專利名稱：耐延遲斷裂和冷加工性能優(yōu)良的高強(qiáng)度螺栓鋼的制作方法
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1200MPa以上，同時(shí)要求具有良好的耐延遲斷裂和冷加工性能的高強(qiáng)度螺栓鋼。
背景技術(shù)：
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(guò)約1200MPa時(shí)，延遲斷裂問(wèn)題就變得十分突出。因此，目前實(shí)際使用的高強(qiáng)度螺栓的抗拉強(qiáng)度通常低于1200MPa。隨著各個(gè)生產(chǎn)部門的發(fā)展，對(duì)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(lái)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(lái)，國(guó)際上開展了耐延遲斷裂高強(qiáng)度螺栓用鋼的研究開發(fā)。但目前開發(fā)的一些耐延遲斷裂高強(qiáng)度螺栓用鋼，多采用提高碳含量、提高或添加合金元素含量的途徑來(lái)達(dá)到在強(qiáng)度提高的同時(shí)具有良好的耐延遲斷裂性能，這往往惡化鋼的冷加工性能。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(shí)具有較好的耐延遲斷裂性能，但其Si(0.5～1.5％)含量較高，顯著惡化鋼的冷加工性能，同時(shí)較高的Cr(1.5～3.5％)含量不僅對(duì)冷加工性能不利，而且會(huì)提高鋼的成本。日本的住友金屬開發(fā)的1300MPa級(jí)耐延遲斷裂的高強(qiáng)度螺栓鋼ADS3，由于C含量較高(0.49％)，鋼的冷加工性能顯著惡化(Kushida，と，1996，82297)。這些均在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。日本專利JP8-176747提出一種抗拉強(qiáng)度1400MPa以上的高強(qiáng)度螺栓用鋼，同時(shí)具有良好的冷鍛性和耐延遲斷裂性能，但其Ni含量高達(dá)7.0～10.0％，顯著提高了鋼的成本，限制了其大批量工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種抗拉強(qiáng)度1200MPa以上、且具有良好的耐延遲斷裂和冷加工性能，成本低的高強(qiáng)度螺栓鋼。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是(1)降低Si、P、S等元素含量，降低鋼中夾雜物數(shù)量和抑制回火時(shí)雜質(zhì)元素的晶界偏聚，改善鋼的冷加工性能和耐延遲斷裂性能；(2)加入微量元素B，在提高鋼的淬透性的同時(shí)，抑制雜質(zhì)元素特別是P的晶界偏聚，改善鋼的韌性和耐延遲斷裂性能；(3)加入適量的稀土元素，對(duì)夾雜物進(jìn)行變性和對(duì)氫起陷阱作用，進(jìn)一步降低氫在晶界的偏聚和改善冷加工性能。
本發(fā)明鋼的具體化學(xué)成分(重量％)如下C 0.25～0.4％，Si≤0.1％，Mn0.4～1.4％，P≤0.01％，S≤0.008％，Cr 0.1～0.5％，Mo 0.15～0.35％，B0.0005～0.003％，Ti 0.01～0.1％，RE 0.005～0.04％，Al 0.005～0.05％，N 0.004～0.01％，余為Fe。根據(jù)需要，該鋼的具體化學(xué)成分(重量％)中還可加入0.01～0.1％的Nb、Zr中的任一種或兩種之和。
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0.25％以上，但過(guò)多的C含量會(huì)惡化鋼的韌性和冷加工性能，并增加延遲斷裂的敏感性，因而C含量控制為0.25～0.4％。
SiSi促進(jìn)鋼高溫奧氏體化時(shí)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(shí)，Si元素還顯著惡化鋼的冷加工性能，因而控制其含量不超過(guò)0.1％。
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，含量小于0.4％時(shí)，難以起到上述作用。但淬火鋼回火時(shí)，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1.4％以下。
PP能在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時(shí)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0.01％以下。
S不可避免的不純物，形成MnS夾雜和在晶界偏聚會(huì)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。但含量過(guò)高會(huì)惡化鋼的冷加工性能，因而控制其含量在0.1～0.5％。
MoMo在有效地提高鋼的淬透性和回火抗力的同時(shí)，還能夠強(qiáng)化晶界。含量小于0.15％難以起到上述作用，但含量超過(guò)0.35％則上述作用效果飽和，且提高鋼的成本。
BB除提高鋼的淬透性外，還能夠抑制雜質(zhì)元素P的晶界偏聚，起凈化晶界的作用，提高晶界強(qiáng)度，同時(shí)還能夠抑制鋼在熱處理時(shí)的氧化脫碳，因而改善鋼的韌性和耐延遲斷裂性能。為了上述作用，B含量需在0.0005％以上，但B含量超過(guò)0.003％時(shí)，過(guò)剩的B會(huì)形成粗大的BN，反而惡化鋼的韌性和耐延遲斷裂性能。
TiTi固定鋼中的N，抑制粗大BN的生成，確保B的上述良好作用。此外，Ti含能夠細(xì)化晶粒，彌散析出的TiC和TiN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(guò)0.1％則作用飽和，且易形成粗大的TiN反而惡化鋼的冷加工性能和耐延遲斷裂性能。
