專利名稱：高強度螺栓用鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于合金鋼領域。主要適用于抗拉強度為1400～1600MPa，同時要求具有良好延遲斷裂抗力的高強度螺栓用鋼。
高強度螺栓廣泛應用于機械、汽車、橋粱、建筑等行業(yè)。當用調(diào)質(zhì)處理的低合金鋼制造的螺栓的抗拉強度超過約1200MPa時，延遲斷裂問題就變得十分突出。因此，目前使用的高強度螺栓的強度水平基本控制在1200MPa以下。隨著各個生產(chǎn)部門的發(fā)展，對制造各類緊固件(如螺栓、螺釘、螺母等)使用的材料提出了愈來愈高的要求，一些汽車、建設機械用螺栓甚至要求強度在于1400MPa以上。近年來，國際上開展了耐延遲斷裂高強度螺栓鋼的研究開發(fā)。如日本專利JP1-96354中的Cr-Mo-V高強度螺栓用鋼，具有1400～1600MPa的抗拉強度，同時具有較好的耐延遲斷裂性能。但其Si含量較高(0.50％～1.50％，重量百分比，下同)，顯著惡化鋼的冷鐓性能，同時較高的Cr含量(1.50％～3.50％)不僅對冷加工性能不利，而且會提高鋼的成本。日本專利JP8-225845中的Cr-Ni-Mo-V高強度螺栓用鋼，則含有較高含量的貴重元素Ni(0.8％～2.4％)，使得鋼的成本較高。日本的住友金屬開發(fā)的1300MPa級耐延遲斷裂的高強度螺栓鋼ADS3，由于C含量較高(0.49％)，鋼的韌性較差，同時螺栓的加工性能惡化。這些均在實際應用中受到了限制。
本發(fā)明的目的在于提出一種抗拉強度為1400～1600MPa、且具有良好耐延遲斷裂性能的高強度螺栓用鋼。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明所采用的主要技術方案是(1)加入抗回火軟化能力強的元素Mo、V等，提高回火溫度和晶界強度；(2)降低雜質(zhì)元素P、S的含量，同時降低Mn、Si含量，抑制淬火鋼高溫回火時Mn和P的共偏聚和改善鋼的冷加工性能；(3)加入適量的稀土元素，對夾雜物進行變性和對氫起陷阱作用，進一步降低氫在晶界的偏聚和改善韌性；(4)加入V、Nb等微合金元素，生成彌散細小的碳氮化物以細化奧氏體晶粒，提高鋼的強度和韌性。
本發(fā)明鋼的具體化學成分(重量％)如下C0.35～0.50，Si≤0.01-0.09，Mn≤0.30，P≤0.010，S≤0.008，Cr0.50～1.50，Mo0.70～1.50，V0.20～0.50，Nb0.01～0.08，RE0.002～0.040，Al0.005～0.05，N0.006～0.015，根據(jù)需求可加入0.01～0.15的Ti、Zr中的任意一種或兩種，余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
各元素的作用及配比依據(jù)如下C淬火、回火后為了獲得所需的高強度，C含量須在0.35％以上，但過多的C含量會惡化鋼的韌性和工藝性，并增加延遲斷裂的敏感性，因而C含量控制為0.35～0.50％。
SiSi元素雖然可以脫氧，但它促進鋼高溫奧氏體化時晶界氧化和促進雜質(zhì)元素P和S的晶界偏聚，因此惡化鋼的耐延遲斷裂性能。同時，Si元素還顯著惡化高強度鋼的冷鐓性能，因而控制其含量不超過0.09％。
MnMn是脫氧和脫硫的有效元素，還可以提高鋼的淬透性和強度，但淬火鋼高溫回火時，Mn和P有強烈的晶界共偏聚傾向，促進回火脆性，因而控制Mn含量在0.30％以下。
PP能在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而增加鋼的延遲斷裂敏感性，所以控制P的含量在0.010％以下。
S不可避免的不純物，形成MnS夾雜和在晶界偏聚會惡化鋼的冷加工性能和耐延遲斷裂性能，因而控制其含量在0.008％以下。
Cr能夠有效地提高鋼的淬透性和回火抗力，以獲得所需的高強度。含量小于0.50％難以起到上述作用，但含量超過1.50％則會惡化鋼的韌性和冷加工性。
MoMo在有效地提高鋼的淬透性和回火抗力的同時，還能夠強化晶界。含量小于0.70％作用不明顯，但含量超過1.50％則上述作用效果飽和，且成本較高。
VV能夠細化晶粒，在較高溫度回火時析出的碳氮化釩除可進一步提高鋼的強度外，還由于碳氮化釩具有較強的陷阱能，能夠捕集氫使其均勻地分散在晶內(nèi)，抑制氫的擴散，從而改善鋼的耐延遲斷裂性能。V含量小于0.20％難以起到上述作用，但含量超過0.50％則作用飽和。
Nb細化晶粒，提高鋼的韌性，含量小于0.01％起不到上述作用，但含量超過0.08％則作用飽和。
