一种高强度螺栓材料及其制备方法

摘要

本发明提供了一种高强度螺栓材料及其制备方法，在42CrMo钢的基础上添加了适量微合金元素Ti、Nb，其可与C、N元素生成碳氮化物颗粒细化奥氏体晶粒，形成氢陷阱，改善了材料的强度和韧性，提升了材料的耐延迟断裂性能；Mo元素等提高回火温度，降低了从材料表面侵入的氢的含量，有效阻止了材料延迟断裂敏感性增加；本发明的高强度螺栓材料添加了Ni元素，一方面Ni元素协同Ti、Nb等元素提高了材料的力学性能，另一方面Ni元素配合Mo元素提升了材料的耐延迟断裂性能；本发明的高强度螺栓材料降低了P、S和Mn等元素的含量，显著地降低钢中所含有的非金属夹杂物数量，降低了材料的延迟断裂敏感性。

权利要求

1. 一种高强度螺栓材料，其特征在于：使用以下步骤制得：按合金成分配比将42CrMo钢、钛铁、钒铁、铌铁和镍铁在250kg真空感应炉中冶炼浇注成20kg 的钢锭；再将所得的钢锭加热到1200℃保温2h后两火锻造成直径为16mm的圆棒，终锻温度 900℃，锻后空冷，得到高强度螺栓材料；所述高强度螺栓材料的化学成分重量百分比含量为：C：0.4％， Si：

0.8％，N：0.01％，Mn：0.5％，Cr：1.0％，V：0.15％，Ti：0.05％，Mo：0.4％，Nb： 0.05％，Ni：

0.8％，P：0.004％，S：0.003％，余量为Fe；所述高强度螺栓材料的拉伸强度为1495MPa、洛氏硬度49、CLT氢脆敏感性指数9.8%、SSRT氢脆敏感性指数50.2%。

说明书

一种高强度螺栓材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及螺栓材料技术领域，尤其涉及一种高强度螺栓材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 高强度螺栓在汽车、机械制造、能源、交通、桥梁、建筑、化工及航空航天等领域应用广泛，其产品质量的可靠性对主体工作性能和结构安全性起着重要作用。随着制造业技术的发展，对螺栓的质量可靠性和稳定性要求也进一步提高，同时，对螺栓材料的强度、耐腐蚀性、加工性能及疲劳性能提出了更高要求。

[0003] 现有技术中，申请号为201210468134.7的中国专利文献报道了一种高强度螺栓及其加工方法，该螺栓由高强度螺栓钢经冷镦成型、调质处理、精加工以及发黑处理而成，该高强度螺栓具有强度、硬度、塑性和韧性都较好、冷加工性能好以及使用寿命长等特点，然而调质过程中很容易使工件变形、开裂，降低了螺栓的成品率，同时调质热处理过程能耗高、经济性不高。申请号为201380015695.4的中国专利文献报道了一种加硼高强度螺栓用钢，即使为1100MPa以上的抗拉强度，耐延迟断裂性仍优异，然而该硼钢的抗回火软化的能力比低合金结构钢低，其回火温度要低50-100℃，因此以该材料制成的螺栓的延迟断裂敏感性相对较大，同时该材料并不能满足1400Mpa以上抗拉强度的使用，其局限性较大。

[0004] 综上所述，制备抗拉强度大、硬度高、加工性能好以及耐延迟断裂性能优异的螺栓材料对于螺栓的实际应用具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明的主要目的在于提供一种高强度螺栓材料及其制备方法，具有强度大，耐延迟断裂性能优异。

[0006] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 本发明提供了一种高强度螺栓材料，包括以下重量百分比的成分：C：0.2-0.4％，Si：0.2-0.8％，N：0.004-0.02％，Mn：0.4-0.5％，Cr：0.5-1.5％，V：0.02-0.3％，Ti：0.02-0.1％，Mo：0.3-0.4％，Nb：0.02-0.05％，Ni：0.5-1.0％，P≤0.005％，S≤0.004％，余量为Fe。

[0008] 优选的，Cr所占的重量百分比为1.0-1.5％。

[0009] 优选的，V所占的重量百分比为0.15-0.3％。

[0010] 优选的，Ti所占的重量百分比为0.05-0.1％。

[0011] 优选的，Nb所占的重量百分比为0.04-0.05％。

[0012] 本发明还提供一种高强度螺栓材料的制备方法，包括以下步骤：将42CrMo钢、钛铁、钒铁、铌铁和镍铁在真空感应炉中冶炼，浇注得到钢锭；将所述钢锭加热至1100-1300℃保温，锻造，空冷，得到高强度螺栓材料。