RERE具有脫氧脫硫和對(duì)非金屬夾雜物變性處理的作用，改善鋼的冷加工性能外。此外，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0.005％起不到上述作用，但含量超過(guò)0.04％，則由于夾雜物增多，反而惡化鋼的冷加工性能和耐延遲斷裂性能?？刂破浜吭?.005～0.04％。
Al能夠有效地脫氧、固定N和細(xì)化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過(guò)0.05％則作用飽和，且形成的粗大AlN夾雜會(huì)惡化鋼的韌性和冷加工性能。
NN能夠和Al、Nb、V等形成細(xì)小的氮化物細(xì)化晶粒，但過(guò)量的N會(huì)偏聚于晶界和形成粗大的夾雜物，所以其含量應(yīng)控制在0.004～0.01％。
Nb細(xì)化晶粒，提高鋼的韌性，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過(guò)0.1％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)900℃，30分鐘的正火處理，加工成半成品，然后經(jīng)850℃～950℃淬火和高溫回火后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了檢測(cè)后交貨。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明鋼不僅抗拉強(qiáng)度很高，而且耐延遲斷裂和冷加工性能優(yōu)良，成本低。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)上述所設(shè)計(jì)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3爐對(duì)比鋼，此外還有1爐商業(yè)鋼42CrMo作為對(duì)比鋼，其具體化學(xué)成分如表1所示。其中爐號(hào)1～4#為本發(fā)明鋼，爐號(hào)5～8#為對(duì)比鋼。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，隨后試樣由熱軋棒材加工成標(biāo)準(zhǔn)室溫拉伸試樣(L0＝5d0，d0＝5mm)、缺口拉伸延遲斷裂試樣(直徑d＝5mm，缺口處dN＝3mm，缺口60°±2°/0.15R±0.025)和冷變形試樣(直徑d＝10mm，高度h＝20mm)的毛坯。上述拉伸和延遲斷裂試樣經(jīng)850℃～950℃淬火和回火后加工至最終尺寸。冷變形試樣經(jīng)軟化退火處理后加工至最終尺寸。
試樣在室溫下進(jìn)行拉伸、沖擊、缺口拉伸延遲斷裂和冷變形等試驗(yàn)。延遲斷裂實(shí)驗(yàn)溶液為pH＝3.5±0.5的Walpole緩蝕液(16.4克無(wú)水醋酸鈉+15.4毫升一級(jí)品濃鹽酸+1000毫升脫離子水或蒸餾水)。如σf為發(fā)生斷裂的最小應(yīng)力，σn為在規(guī)定的截止時(shí)間200小時(shí)內(nèi)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，則定義缺口拉伸臨界應(yīng)力σc為σc＝1/2(σf+σn)，為使測(cè)得的與實(shí)際值相差小于10％，要求σf-σn≤0.2σc。將一系列冷變形試樣進(jìn)行冷鐓實(shí)驗(yàn)，求出不發(fā)生開裂的臨界變形量。所得結(jié)果列入了表2。
從表2可以看出，本發(fā)明鋼在1200MPa以上的強(qiáng)度水平下較對(duì)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；并且具有良好的冷加工性能。
表1本發(fā)明實(shí)施例和對(duì)比鋼的化學(xué)成分比較(重量％)

表2本發(fā)明實(shí)施例和對(duì)比鋼的強(qiáng)度、耐延遲斷裂性能及冷加工性能的比較

權(quán)利要求
1.耐延遲斷裂和冷加工性能優(yōu)良的高強(qiáng)度螺栓鋼，其特征在于該鋼的具體化學(xué)成分(重量％)為C 0.25～0.4％，Si≤0.1％，Mn 0.4～1.4％，P≤0.01％，S≤0.008％，Cr 0.1～0.5％，Mo 0.15～0.35％，B 0.0005～0.003％，Ti0.01～0.1％，RE 0.005～0.04％，Al 0.005～0.05％，N 0.004～0.01％，余為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐延遲斷裂和冷加工性能優(yōu)良的高強(qiáng)度螺栓鋼，其特征在于該鋼的具體化學(xué)成分(重量％)中還可加入0.01～0.1％的Nb、Zr中的任一種或兩種之和。
全文摘要
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，主要適用于抗拉強(qiáng)度1200MPa以上，具有良好的耐延遲斷裂和冷加工性能的高強(qiáng)度螺栓鋼。該鋼的具體化學(xué)成分(重量％)為C 0.25～0.4％，Si≤0.1％，Mn 0.4～1.4％，P≤0.01％，S≤0.008％，Cr0.1－0.5％，Mo 0.15～0.35％，B 0.0005～0.003％，Ti 0.01～0.1％，RE 0.005～0.04％，Al 0.005～0.05％，N 0.004～0.01％，余為Fe。該鋼的具體化學(xué)成分(重量％)中還可加入0.01～0.1％的Nb、Zr中的任一種或兩種之和。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，該鋼不僅抗拉強(qiáng)度很高，而且耐延遲斷裂和冷加工性能優(yōu)良，成本低。
文檔編號(hào)C22C38/32GK1603447SQ200410074410
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者惠衛(wèi)軍, 董瀚, 時(shí)捷, 翁宇慶 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院