RE通過多年對RE元素在鋼中作用的系統(tǒng)研究表明，RE元素除有脫氧脫硫和對非金屬夾雜物變性處理的作用外，還能夠有效地捕集氫，減少氫和其它有害元素在晶界上的偏聚，降低氫的滲透擴散，可進一步降低高強度鋼延遲斷裂的敏感性。RE含量小于0.002％起不到上述作用，但含量超過0.040％，則由于夾雜物增多，反而惡化鋼的耐延遲斷裂性能?？刂破浜吭?.002～0.040％。
Al能夠有效地脫氧和細化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過0.05％則易形成粗大的氧化鋁夾雜，惡化鋼的韌性。
NN能夠和Al、Nb、V等形成細小的氮化物細化晶粒，但過量的N會偏聚于晶界和形成粗大的夾雜物，所以其含量應控制在0.006～0.015％。
Ti除細化晶粒、析出強化和固定N、S的作用外，彌散析出的TiC是鋼中陷阱能最高的氫陷阱，能夠捕集氫使其均勻地分散在晶內(nèi)，抑制氫的擴散，從而改善鋼的耐延遲斷裂性能。Ti含量小于0.01％起不到上述作用，但含量超過0.15％則作用飽和。
Zr其作用和Ti類似。
本發(fā)明鋼可采用電弧爐＋爐外精煉冶煉，澆鑄成鋼錠或連鑄成坯，然后軋制成棒線材等產(chǎn)品。本發(fā)明鋼的熱處理制度與現(xiàn)有技術相似，本發(fā)明鋼經(jīng)850～950℃淬火和高于500℃的高溫回火后再進行檢測并交貨。
本發(fā)明鋼與現(xiàn)有技術相比較，不僅抗拉強度有所提高，而且耐延遲斷裂性能優(yōu)良，經(jīng)濟效果好。
實施例本發(fā)明實施例是根據(jù)上述所設計的化學成分范圍，在50kg真空感應爐上冶煉了4爐本發(fā)明鋼和1爐對比鋼，此外還有1爐商業(yè)鋼42CrMo作為對比鋼，其具體化學成分如表1所示。鋼水澆鑄成錠，并經(jīng)鍛造制成棒材。試樣加工前經(jīng)900℃、30分鐘正火處理，隨后加工成標準室溫拉伸試樣(L0＝5d0，d0＝5mm)WOL型試樣(15mm×37.2mm×48mm)的毛坯。上述試樣經(jīng)淬火回火后加工至最終尺寸。熱處理制度和相應的性能參數(shù)見表2。
試樣在室溫下進行拉伸性能試驗。改進的WOL型試樣預制1～2mm的疲勞裂紋后，用螺釘加載后浸入室溫的3.5％NaCl水溶液中。用讀數(shù)顯微鏡測量裂紋長度a，當裂紋擴展速率da/dt≤1.0×10-9m/s時終止實驗。根據(jù)止裂后的裂紋長度和所加恒位移就可求出應力腐蝕臨界應力強度因子KISCC。試驗參照GB12445.3-90進行。所得結果列入了表2。
通過對比可以看出，本發(fā)明鋼不僅強度高，而且在1400～1600MPa的強度水平下較對比鋼在相同強度水平下的耐延遲斷裂性能顯著提高，呈現(xiàn)出優(yōu)良的耐延遲斷裂性能。
在本發(fā)明實施例中，表1為本發(fā)明實施例與現(xiàn)有技術鋼的成分對比表，表2為本發(fā)明實施例樣品性能與現(xiàn)有技術鋼性能的比較。
表1本發(fā)明實施例與對比鋼的化學成分比較(重量％)
表2本發(fā)明實施例與對比鋼的熱處理制度、抗拉強度及耐延遲斷裂性能的比較
權利要求
1.一種具有耐延遲斷裂性能的高強度螺栓鋼，其特征在于該鋼的具體化學成份為(重量％)C0.35-0.5，Si0.01-0.09，Mn≤0.30，P≤0.010，S≤0.008，Cr0.5-1.5，Mo0.7-1.5，V0.20-0.50，Nb 0.01-0.08，RE0.002-0.04，Al0.005-0.05，N0.006-0.015，Ti和Zr中的任意一種或兩種之和為0.01-0.15，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明屬于合金鋼領域。更適用于抗拉強度為1400－1600Mpa,同時具有良好耐延遲斷裂性能的高強度螺栓鋼。該鋼的具體成分為(重量%)C 0.35－0.5,Si 0.01－0.09,Mn≤0.30,P≤0.010,S≤0.008,Cr 0.5－1.5,Mo 0.7－1.5,V0.20－0.50,Nb0.01－0.08,RE 0.002－0.04,Al 0.005－0.05,N0.006－0.015,Ti和Zr中的任意一種或兩種之和為0.01－0.15,其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明鋼與現(xiàn)有技術鋼的性能比較;在1400－1600Mpa的強度下,本發(fā)明鋼的耐延遲斷裂性能明顯提高,而且其他綜合性能也比現(xiàn)有技術鋼要好。
文檔編號C22C38/28GK1329179SQ0112951
公開日2002年1月2日 申請日期2001年6月22日 優(yōu)先權日2001年6月22日
發(fā)明者翁宇慶, 惠衛(wèi)軍, 董瀚, 王毛球, 陳思聯(lián), 時捷 申請人:鋼鐵研究總院