專利名稱：一種抗延遲斷裂的16.9級螺栓制作及安全評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高強緊固件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種能應用于大氣、海洋大氣和 海水環(huán)境的抗延遲斷裂的16.9級螺栓制作及安全評估方法。
現(xiàn)有技術(shù)
國內(nèi)12.9以上級別的螺栓用鋼未形成相應的標準規(guī)范，對于16.9級的螺栓， H前國內(nèi)還是空白。
隨著強度的提高，延遲斷裂問題十分突出，部分高強度緊固件用材料塑韌 性不足造成環(huán)境條件下的低應力延遲脆性斷裂時有發(fā)生，在海洋大氣和海水環(huán) 境中該問題尤其突出。螺栓的螺紋根部屬于應力集中部位，延遲斷裂現(xiàn)象更加 嚴重，目前對于此類螺栓使用安全性尚無合適的評價方法。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種抗延遲斷裂的16.9級螺栓制作及安全評 估方法，該螺栓制作可制成M100以下的各種規(guī)格和形狀的螺栓，適用于大氣、 海洋大氣和海水環(huán)境，也可進行表面電鍍處理以用于其他特殊環(huán)境，同時還建 立了螺栓在大氣、海洋大氣和海水環(huán)境下使用的安全評估方法。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
所述的抗延遲斷裂的16.9級螺栓制作采用真空感應熔煉+真空自耗熔煉、鍛 造成型、復合熱處理、機加工和電鍍五個工序，其中 i、真空感應熔煉+真空自耗熔煉
爐料全部采用純凈金屬，將純凈金屬放在真空感應爐熔煉，真空感應爐真空度《3Pa，澆鑄前進行爐前分析，澆鑄成自耗電極棒，而后進行退火處理，退 火后鋼錠表面扒皮；
再在真空自耗爐熔煉，使用水冷銅結(jié)晶器，真空度《0.3Pa，自耗鋼錠出爐 空冷，而后進行退火處理，退火后鋼錠表面扒皮；
經(jīng)上述過程處理后的鋼錠的化學成分范圍應控制在CO. 15 0. 19， Mn《 0. 10， Si《0. 10， S《0. 005， P《0. 008， S+P《0, 010， Crl. 80 2. 00， Ni9. 50 10.50， Co13. 50 14. 50， MoO. 90 0. 10， Ti《0. 015， 0^0.0020， N《0. 0015;
ii、鍛造成型
將鋼錠在750Kg 2T自由鍛錘模鍛成螺栓毛坯，模具采用5CrNiMo或 5CrMnMo制造，調(diào)質(zhì)處理后模具硬度服C40 44，模具單邊留量^3隨；
加熱設(shè)備采用電爐或煤氣爐加熱，熱變形溫度850 116(TC，總保溫時間《 4h，最后一火次變形量>15%;
m、復合熱處理
采用電爐進行復合熱處理，淬火前需將螺栓毛坯進行表面加工，清除表面 缺陷；深冷處理在酒精+干冰的飽和溶液中進行，保溫時間^15min，后取出回 溫進行480 53(TC回火空冷，淬火與深冷間隔時間需小于lh，深冷與回火間隔 時間不得超過4小時；
復合熱處理工藝路線880 92(TC空冷一630 68CTC空冷一840 88(TC淬 火快冷一一63 一79。C深冷一480 530。C回火空冷；
iv、 機加工
將螺栓毛坯在普通車床或數(shù)控車床上加工成螺栓，車刀選用硬質(zhì)合金刀， 螺紋部分采用車削加工；
v、 電鍍
將機加工后的螺栓進行表面電鍍鎘鈦，鍍層厚度《0.04mm;工藝路線去 油一采用100 180目氧化鋁粉噴磨料一弱酸浸蝕一去離子水清洗一電鍍，電鍍 槽溫15 35t:，電流密度2A/dm2h—出槽水洗一吹干一去氫，電鍍后4小時內(nèi)200士10。C保溫時間》12h —活化一鈍化；