[0013] 优选的，所述钢锭的质量为20kg。

[0014] 优选的，保温时间为1-4h。

[0015] 优选的，锻造得到直径为16mm的圆棒。

[0016] 优选的，得到高强度螺栓材料的步骤中，终锻温度为800-1000℃。

[0017] 本发明提供了一种高强度螺栓材料及其制备方法，包括以下重量百分比的成分：C：0.2-0.4％，Si：0.2-0.8％，N：0.004-0.02％，Mn：0.4-0.5％，Cr：0.5-1.5％，V：0.02-
0.3％，Ti：0.02-0.1％，Mo：0.3-0.4％，Nb：0.02-0.05％，Ni：0.5-1.0％，P≤0.005％，S≤
0.004％，余量为Fe。与现有技术相比，本发明的高强度螺栓材料在42CrMo钢的基础上添加了适量微合金元素Ti、Nb，其与C、N元素生成碳氮化物颗粒细化奥氏体晶粒，形成氢陷阱，改善了材料的强度和韧性，提升了材料的耐延迟断裂性能；Mo元素等提高回火温度，降低了从材料表面侵入的氢的含量，有效阻止了材料延迟断裂敏感性增加；本发明的高强度螺栓材料添加了Ni元素，一方面Ni元素协同Ti、Nb等元素提高了材料的力学性能，另一方面Ni元素配合Mo元素提升了材料的耐延迟断裂性能；本发明的的高强度螺栓材料降低了P、S和Mn等元素的含量，显著地降低钢中所含有的非金属夹杂物数量，降低了材料的延迟断裂敏感性。
此外，本发明的高强度螺栓材料由非调制钢制造而成，其成品率高，同时避免了调质热处理过程的高能耗、成本低适合工业化生产。

具体实施方式

[0018] 以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

[0019] 本发明提供了一种高强度螺栓材料，包括以下重量百分比的成分：C：0.2-0.4％，Si：0.2-0.8％，N：0.004-0.02％，Mn：0.4-0.5％，Cr：0.5-1.5％，V：0.02-0.3％，Ti：0.02-0.1％，Mo：0.3-0.4％，Nb：0.02-0.05％，Ni：0.5-1.0％，P≤0.005％，S≤0.004％，余量为Fe。

[0020] Ti、Nb等微合金元素与C、N元素具有很强的亲和力，可生成弥散分布的碳氮化物颗粒细化奥氏体晶粒，提升了材料的强度，明显改善了材料的韧性；同时，这些微合金元素碳氮化物可以作为氢陷阱而捕捉氢，从而影响氢在钢中的分布和扩散行为，抑制氢的扩散和使氢均匀分布，使侵入的氢无害化。优选地，Ti所占的重量百分比为0.05-0.1％。Nb所占的重量百分比为0.04-0.05％。Cr所占的重量百分比为1.0-1.5％。

[0021] Mo元素等可在保持强度不变的情况下提高回火温度，使得碳化物球化，从而避开容易引起晶界脆化的回火湿度区域，使得生成的碳化物球化。同时Mo元素为抑制腐蚀生成的合金元素，其降低了从材料表面侵入的氢的含量，有效阻止了材料延迟断裂敏感性增加。优选地，V所占的重量百分比为0.15-0.3％。

[0022] 提高Ni的含量能够降低由于腐蚀坑引起的缺口截面积降低从而导致的应力集中现象，防止外界的氢通过腐蚀作用形成的点蚀坑从材料表面进入材料内部，从而使断口起裂源区域的沿晶断裂面积显著减小，就可以得到较高的缺口韧性，从而抑制延迟断裂的发生。同时Ni元素的添加可配合Ti、Nb等元素细化晶粒，提高材料的机械性能。

[0023] 减少材料中的杂质元素P、S的含量时，一方面可减少P、S元素在材料原奥氏体晶界的偏聚情况，从而使得材料晶界结合力得到提升，并且减缓延迟断裂裂纹的萌生；另一方面可显著降低钢中所含有的非金属夹杂物数量，从而提高钢的韧性。

[0024] 降低Mn元素的含量，其一，可得到较高的缺口韧性，抑制延迟断裂，其二可避免促进P和S元素引起的晶界偏析，其三可减少与钢中S元素相结合后生成MnS，使氢诱发裂纹而发生延迟断裂。

[0025] 相应的，本发明还提供一种上述技术方案所述的高强度螺栓材料的制备方法，包括以下步骤：将42CrMo钢、钛铁、钒铁、铌铁和镍铁在真空感应炉中冶炼，浇注得到钢锭；将所述钢锭加热至1100-1300℃保温，锻造，空冷，得到高强度螺栓材料。

[0026] 作为优选方案，所述钢锭的质量为20kg。本发明将所述钢锭加热至1100-1300℃保温，保温时间优选为1-4h；锻造优选得到直径为16mm的圆棒。得到高强度螺栓材料的步骤中，终锻温度优选为800-1000℃。

[0027] 从以上方案可以看出，本发明具有如下优点：本发明的高强度螺栓材料由非调制钢制造而成，其成品率高，同时避免了调质热处理过程的高能耗、成本低适合工业化生产；本发明的高强度螺栓材料在42CrMo钢的基础上添加了适量微合金元素Ti、Nb，其可与C、N元素生成碳氮化物颗粒细化奥氏体晶粒，形成氢陷阱，改善了材料的强度和韧性，提升了材料的耐延迟断裂性能；Mo元素等提高回火温度，降低了从材料表面侵入的氢的含量，有效阻止了材料延迟断裂敏感性增加；本发明的高强度螺栓材料添加了Ni元素，一方面Ni元素协同Ti、Nb等元素提高了材料的力学性能，另一方面Ni元素配合Mo元素提升了材料的耐延迟断裂性能；本发明的高强度螺栓材料降低了P、S和Mn等元素的含量，显著地降低钢中所含有的非金属夹杂物数量，降低了材料的延迟断裂敏感性。

