一种高疲劳强度螺栓钢及其制备方法、螺栓的制造方法

摘要

本发明公开了一种高疲劳强度螺栓钢及其制备方法、螺栓的制造方法，属于高强度螺栓钢技术领域，解决了现有技术中无法在螺栓强度级别不变的条件下提高螺栓的疲劳性能的问题。本发明的螺栓钢成分按质量百分比计包括：C 0.32～0.45，Si 0.15～0.37，Mn 0.30～0.90，Cr 0.90～1.30，Mo 0.25～0.45，Ni 1.0～4.0，Cu 1.0～1.5，Al 0.5～2.0，P≤0.015，S≤0.010，N≤0.005，其余为Fe。本发明的制备方法包括如下步骤：热轧退火圆钢进行调质热处理，得到螺栓毛坯；对螺栓毛坯进行感应加热回火，使得螺栓毛坯的表面形成硬化层，得到高疲劳强度螺栓钢。本发明的高疲劳强度螺栓钢及其制备方法、螺栓的制造方法可用于螺栓的制造。

权利要求

1.一种高疲劳强度螺栓钢，其特征在于，成分按质量百分比计包括：C 0.32～0.45，Si 

0.15～0.37，Mn 0.30～0.90，Cr 0.90～1.30，Mo 0.25～0.45，Ni 1.0～4.0，Cu 1.0～1.5，Al 0.5～2.0，P≤0.015，S≤0.010，N≤0.005，其余为Fe；

所述高疲劳强度螺栓钢包括心部以及包裹心部的硬化层，所述硬化层的硬度大于心部的硬度；

所述高疲劳强度螺栓钢的微观组织按质量百分比计包括：NiAlCu析出相0.5～2.0和索氏体98～99.5；

所述高疲劳强度螺栓钢的制备方法包括如下步骤：步骤1：热轧退火圆钢进行调质热处理，得到螺栓毛坯；

步骤2：对螺栓毛坯进行感应加热回火，使得螺栓毛坯的表面形成硬化层，得到高疲劳强度螺栓钢；

所述加热温度为400～500℃，加热时间为2～5s，加热速度为100～150℃/s。

2.根据权利要求1所述的高疲劳强度螺栓钢，其特征在于，所述硬化层的厚度为1～

3mm。

3.根据权利要求1所述的高疲劳强度螺栓钢，其特征在于，所述高疲劳强度螺栓钢的晶粒度为10级以上。

4.一种高疲劳强度螺栓钢的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至3任一项所述的高疲劳强度螺栓钢，所述制备方法包括如下步骤：步骤1：热轧退火圆钢进行调质热处理，得到螺栓毛坯；

步骤2：对螺栓毛坯进行感应加热回火，使得螺栓毛坯的表面形成硬化层，得到高疲劳强度螺栓钢。

5.根据权利要求4所述的高疲劳强度螺栓钢的制备方法，其特征在于，所述调质热处理包括如下步骤：

对热轧退火圆钢依次进行淬火保温、冷却、回火保温和冷却。

6.根据权利要求5所述的高疲劳强度螺栓钢的制备方法，其特征在于，淬火温度为860～880℃，淬火保温时间为1～2min/mm，回火温度为480～620℃，保温时间为2～3min/mm。

7.根据权利要求4所述的高疲劳强度螺栓钢的制备方法，其特征在于，所述感应加热回火的电流频率为100～200Hz，加热温度为400～500℃，加热时间为2～5s，加热速度为100～

150℃/s。

8.一种高疲劳强度螺栓的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：对高疲劳强度螺栓钢进行滚压螺纹，得到高疲劳强度螺栓；

所述高疲劳强度螺栓钢采用如权利要求4至7任一项所述的高疲劳强度螺栓钢的制备方法制得。

说明书

一种高疲劳强度螺栓钢及其制备方法、螺栓的制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于高强度螺栓钢技术领域，具体涉及一种高疲劳强度螺栓钢及其制备方法、螺栓的制造方法。

背景技术

[0002] 高强度螺栓是高端装备制造业所需的基础零部件，广泛应用于桥梁、高铁、风电、汽车等领域，随着世界装备制造业不断发展，对基础连接紧固件的性能要求不断提高，对高
强度螺栓的综合性能提出了更为严苛的要求，尤其是用于风电行业塔筒和叶片连接的螺
栓，承受高强度交变应力疲劳载荷和大气海洋环境的腐蚀，需要具备抗疲劳能力、耐腐蚀、
抗氢脆等综合性能。

