耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢制造技术

耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，属于合金钢领域，它的具体化学成分（重量％）为：Ｃ０．２５－０．５０，Ｓｉ０．１０－０．４０，Ｍｎ≤０．５０，Ｃｒ０．５０－１．５０，Ｍｏ０．３０－１．５０，Ｖ０．１０－０．４０，ＲＥ０．００１－０．０５，Ａｌ０．００５－０．１０，Ｎ≤０．０２０，Ｐ≤０．０１５，Ｓ≤０．０１０，根据需求还可加入０．００５－０．１０的Ｔｉ、Ｎｂ中的一种或两种之和，余为Ｆｅ及不可避免的不纯物。该钢冶炼后浇铸成钢锭或连铸成坯，经开坯后轧制成棒线材等产品，它不仅抗拉强度高，而且耐延迟断裂性能优良。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于合金钢领域。主要适用于抗拉强度为1300-1500MPa，同时要求具有良好耐延迟断裂性能的高强度螺栓用钢。随着汽车、机械、建筑、轻工等各个生产部门的发展，对制造各类紧固件(如螺栓、螺钉、螺母等)使用的材料提出了愈来愈高的要求，如轿车的高性能化和轻重化、建筑结构的高层化以及桥粱的超长化等，对作为联接部件的螺栓提出了更高设计应力和轻量化的要求，在这方面尤以汽车制造业的要求最强烈。对此，最有效的措施便是螺栓钢的高强度化。目前，一些汽车、建设机械用螺栓甚至要求强度在于1300MPa以上。但是，当用调质处理的低合金钢制造的螺栓的抗拉强度超过约1200MPa时，延迟断裂问题就变得十分突出，这是螺栓钢高强度化时遇到的一个最主要的问题。因而目前实际使用螺栓的抗拉强度通常低于1200MPa。近年来，国际上开展了耐延迟断裂高强度螺栓钢的研究开发。如日本专利JP5-9 56 3中的Cr-Ni-Mo螺栓钢，具有1300MPa以上的强度，同时具有较好的耐延迟断裂性能。但其Mn含量较高，对钢的耐延迟断裂性能特别不利，且较高含量的贵重元素Ni，使得钢的成本较高。日本的住友金属开发的1300MPa级耐延迟断裂的高强度螺栓钢ADS3，由于C含量较高，钢的韧性较差，同时螺栓的加工性能恶化(Kushida，铁と钢，1996，82297)。这些均在实际应用中受到了限制。本专利技术的目的在于提供一种抗拉强度为1300-1500MPa、且具有优良耐延迟断裂性能的高强度螺栓钢。根据上述目的，本专利技术所采用的技术方案是(1)加入抗回火软化能力强的元素Mo、V等，从而可以在获得较高强度的前提下提高回火温度，使晶界薄膜状渗碳体球化，并在晶内弥散析出细小的碳化物，减少晶界附近氢的偏聚，提高晶界强度；(2)尽可能降低杂质元素P、S的含量，同时降低Mn含量，抑制淬火钢高温回火时Mn和P的共偏聚；(3)加入适量的稀土元素和Ti，对夹杂物进行变性和对氢起陷阱作用，进一步降低氢在晶界的偏聚；(4)加入少量Al、Nb等元素，生成弥散细小的碳氮化物以细化奥氏体晶粒，提高钢的强度和韧性。本专利技术钢的具体化学成分(重量％)如下C 0.25-0.50，Si 0.10-0.40，Mn≤0.50，P≤0.015，S≤0.010，Cr 0.50-1.50，Mo 0.30-1.50，V 0.10-0.40，RE 0.001-0.050，Al 0.005-0.10，N≤0.020，根据需求可加入0.005-0.10的Ti、Nb中的任一种或两种之和，余为Fe及不可避免的不纯物。各元素的作用及配比依据如下C淬火、回火后为了获得所需的高强度，C含量须在0.20％以上，但过多的C含量会恶化钢的韧性和工艺性，并增加延迟断裂的敏感性，因而C含量控制为0.25-0.50％。Si脱氧剂，其含量控制在0.10-0.40％。MnMn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，但淬火钢高温回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，因而控制Mn含量在0.50％以下。PP能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，从而增加钢的延迟断裂敏感性，所以控制P的含量在0.015％以下。S不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏析会恶化钢的耐延迟断裂性能，因而控制其含量在0.010％以下。Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度。含量小于0.50％难以起到上述作用，但含量超过1.50％则会恶化钢的韧性和冷加工性。MoMo在有效地提高钢的淬透性和回火抗力的同时，还能够强化晶界。含量小于0.30％难以起到上述作用，但含量超过1.50％则上述作用效果饱和，且成本较高。