[0028] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

[0029] 本发明实施例采用的原料和化学试剂均为市购。

[0030] 实施例1

[0031] 将42CrMo钢、钛铁、钒铁、铌铁和镍铁在250kg真空感应炉中冶炼浇注成20kg的钢锭，再将钢锭加热到1100℃保温4h后两火锻造成直径为16mm的圆棒，终锻温度800℃，锻后空冷，得到高强度螺栓材料，其各化学成分重量百分比含量为：C：0.2％，Si：0.2％，N：0.004％，Mn：0.4％，Cr：1.5％，V：0.02％，Ti：0.02％，Mo：0.3％，Nb：0.02％，Ni：0.5％，P：
0.004％，S：0.003％，余量为Fe。

[0032] 实施例2

[0033] 将42CrMo钢、钛铁、钒铁、铌铁和镍铁在250kg真空感应炉中冶炼浇注成20kg的钢锭，再将钢锭加热到1200℃保温2h后两火锻造成直径为16mm的圆棒，终锻温度900℃，锻后空冷，得到高强度螺栓材料，其各化学成分重量百分比含量为：C：0.4％，Si：0.8％，N：0.01％，Mn：0.5％，Cr：1.0％，V：0.15％，Ti：0.05％，Mo：0.4％，Nb：0.05％，Ni：0.8％，P：
0.004％，S：0.003％，余量为Fe。

[0034] 实施例3

[0035] 将42CrMo钢、钛铁、钒铁、铌铁和镍铁在250kg真空感应炉中冶炼浇注成20kg的钢锭，再将钢锭加热到1300℃保温1h后两火锻造成直径为16mm的圆棒，终锻温度1000℃，锻后空冷，得到高强度螺栓材料，其各化学成分重量百分比含量为：C：0.2％，Si：0.8％，N：0.02％，Mn：0.5％，Cr：1.5％，V：0.3％，Ti：0.1％，Mo：0.4％，Nb：0.05％，Ni：1.0％，P：
0.005％，S：0.004％，余量为Fe。

[0036] 实施例4

[0037] 高强度螺栓材料的制备方法同实施例2，不含有Nb、Ti、Mo和Ni元素，其各化学成分重量百分比含量为：C：0.4％，Si：0.8％，N：0.01％，Mn：0.5％，Cr：1.0％，V：0.15％，Ti：0％，Mo：0％，Nb：0％，Ni：0％，P：0.005％，S：0.004％，余量为Fe。

[0038] 实施例5

[0039] 高强度螺栓材料的制备方法同实施例2，不含有Ni元素，其各化学成分重量百分比含量为：Ni：0％，C：0.4％，Si：0.8％，N：0.01％，Mn：0.5％，Cr：1.0％，V：0.15％，Ti：0.05％，Mo：0.4％，Nb：0.05％，P：0.004％，S：0.003％，余量为Fe。

[0040] 实施例6

[0041] 高强度螺栓材料的制备方法同实施例2，不含有Nb和Ti元素，其各化学成分重量百分比含量为：Ti：0％，Nb：0％，C：0.4％，Si：0.8％，N：0.01％，Mn：0.5％，Cr：1.0％，V：0.15％，Mo：0.4％，Ni：0.8％，P：0.004％，S：0.003％，余量为Fe。

[0042] 实施例7

[0043] 高强度螺栓材料的制备方法同实施例2，不含有Mo元素，其各化学成分重量百分比含量为：Mo：0％，C：0.4％，Si：0.8％，N：0.01％，Mn：0.5％，Cr：1.0％，V：0.15％，Ti：0.05％，Nb：0.05％，Ni：0.8％，P：0.004％，S：0.003％，余量为Fe。

[0044] 实施例8

[0045] 高强度螺栓材料的制备方法同实施例2，提高了Mn元素的含量，其各化学成分重量百分比含量为：Mn：1％，C：0.4％，Si：0.8％，N：0.01％，Cr：1.0％，V：0.15％，Ti：0.05％，Mo：0.4％，Nb：0.05％，Ni：0.8％，P：0.004％，S：0.003％，余量为Fe。

[0046] 根据国家标准GB/T 228-2002以及GB/T 3098.1-2000测试样品的拉伸性能；在TH300型洛氏硬度计上测量样品的洛氏硬度值，取三个点测试硬度值，取其平均值；以恒载荷缺口拉伸试验(CLT)和慢应变速率拉伸试验(SSRT)两种方法分别在恒载荷缺口拉伸试验机和慢应变速率拉伸试验机上测试了样品的延迟断裂性能，氢脆敏感性指数值越低，材料的延迟断裂性能越好。

[0047] 表1实施例1-8所得高强度螺栓材料的主要性能指标

[0048]

[0049]

[0050] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。