[0003] 在上述提及的各项性能中，强度级别提高后会带来氢脆的风险，因此，在螺栓强度级别不变的条件下很难提高螺栓的疲劳性能。

发明内容

[0004] 鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高疲劳强度螺栓钢及其制备方法、螺栓的制造方法，解决了现有技术中无法在螺栓强度级别不变的条件下提高螺栓的疲劳性能的问
题。

[0005] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

[0006] 本发明提供了一种高疲劳强度螺栓钢，其成分按质量百分比计包括：C 0.32～0.45，Si 0.15～0.37，Mn 0.30～0.90，Cr 0.90～1.30，Mo 0.25～0.45，Ni 1.0～4.0，Cu 
1.0～1.5，Al 0.5～2.0，P≤0.015，S≤0.010，N≤0.005，其余为Fe。

[0007] 进一步地，上述高疲劳强度螺栓钢包括心部以及包裹心部的硬化层，硬化层的硬度大于心部的硬度。

[0008] 进一步地，硬化层的厚度为1～3mm。

[0009] 进一步地，上述高疲劳强度螺栓钢的微观组织按质量百分比计包括：NiAlCu析出相0.5～2.0和索氏体98～99.5。

[0010] 进一步地，上述高疲劳强度螺栓钢，其成分按质量百分比计包括：C 0.35～0.40，Si 0.20～0.35，Mn 0.40～0.75，Cr 1.05～1.15，Mo 0.30～0.40，Ni 2.8～3.0，Cu 1.25～
1.35，Al 1.0～1.5，P 0.005～0.01，S 0.002～0.004，N≤0.004，其余为Fe。

[0011] 进一步地，上述高疲劳强度螺栓钢，其成分按质量百分比计包括：C 0.37～0.39，Si 0.25～0.30，Mn 0.35～0.80，Cr 1.0～1.2，Mo 0.28～0.42，Ni 2.5～3.5，Cu 1.2～
1.4，Al 1.0～1.5，P 0.005～0.01，S 0.001～0.005，N≤0.004，其余为Fe。

[0012] 进一步地，上述高疲劳强度螺栓钢的晶粒度为10级以上。

[0013] 本发明还提供了一种高疲劳强度螺栓钢的制备方法，用于制备上述高疲劳强度螺栓钢，该制备方法包括如下步骤：

[0014] 步骤1：热轧退火圆钢进行调质热处理，得到螺栓毛坯；

[0015] 步骤2：对螺栓毛坯进行感应加热回火，使得螺栓毛坯的表面形成硬化层，得到高疲劳强度螺栓钢。

[0016] 进一步地，热轧退火圆钢，可以采用如下方法制得：

[0017] 对原料依次进行冶炼(电炉冶炼或转炉冶炼)、精炼(真空循环脱气精炼炉RH或真空精炼炉VD)、铸造(连铸或模铸)、热轧和退火，得到热轧退火圆钢，热轧退火圆钢的退火硬
度小于或等于269HBW。

[0018] 进一步地，上述调质热处理包括如下步骤：

[0019] 对热轧退火圆钢依次进行淬火保温、冷却(例如，水冷或油冷)、回火保温和冷却(例如，水冷)，其中，淬火温度为860～880℃，淬火保温时间为1～2min/mm，回火温度为480
～620℃，保温时间为2～3min/mm，螺栓毛坯的硬度为35～44HRC。

[0020] 进一步地，感应加热回火的电流频率为100～200Hz(例如，120～140Hz)，加热温度为400～500℃，加热时间为2～5s(例如，2～4s)，加热速度为100～150℃/s。

[0021] 本发明还提供了一种高疲劳强度螺栓的制造方法，包括如下步骤：

[0022] 对高疲劳强度螺栓钢进行滚压螺纹和表面处理(例如，镀锌、镀镍、磷化等)，得到高疲劳强度螺栓；其中，高疲劳强度螺栓钢为上述制备的高疲劳强度螺栓钢。

[0023] 与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

[0024] a)本发明提供的高疲劳强度螺栓钢中，通过添加Ni、Al和Cu，形成B2型结构的Ni、Al、Cu金属间化合物析出相，在高疲劳强度螺栓钢的表面形成硬化层，也就是说，高疲劳强
度螺栓钢包括心部以及包裹心部的硬化层，硬化层的硬度大于心部的硬度，示例性地，该硬
化层的厚度为1～3mm，通过硬化层能够有效提高心部软表面硬的高疲劳强度螺栓的疲劳强
度，硬化层能够抑制表面疲劳裂纹萌生，心部硬度低可抑制裂纹扩展，使其可用于风电装
备、钢结构桥梁、能源交通等领域对疲劳性能要求较高的高强度螺栓。