VV能够细化晶粒，在较高温度回火时析出的碳氮化钒除可进一步提高钢的强度外，还由于碳氮化钒具有较强的陷阱能，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，从而改善钢的耐延迟断裂性能。V含量小于0.10％难以起到上述作用，但含量超过0.40％则作用饱和。RE通过多年对RE元素在钢中作用的系统研究表明，RE元素除有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用外，还能够有效地捕集氢，减少氢和其它有害元素在晶界上的偏聚，降低氢的渗透扩散，可进一步降低高强度钢延迟断裂的敏感性。RE含量小于0.001％，起不到上述作用，但含量超过0.050％，则由于夹杂物增多，反而恶化钢的耐延迟断裂性能。控制其含量在0.001-0.050％。Al能够有效地脱氧和细化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.10％则作用饱和，且形成的粗大氧化铝夹杂会恶化钢的韧性。NN偏聚于晶界，降低晶界强度，增加延迟断裂的敏感性，所以其含量应控制在0.020％以下。Ti除细化晶粒、析出强化和固定N、S的作用外，弥散析出的TiC是钢中陷阱能最高的氢陷阱，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，从而改善钢的耐延迟断裂性能。Ti含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.10％则作用饱和。Nb细化晶粒，提高钢的韧性，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.10％则作用饱和。本专利技术钢可采用电弧炉、高频感应炉、真空感应炉冶炼，浇铸成钢锭或连铸成坯，经开坯后轧制成棒线材等产品。与现有技术相比，本专利技术钢不仅抗拉强度高，而且耐延迟断裂性能优良，经济效果好。 附图说明。图1为延迟断裂试验示意图。图1中1为试样，2为试验溶液，3为载荷P。实施例根据上述所设计的化学成分范围，在50kg真空感应炉上冶炼了6炉本专利技术钢和3炉对比钢，此外还有1炉商业钢42CrMo作为对比钢，其具体化学成分如表1所示。钢水浇铸成锭，并经锻造制成棒材。试样加工前经900℃、30分钟正火处理，随后加工成标准室温拉伸试样(L0＝5d0，d0＝5mm)及缺口拉伸延迟断裂试样(直径d＝5mm，缺口处dN＝3mm，缺口60°±2°/0.1 5R±0.025)的毛坯。上述试样经淬火回火后加工至最终尺寸。热处理制度和相应的强度见表2。试样在室温下进行拉伸性能试验。在图1所示的实验设备上进行延迟断裂试验。实验溶液为pH＝3.5±0.5的Walpole缓蚀液(16.4克无水醋酸钠+15.4毫升一级品浓盐酸+1000毫升脱离子水或蒸馏水)。如σf为发生断裂的最小应力，σn为在规定的截止时间200小时内不发生断裂的最大应力，则定义缺口拉伸临界应力σc为σc＝1/2(σf+σn)，为使测得的与实际值相差小于10％，要求σf-σn≤0.2σc。所得结果列入了表2。从表2可以看出，本专利技术钢在1300-1500MPa的强度水平下较对比钢在相同强度水平下的耐延迟断裂性能显著提高，并且在1300-1500MPa强度水平下的耐延迟断裂性能仍优于对比钢在1100-1200MPa强度水平下的耐延迟断裂性能，呈现出优良的耐延迟断裂性能。表1 实施例和对比钢的化学成分，重量％ </tables> 表2 实施例和对比钢的热处理制度、强度及耐延迟断裂性能 权利要求1.耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，其特征在于该钢的具体化学成分(重量％)如下C 0.25-0.50，Si 0.1 0-0.40，Mn≤0.50，Cr 0.50-1.50本文档来自技高网...

【技术保护点】
耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，其特征在于该钢的具体化学成分（重量％）如下：Ｃ ０．２５－０．５０，Ｓｉ ０．１０－０．４０，Ｍｎ≤０．５０，Ｃｒ ０．５０－１．５０，Ｍｏ ０．３０－１．５０，Ｖ ０．１０－０．４０，ＲＥ ０．００１－０．０５，Ａｌ ０．００５－０．１０，Ｎ≤０．０２０，Ｐ≤０．０１５，Ｓ≤０．０１０，余为Ｆｅ及不可避免的不纯物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：惠卫军，董瀚，王毛球，陈思联，翁宇庆，
申请(专利权)人：冶金工业部钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]