專利名稱：高強(qiáng)度螺栓用鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域。主要適用于抗拉強(qiáng)度為1400～1600MPa，同時要求具有良好延遲斷裂抗力的高強(qiáng)度螺栓用鋼。
高強(qiáng)度螺栓廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、橋粱、建筑等行業(yè)。當(dāng)用調(diào)質(zhì)處理的低合金鋼制造的螺栓的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度螺栓的強(qiáng)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(shè)機(jī)械用螺栓甚至要求強(qiáng)度在于1400MPa以上。近年來，國際上開展了耐延遲斷裂高強(qiáng)度螺栓鋼的研究開發(fā)。如日本專利JP1-96354中的Cr-Mo-V高強(qiáng)度螺栓用鋼，具有1400～1600MPa的抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用中受到了限制。
本發(fā)明的目的在于提出一種抗拉強(qiáng)度為1400～1600MPa、且具有良好耐延遲斷裂性能的高強(qiáng)度螺栓用鋼。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明所采用的主要技術(shù)方案是(1)加入抗回火軟化能力強(qiáng)的元素Mo、V等，提高回火溫度和晶界強(qiáng)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(jìn)行變性和對氫起陷阱作用，進(jìn)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(xì)小的碳氮化物以細(xì)化奧氏體晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。
本發(fā)明鋼的具體化學(xué)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(qiáng)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(jìn)鋼高溫奧氏體化時晶界氧化和促進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度，但淬火鋼高溫回火時，Mn和P有強(qiáng)烈的晶界共偏聚傾向，促進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(xì)化晶粒，在較高溫度回火時析出的碳氮化釩除可進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度外，還由于碳氮化釩具有較強(qiáng)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(kuò)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(xì)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(kuò)散，可進(jìn)一步降低高強(qiáng)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(xì)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(xì)小的氮化物細(xì)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(yīng)控制在0.006～0.015％。
Ti除細(xì)化晶粒、析出強(qiáng)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(kuò)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(shù)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(jìn)行檢測并交貨。
本發(fā)明鋼與現(xiàn)有技術(shù)相比較，不僅抗拉強(qiáng)度有所提高，而且耐延遲斷裂性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)效果好。
實施例本發(fā)明實施例是根據(jù)上述所設(shè)計的化學(xué)成分范圍，在50kg真空感應(yīng)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的性能參數(shù)見表2。
試樣在室溫下進(jìn)行拉伸性能試驗。改進(jìn)的WOL型試樣預(yù)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(dāng)裂紋擴(kuò)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(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC。試驗參照GB12445.3-90進(jìn)行。所得結(jié)果列入了表2。
通過對比可以看出，本發(fā)明鋼不僅強(qiáng)度高，而且在1400～1600MPa的強(qiáng)度水平下較對比鋼在相同強(qiáng)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(shù)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(shù)鋼性能的比較。
表1本發(fā)明實施例與對比鋼的化學(xué)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(qiáng)度及耐延遲斷裂性能的比較
權(quán)利要求
1.一種具有耐延遲斷裂性能的高強(qiáng)度螺栓鋼，其特征在于該鋼的具體化學(xué)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(lǐng)域。更適用于抗拉強(qiáng)度為1400－1600Mpa,同時具有良好耐延遲斷裂性能的高強(qiáng)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(shù)鋼的性能比較;在1400－1600Mpa的強(qiáng)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(shù)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(quán)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