[0025] b)本发明提供的高疲劳强度螺栓钢能够满足10.9、12.9级别要求，疲劳强度为129～170Mpa，在不改变螺栓强度级别的条件下，相比于现有螺栓钢，疲劳强度提高了20～
30％，抗拉强度能够达到1100MPa以上，屈服强度能够达到1000MPa以上，延迟断裂应力比≥
0.8，具有耐候性，感应回火后表面硬度为500～600HV。

[0026] c)本发明提供的高疲劳强度螺栓钢的制备方法，通过调质热处理，能够控制螺栓毛坯的硬度，保证螺栓钢整体的力学强度，通过感应加热回火，进一步对螺栓钢的表面进行
硬化处理。

[0027] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明
书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0028] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0029] 图1为本发明实施例一的高疲劳强度螺栓钢的原奥氏体晶粒金相形貌图；

[0030] 图2为本发明实施例1的高疲劳强度螺栓钢经热处理后Ni、Al、Cu金属间化合物析出相的元素组成图；

[0031] 图3为本发明实施例1的高疲劳强度螺栓钢经热处理后Ni、Al、Cu金属间化合物析出相的TEM形貌图；

[0032] 图4为本发明实施例1～实施例3经感应加热回火处理后与对比例1的截面硬度分布图；

[0033] 图5为本发明实施例2、实施例3加工成螺栓后与对比例1的疲劳性能对比图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

[0035] 本发明提供了一种高疲劳强度螺栓钢，其成分按质量百分比计包括：C 0.32～0.45，Si 0.15～0.37，Mn 0.30～0.90，Cr 0.90～1.30，Mo 0.25～0.45，Ni 1.0～4.0，Cu 
1.0～1.5，Al 0.5～2.0，P≤0.015，S≤0.010，N≤0.005，其余为Fe。

[0036] 与现有技术相比，本发明提供的高疲劳强度螺栓钢中，通过添加Ni、Al和Cu，形成B2型结构的Ni、Al和Cu金属间化合物析出相，在高疲劳强度螺栓钢的表面形成硬化层，也就
是说，高疲劳强度螺栓钢包括心部以及包裹心部的硬化层，硬化层的硬度大于心部的硬度，
示例性地，该硬化层的厚度为1～3mm，通过硬化层能够有效提高心部软表面硬的高疲劳强
度螺栓的疲劳强度，硬化层能够抑制表面疲劳裂纹萌生，心部硬度低可抑制裂纹扩展，使其
可用于风电装备、钢结构桥梁、能源交通等领域对疲劳性能要求较高的高强度螺栓。

[0037] 同时，上述高疲劳强度螺栓钢能够满足10.9、12.9级别要求，疲劳强度为129～170Mpa，在不改变螺栓强度级别的条件下，相比于现有螺栓钢，疲劳强度提高了20～30％，
抗拉强度能够达到1100MPa以上，屈服强度能够达到1000MPa以上，延迟断裂应力比≥0.8，
具有耐候性，感应回火后硬度后表面硬度为520～600HV。

[0038] 具体来说，本发明提供的高疲劳强度螺栓钢的各个成分的作用如下：

[0039] C：利用C元素提高钢材的强度及淬透性，通过C元素含量的控制，使钢材的强度和塑性实现良好匹配。

[0040] Si：通过Si元素改善钢材的抗氧化和耐海水腐蚀性能，通过Si元素含量的控制，避免Si对钢材冷镦性能的影响，使钢材可用于制备螺栓等零部件。

[0041] Mn：利用Mn提高钢材的淬透性和冷加工硬化速率，通过用量控制，避免Mn元素在钢材凝固过程中产生的偏析，降低对钢材冷塑性变形的不利影响。

[0042] Cr：利用Cr提高钢材的淬透性、耐磨性、耐腐蚀性能和高温强度性能；通过控制含量，避免对钢冷加工性能的影响；此外，Cr还能减少脱碳倾向，能够满足螺栓钢对热处理后
表面脱碳的要求。

[0043] Mo：利用Mo元素调整钢材的可淬性，降低钢材对回火脆性的敏感性，防止钢材在高温回火后出现回火脆性，对提高钢材在高温回火条件下的抗拉强度有很大影响，同时也有
利于提高钢材的抗延迟断裂性能。

[0044] Ni：利用Ni元素提高钢材的淬透性、低温韧性和耐候性，与Cu和Al形成B2型结构的Ni、Cu和Al金属间化合物析出相，通过感应回火后使其表面硬度达到500‑600HV，提高疲劳
强度。