經(jīng)上述工序最終得到的抗延遲斷裂的16.9級螺栓，其力學性能值應達到
Rm》1620MPa， RP0.2》1480MPa， A》12%， Z縱向》60%， Akv縱向》61J，
Klc》143M/W^， KsC80評"；。
所述的抗延遲斷裂的16.9級螺栓制作，其爐料采用是JCr99-A級別的金屬 鉻、純度》Ni9990級別的電解鎳、Co-IA級別的金屬鈷、Mol級別的金屬鉬和 YT3級別的純鐵。
所述的抗延遲斷裂的16.9級螺栓安全評估方法是采用有限元方法模擬螺栓 在承受軸向拉伸載荷作用下最危險部位嚙合第一扣處螺紋根部的應力集中系數(shù) Kt，從而計算出應力強度因子K!，再利用斷裂力學判據(jù)斷裂韌性K&e (Klscc) 》KT確定出螺栓在大氣及海洋環(huán)境下安全使用的韌性指標，保證螺栓在使用過 程中不發(fā)生應力腐蝕斷裂，從而建立螺栓在該環(huán)境下的使用安全性評估方法， 其中'
Kt=1.45437+1.31034.
式中 r~~ 式中d-
-螺紋根部圓弧半徑
-螺紋深度
<formula>formula see original document page 7</formula>
-螺栓小徑c^~一螺栓所受的名義應力
-螺栓大徑d廠
根據(jù)上述評估方法，在大氣及海洋環(huán)境下安全使用的抗延遲斷裂的16.9級 螺栓只需K^e (Kle)》IQ并考慮一定的安全系數(shù)即可安全使用。 由于采用如上所述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性
1、 首次提出了抗海水應力腐蝕16. 9級螺栓及其適應螺栓規(guī)格和應用環(huán)境。
2、 利用對螺栓螺紋進行有限元受力分析計算，確定不同環(huán)境下螺栓韌性指 標，使螺栓安全使用具有準確、可靠特點。
具體實施方式
按GB3098.1-2000,螺栓性能等級標記中第一部分數(shù)字表示么巧爾抗拉強度的 1/100，第二部分數(shù)字表示公稱屈服點o s或公稱規(guī)定非比例伸長應力ct po.2與公 稱抗拉強度Ob的比值即屈強比的10倍。
如16. 9級M56螺栓長期承受的應力約為300MPa，螺紋大徑d為56mm，螺 栓小徑d,為48.670mm，螺紋根部圓弧半徑r為0.69mm，螺紋深度t為3.665mm，
從公式K產(chǎn)1.45437+1.31034 J^和Ki = fX,a^7得出M56螺栓在嚙合第一扣處螺紋
根部的應力集中系數(shù)Kt=4.4743，應力強度因子KL "49.41MPaV^ 。只需K工scc (K!c)^KT并考慮一定安全系數(shù)n二1.4即可安全使用，即K1SCC(K1C)》69.17 MPaV^ 。
在16.9級M56螺栓制作時采用真空感應熔煉+真空自耗熔煉鋼錠，金屬鉻采 用JCr99-A級別、電解鎳采用純度Ni9990級別、金屬鈷采用Co-IA級別、金屬 鉬采用Mol級別、純鐵采用YT3級別。真空感應熔煉吋真空度〈3Pa，澆鑄前進 行爐前分析，澆鑄成自耗電極棒，而后進行退火處理，退火后鋼錠表面扒皮。 真空自耗熔煉時真空度《0.3Pa，自耗鋼錠出爐空冷，而后進行退火處理，退火 后鋼錠表面扒皮。
鋼錠采用750Kg自由鍛錘模鍛成螺栓毛坯，模具采用5CrNiMo，調(diào)質(zhì)處理 后模具硬度服C40 44，模具單邊留量》3mm。電爐加熱，熱變形溫度850 1160 °C，最后一火次變形量 25%。
