退火35CrMo(SCM435)。同年全国6~7家国有大企业，马钢、宝钢、武钢、湘钢、鞍钢等生产冷镦钢达420万吨，产量居全球第一。

2018年

全国钢材产量10亿吨，其中线材1.444亿吨，工业线材占4974.88万吨。其中冷镦钢年产887.34万吨。占线材产总量的6.14%，占工业线材的17.8%。

2019年

冷镦钢产量920万吨，2020为890万吨，2021为1050万吨，2022为965万吨。

 

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冷镦钢的产能现状

     2018年我国约有250条高线，至今年底全国高速线材生产线约305条。目前生产冷镦钢的厂家约42家(其中有70条生产线是"优普共线”)，总产能约1500万吨左右。受市场、环保和价格等各种因素的制约和控制，目前正常需求在1000~1100万吨/年。

 

     生广规格可从Ф5.5~42(最大可达中Ф50)全覆盖、钢种有中、低碳、低合金钢(含硼钢)、合金钢、非调质钢冷镦钢等。

    对应的紧固件机械性能等级为4.6~12.9级，14.9级用合金钢也能正常供货，18.9级所需品种的原料也可批量订货。

 

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冷镦钢的标准

     目前，我国的冷镦钢产量、质量均在国际前列。冷镦钢标准在1SO/4954基础上，经过近十几年多次修订，现用的是2015版《冷镦、冷挤压用钢》是现行国家标准。

 

    按行业特征有一些团体标准(金属协会、汽车工程学会……等)。其主要依据还是GB6478-2015标准，其中有些专用牌号尚入未列入国家标准。

 

     在紧固件的国际、国内标准中通常只规定性能等级，不规定制造者的材料选用。(但制造者切忌“低材高用”，因为最终制成的紧固件成品使用中“安全性、可靠性”是最重要的)。

1985年

我国独创的20MnTiB是冶金、铁道、钢结构、紧固件生产单位的一批科技工作者多方面努力共同研发。首先使用在成昆铁路、钢结构桥梁上。至今仍能看到其优良性能(高强度、低合金：10.9级为主，性价比高)。

2004-2010年间

以马钢为主研发的《超细晶非调质冷镦钢》也列入冷镦钢当时国标GB29087-2012中。

2016年

标委会完成配套使用的《GB/T 3098.22非调质钢紧固件机械性能》，此后一直在向ISO/CT2委员会申请转批为国际标准。

 

冷镦钢的技术要求

 

     合格的冷镦钢丝必须满足以下要求：

 

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化学成分

     对于合金结构钢而言，O、P、S容易造成夹渣物，造成冷顶锻裂纹，所以应以中下限为宜。

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表面质量

    冷镦钢盘条要求很严，尺寸公差为±0.15mm；不圆度≤0.10mm；表面裂纹、划痕最深≤0.07mm。

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脱碳

• 冷镦钢盘条直径≤14mm：铁素体全脱碳层深度≤0.015mm，不完全脱碳层总深度≤0.10mm；

• 直径16-24mm：铁素体全脱碳层深度≤0.02mm，不完全脱碳层总深度≤0.12mm；

• 直径27-42mm：铁素体全脱碳层深度≤0.03mm，不完全脱碳层总深度≤0.15mm。

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非金属夹杂

     冷镦钢盘条要求B类夹杂物距表面2mm之内应不大于15μm。B类和D类夹杂物一般控制在2级内。

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金相组织

     金相组织为铁素体+粒状珠光体。理想的组织是珠光体晶粒大小相近并均匀地分布在铁素体基体上。

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低倍组织

     冷镦钢盘条低倍不应有缩孔、分层、白点、裂纹、气孔等缺陷，对中心疏松、方框偏析不允许大于2级。

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晶粒度

    10.9级以上螺栓晶粒度在7-8级较佳，保证成品强度外，其余级别冷锻钢线材的晶粒度可控制在5-7级。

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冷镦性能

     冷镦钢盘条的断面收缩率应不小于50%、屈强比应不大于70%，同时冷加工强化系数越低越好，这样不易产生加工硬化。

 

冷镦钢的优秀厂商

 

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宝武集团

• 马钢：第一条高线厂试产冷镦钢，研发非调钢是国内最早的工厂。冷镦钢盘条是其主要品种。

• 宝钢：高线1993年3月投产成为全国冷镦生产第一家。有些高端品种目前仍是国防、航天航空、高铁、汽车、生化医药用钢定点供方企业。

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邢钢

     专攻冷镦钢研发生产的国内重要厂家之一，历史上达到年产150万吨的国内最高记录，受环保治理、搬迁工程影响产量质量有所波动仍在努力进行中。

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济钢

     2008年起投产冷镦钢，均衡年产55万-60万吨，济钢产品“由普转优”、“由优升特”转化中。

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中天钢铁

    2022年年产冷镦钢超过80万吨，在上海大学董翰院长领导的团队研发实力支持下发展“神速”。近年在冷镦钢的质量和产量上都有实质性的推进。

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湘钢

    生产冷镦钢历史较早的工厂,第一个采用盘卷集线的冷镦钢生产企业，低碳冷镦钢06AL，08AL是其一大特色。

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其他钢厂

     鞍钢、兴澄、青钢、韶钢、南钢、沙钢、三明钢厂、新泰、日照、建龙北满、新兴铸管、龙腾、元立、永钢等,还有许多钢企不一一列举。

 

冷镦钢的未来前景

 

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需减小与国外先进水平存在的差距

• 表面质量、批次稳定性、通条均衡性。

• 化学成份的波动范围控制精度的执行力。

• 特需的(极限性能指标)耐高温、低温抗疲劳性能、热蠕变特征、超净纯度特种钢，包括控氢、控氧氮含量等。

     未来需要根据冷镦钢的使用特点和质量要求，制定对应的冶炼工艺和轧制规程，并严格控制各种质量和技术标准。

 

     与其他先进企业、研究单位或机构合作，攻坚各种质量和技术难题，研发新型工艺、设备、材料和标准，以生产更高品质的冷镦钢。

 

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需开发与新兴产业相关的钢种

• 低镍高强度钢

• 耐候(免维护)钢

• 海洋用钢(低温类、防腐蚀类、多品种)

• AI行业需要精密合金微型微固件线

• 生化医学新型抗菌钢国防科技

• 航空航天紧固件用钢

    随着国家的重视和政策扶持，未来冷镦钢市场将会持续保持增长。除了汽车零部件制造、医疗器械制造等高端制造领域，对精密模具和高质量冷镦钢的需求变大外，重资源型海洋收费产业也将带动整个冷镦钢行业的快速发展。

 

     最后，随着新材料技术的不断发展，冷镦钢市场将会有更多的创新和变革，并朝着高性能、高质量和绿色环保的方向发展。