[0045] Cu：利用Cu元素在热处理过程形成纳米团簇析出实现表面回火硬化的能力，与Ni和Al形成B2型结构的Ni、Al和Cu金属间化合物析出相，通过感应回火后硬度使其表面硬度
达到500‑600HV，提高疲劳强度。

[0046] Al：与Ni和Cu形成B2型结构的Ni、Cu和Al金属间化合物析出相，通过感应回火后硬度使其表面硬度达到500‑600HV，提高疲劳强度。

[0047] P：将P元素含量控制在上述范围，能避免P元素在钢液凝固时形成微观偏析，降低钢的延迟断裂敏感性。

[0048] S：将S元素含量控制在上述范围，能避免S元素与Mn形成MnS夹杂，减少夹杂物对钢热加工性能的影响。

[0049] N：将N元素含量控制在上述范围，降低N含量避免钢中形成TiN夹杂物，损害钢的韧性。

[0050] 通过成分和制备方法的调控，对于上述高疲劳强度螺栓钢，其微观组织按质量百分比计包括：NiAlCu析出相0.5～2.0和索氏体98～99.5。其中，NiAlCu析出相是在感应加热
回火过程中，通过400～500℃的加热，实现NiAlCu析出相析出，索氏体是在调质处理后形成
的。

[0051] 为了进一步调节上述高疲劳强度螺栓钢的综合性能，例如，疲劳强度，上述高疲劳强度螺栓钢，其成分按质量百分比计包括：C 0.35～0.40，Si 0.20～0.35，Mn 0.40～0.75，
Cr 1.05～1.15，Mo 0.30～0.40，Ni 2.8～3.0，Cu 1.25～1.35，Al 1.0～1.5，P 0.005～
0.01，S 0.002～0.004，N≤0.004，其余为Fe。

[0052] 需要说明的是，为了进一步调节上述高疲劳强度螺栓钢的综合性能，例如，疲劳强度，上述高疲劳强度螺栓钢，其成分按质量百分比计包括：C 0.37～0.39，Si 0.25～0.30，
Mn 0.35～0.80，Cr 1.0～1.2，Mo 0.28～0.42，Ni 2.5～3.5，Cu 1.2～1.4，Al 1.0～1.5，P 
0.005～0.01，S 0.001～0.005，N≤0.004，其余为Fe。

[0053] 值得注意的是，在实际应用中，高疲劳强度螺栓钢的晶粒度会对抗延迟断裂性能造成影响，因此，上述高疲劳强度螺栓钢(即调质热处理以后得到的奥氏体晶粒度)的晶粒
度为10级以上，晶粒细小，有利于在高强度条件下仍具有较好的抗延迟断裂性能。

[0054] 本发明还提供了一种高疲劳强度螺栓钢的制备方法，用于制备上述高疲劳强度螺栓钢，该制备方法包括如下步骤：

[0055] 步骤1：热轧退火圆钢进行调质热处理，得到螺栓毛坯；

[0056] 步骤2：对螺栓毛坯进行感应加热回火，使得螺栓毛坯的表面形成硬化层，得到高疲劳强度螺栓钢。

[0057] 与现有技术相比，本发明提供的高疲劳强度螺栓钢的制备方法的有益效果与上述高疲劳强度螺栓钢的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

[0058] 此外，上述高疲劳强度螺栓钢的制备方法，通过调质热处理，能够控制螺栓毛坯的硬度，保证螺栓钢整体的力学强度，通过感应加热回火，进一步对螺栓钢的表面进行硬化处
理。

[0059] 对于热轧退火圆钢，可以采用如下方法制得：

[0060] 对原料依次进行冶炼(电炉冶炼或转炉冶炼)、精炼(真空循环脱气精炼炉RH或真空精炼炉VD)、铸造(连铸或模铸)、热轧和退火，得到热轧退火圆钢，为了后续螺栓的加工，
热轧退火圆钢的退火硬度可以控制在小于或等于269HBW。

[0061] 为了进一步调控螺栓毛坯的硬度，上述调质热处理包括如下步骤：

[0062] 对热轧退火圆钢依次进行淬火保温、冷却(例如，水冷或油冷)、回火保温和冷却(例如，水冷)，其中，淬火温度为860～880℃，淬火保温时间为1～2min/mm，回火温度为480
～620℃，保温时间为2～3min/mm，这样，通过对热轧退火圆钢调质热处理各个工艺参数的
调整(例如，淬火温度和回火温度)，能够有效调节制得的螺栓毛坯的整体硬度，使得螺栓毛
坯的硬度能够达到35～44HRC，进而提高螺栓毛坯的整体力学强度。