在電爐上進行復合熱處理，淬火前需將螺栓毛坯進行表面加工，清除表面 缺陷；深冷處理在酒精+干冰的飽和溶液中進行，保溫時間^15min，后取出回 溫進行480 53(TC回火空冷，淬火與深冷間隔時間需小于lh，深冷與回火間隔 時間不得超過4小時；
具體工藝900°C/2h空冷一650°C/8h空冷一850°C/2h淬火快冷一一70。C /0. 5h深冷一520°C/4h回火空冷。
將螺栓毛坯在普通車床或數(shù)控車床上加工成螺栓，車刀選用硬質(zhì)合金刀，
8螺紋部分采用車削加工；
將機加工后的螺栓進行表面電鍍鎘鈦，鍍層厚度《0.(Mmm;工藝路線去 油一采用100 180目氧化鋁粉噴磨料一弱酸浸蝕一去離子水清洗一電鍍，電鍍 槽溫15 35。C，電流密度2A/dm2h—出槽水洗一吹干一去氫，電鍍后4小時內(nèi) 200 ± 10 。C保溫時間> 12h—活化—鈍化；
采用真空感應熔煉+真空自耗熔煉、鍛造成型、復合熱處理、機加工和電鍍 制作的抗延遲斷裂的16.9級M56螺栓其性能值可達
Rm: 1800MPa; Rp。,2: 1620MPa; A: 13%; Z縱向70%; Akv縱向140J;
Klc: 196M^"^;海洋環(huán)境下K^e: 92MPa^。
由此看出K^及K^e值遠遠大于大氣及海洋環(huán)境中的69.17MPaV^，確保
了螺栓的使用安全性。
權(quán)利要求
1、一種抗延遲斷裂的16.9級螺栓制作，其特征在于該16.9級螺栓制作采用真空感應熔煉+真空自耗熔煉、鍛造成型、復合熱處理、機加工和電鍍五個工序，其中i、真空感應熔煉+真空自耗熔煉爐料全部采用純凈金屬，將純凈金屬放在真空感應爐熔煉，真空感應爐真空度≤3Pa，澆鑄前進行爐前分析，澆鑄成自耗電極棒，而后進行退火處理，退火后鋼錠表面扒皮；再在真空自耗爐熔煉，使用水冷銅結(jié)晶器，真空度≤0.3Pa，自耗鋼錠出爐空冷，而后進行退火處理，退火后鋼錠表面扒皮；經(jīng)上述過程處理后的鋼錠的化學成分范圍應控制在C0.15～0.19，Mn≤0.10，Si≤0.10，S≤0.005，P≤0.008，S+P≤0.010，Cr1.80～2.00，Ni9.50～10.50，Co13.50～14.50，Mo0.90～0.10，Ti≤0.015，0≤0.0020，N≤0.0015；ii、鍛造成型將鋼錠在750Kg～2T自由鍛錘模鍛成螺栓毛坯，模具采用5CrNiMo或5CrMnMo制造，調(diào)質(zhì)處理后模具硬度HRC40～44，模具單邊留量≥3mm；加熱設(shè)備采用電爐或煤氣爐加熱，熱變形溫度850～1160℃，總保溫時間≤4h，最后一火次變形量≥15％；iii、復合熱處理采用電爐進行復合熱處理，淬火前需將螺栓毛坯進行表面加工，清除表面缺陷；深冷處理在酒精+干冰的飽和溶液中進行，保溫時間≥15min，后取出回溫進行480～530℃回火空冷，淬火與深冷間隔時間需小于1h，深冷與回火間隔時間不得超過4小時；復合熱處理工藝路線880～920℃空冷→630～680℃空冷→840～880℃淬火快冷→-63～-79℃深冷→480～530℃回火空冷；iv、機加工將螺栓毛坯在普通車床或數(shù)控車床上加工成螺栓，車刀選用硬質(zhì)合金刀，螺紋部分采用車削加工；v、電鍍將機加工后的螺栓進行表面電鍍鎘鈦，鍍層厚度≤0.04mm；工藝路線去油→采用100～180目氧化鋁粉噴磨料→弱酸浸蝕→去離子水清洗→電鍍，電鍍槽溫15～35℃，電流密度2A/dm2h→出槽水洗→吹干→去氫，電鍍后4小時內(nèi)200±10℃保溫時間≥12h→活化→鈍化；經(jīng)上述工序最終得到的抗延遲斷裂的16.9級螺栓，其力學性能值應達到Rm≥1620MPa，RP0.2≥1480MPa，A≥12％，Z縱向≥60％，Akv縱向≥61J，<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>K</mi> <mrow><mn>1</mn><mi>c</mi> </mrow></msub><mo>&GreaterEqual;</mo><mn>143</mn><mi>MPa</mi><msqrt> <mi>m</mi></msqrt><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008100494110003C1.tif" wi="35" he="6" top= "144" left = "23" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>K</mi> <mrow><mn>1</mn><mi>scc</mi> </mrow></msub><mo>&GreaterEqual;</mo><mn>80</mn><mi>MPa</mi><msqrt> <mi>m</mi></msqrt><mo>.</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2008100494110003C2.tif" wi="35" he="6" top= "144" left = "62" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>
2、 如權(quán)利要求1所述的抗延遲斷裂的16.9級螺栓制作，其特征在于其爐 料采用是JCr99-A級別的金屬鉻、純度》M9990級別的電解鎳、Co-1A級別的 金屬鈷、Mol級別的金屬鉬和YT3級別的純鐵。
3、 一種抗延遲斷裂的16.9級螺栓安全評估方法，其特征在于該安全評估 方法采用有限元方法模擬螺栓在承受軸向拉伸載荷作用下最危險部位嚙合第一 扣處螺紋根部的應力集中系數(shù)Kt，從而計算出應力強度因子K:，再利用斷裂 力學判據(jù)斷裂韌性K&e (K,SM)》KJ角定出螺栓在大氣及海洋環(huán)境下安全使用 的韌性指標，保證螺栓在使用過程中不發(fā)生應力腐蝕斷裂，從而建立螺栓在該 環(huán)境下的使用安全性評估方法，其中v、電鍍螺紋根部圓弧半徑螺紋深度<formula>formula see original document page 4</formula>式中d——螺栓大徑山——螺栓小徑o螺栓所受的名義應力根據(jù)上述評估方法，在大氣及海洋環(huán)境下安全使用的抗延遲斷裂的16.9級 螺栓只需K&e (K1e) ^K,并考慮一定的安全系數(shù)即可安全使用。
全文摘要
一種抗延遲斷裂的16.9級螺栓制作采用真空感應熔煉+真空自耗熔煉、鍛造成型、復合熱處理、機加工和電鍍五個工序加工而成，其16.9級螺栓安全評估方法是采用有限元方法模擬螺栓在承受軸向拉伸載荷作用下最危險部位嚙合第一扣處螺紋根部的應力集中系數(shù)K_t，從而計算出應力強度因子K_I，再利用斷裂力學判據(jù)斷裂韌性K_1scc(K_1scc)≥K_I確定出螺栓在大氣及海洋環(huán)境下安全使用的韌性指標，保證螺栓在使用過程中不發(fā)生應力腐蝕斷裂，從而建立螺栓在該環(huán)境下的使用安全性評估方法。該16.9級螺栓制作可制成M100以下的各種規(guī)格和形狀的螺栓，適用于大氣、海洋大氣和海水環(huán)境，也可進行表面電鍍處理以用于其他特殊環(huán)境。
文檔編號F16B35/00GK101539163SQ20081004941
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者軍 劉, 寧天信, 棟 方, 陳繼志 申請人:洛陽雙瑞特鋼科技有限公司