[0063] 为了避免感应加热回火影响螺栓毛坯的心部硬度，使其仅作用于螺栓毛坯的表面，保证心部具有较好的塑韧性，仅表面硬化，上述步骤2中，感应加热回火的电流频率为
100～200Hz(例如，120～140Hz)，加热温度为400～500℃，加热时间为2～5s(例如，2～4s)，
加热速度为100～150℃/s。，其中，将加热温度控制在400～500℃，Ni、Al和Cu通过快速感应
加热回火能够实现在此温度范围内的金属间化合物析出，以便能够形成硬化层；同时，将加
热时间控制在2～5s，加热速度控制在100～150℃/s，能够保证加热温度的渗透深度，进而
控制硬化层的厚度。

[0064] 本发明还提供了一种高疲劳强度螺栓的制造方法，包括如下步骤：

[0065] 对高疲劳强度螺栓钢进行滚压螺纹和表面处理(例如，镀锌、镀镍、磷化等)，得到高疲劳强度螺栓；其中，高疲劳强度螺栓钢为上述制备的高疲劳强度螺栓钢。

[0066] 与现有技术相比，本发明提供的高疲劳强度螺栓的制造方法的有益效果与上述提供的高疲劳强度螺栓钢的制备方法的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

[0067] 按照表1的化学成分要求采用转炉和实验室感应炉共冶炼3炉钢(实施例1、实施例2和实施例3)，并按照GB/T 6478～2001中要求冶炼1炉42CrMo商业钢作为对比钢(对比例
1)，实施例1～3与对比例1的化学成分如表1所示，螺栓钢的制备工艺参数如表2所示，螺栓
的性能测试结果如表3所示。

[0068] 表1实施例1～3和对比例1的化学成分，％

[0069]  C Si Mn P S Cr
实施例1 0.33 0.20 0.40 0.006 0.003 0.90
实施例2 0.40 0.28 0.58 0.008 0.005 0.98
实施例3 0.44 0.35 0.88 0.012 0.007 1.06
对比例1 0.41 0.35 0.78 0.008 0.005 0.90
  Mo Ni Al Cu N 析出相
实施例1 0.29 1.20 0.80 1.10 0.003 0.80
实施例2 0.38 2.95 1.35 1.30 0.004 1.35
实施例3 0.43 3.96 1.87 1.45 0.004 1.45
对比例1 0.21 / / / 0.007  

[0070] 表2实施例1～3和对比例1的螺栓制造工艺参数

[0071]

[0072]

[0073] 表3实施例1～3和对比例1的性能测试结果

[0074]

[0075] 利用电子显微镜对实施例1所得高疲劳强度螺栓钢的晶粒组织进行表征，结果如图1所示。从图1可以看出，实施例1所得钢样品的晶粒组织均匀、细小，晶粒度≥10级。实施
例1和实施例2的测试结果与实施例1相近，具体测试结果见表3。

[0076] 按照《GB/T228金属材料室温拉伸试验方法》测试实施例1～3和对比例1所得钢的抗拉强度和屈服强度。测试结果及计算结果见表3，高疲劳强度螺栓钢热处理后强度达到
10.9、12.9级螺栓要求。图2给出了高疲劳强度螺栓钢经热处理后Ni、Al、Cu金属间化合物析
出相的元素组成图，图3给出了高疲劳强度螺栓钢经热处理后Ni、Al、Cu金属间化合物析出
相的TEM形貌图，图4给出了经感应加热回火处理后的截面硬度分布图，图5给出了实施例2、
实施例3，加工成螺栓后与对比例1的疲劳性能对比图，结果表明通过表面感应加热回火处
理后，利用Ni、Al、Cu形成的析出相可在表面1～3mm处获得硬度达到500～600HV的硬化层，
有利于提高疲劳性能。

[0077] 采用“GB/T13682金属材料轴向疲劳试验”方法评价螺栓疲劳强度，10.9级螺栓疲劳试验应力范围745～485MPa，12.9级螺栓疲劳试验应力范围830～600MPa，测试结果见表
3，采用发明钢制造的不同规格10.9、12.9级螺栓疲劳性能较传统钢(对比材料)提高了20～
30％。

[0078] 由以上实施例1～实施例3和对比例1可知，本发明提供的高疲劳强度螺栓钢具有优异的力学性能和疲劳性能，组织细化，采用发明钢制造螺栓后疲劳强度可提高20～30％。

[0079] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。