CN101539163B - 一种抗延迟断裂的16.9级螺栓制作方法 - Google Patents

Abstract

一种抗延迟断裂的16.9级螺栓制作采用真空感应熔炼+真空自耗熔炼、锻造成型、复合热处理、机加工和电镀五个工序加工而成，其16.9级螺栓安全评估方法是采用有限元方法模拟螺栓在承受轴向拉伸载荷作用下最危险部位啮合第一扣处螺纹根部的应力集中系数K_t，从而计算出应力强度因子K_I，再利用断裂力学判据断裂韧性K_1scc(K_1scc)≥K_I确定出螺栓在大气及海洋环境下安全使用的韧性指标，保证螺栓在使用过程中不发生应力腐蚀断裂，从而建立螺栓在该环境下的使用安全性评估方法。该16.9级螺栓制作可制成M100以下的各种规格和形状的螺栓，适用于大气、海洋大气和海水环境，也可进行表面电镀处理以用于其他特殊环境。

Description

一种抗延迟断裂的16.9级螺栓制作方法

技术领域

本发明属于高强紧固件技术领域，特别是一种能应用于大气、海洋大气和海水环境的抗延迟断裂的16.9级螺栓制作方法。

现有技术

国内12.9以上级别的螺栓用钢未形成相应的标准规范，对于16.9级的螺栓，目前国内还是空白。

随着强度的提高，延迟断裂问题十分突出，部分高强度紧固件用材料塑韧性不足造成环境条件下的低应力延迟脆性断裂时有发生，在海洋大气和海水环境中该问题尤其突出。螺栓的螺纹根部属于应力集中部位，延迟断裂现象更加严重，目前对于此类螺栓使用安全性尚无合适的评价方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种抗延迟断裂的16.9级螺栓制作方法，该螺栓制作方法可制成M100以下的各种规格和形状的螺栓，适用于大气、海洋大气和海水环境，也可进行表面电镀处理以用于其他特殊环境。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

所述的抗延迟断裂的16.9级螺栓制作方法采用真空感应熔炼+真空自耗熔炼出钢锭、锻造成型、复合热处理、机加工和电镀五个工序，其中：

i、真空感应熔炼+真空自耗熔炼出钢锭

钢锭采用JCr99-A级别的金属铬、纯度≥Ni9990级别的电解镍、Co-1A级别的金属钴、Mo1级别的金属钼、YT3级别的纯铁和其它不可避免的元素并放在真空感应炉中熔炼，真空感应炉真空度≤3Pa，浇铸前进行炉前分析，浇铸成自耗电极棒，而后进行退火处理，退火后钢锭表面扒皮；

再在真空自耗炉熔炼，使用水冷铜结晶器，真空度≤0.3Pa，自耗钢锭出炉空冷，而后进行退火处理，退火后钢锭表面扒皮；

炉前分析除包含纯铁含量外的其它元素化学成分质量百分比是：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，O≤0.0020，N≤0.0015；

ii、锻造成型

将钢锭在750Kg～2T自由锻锤模锻成螺栓毛坯，模具采用5CrNiMo或5CrMnMo制造，调质处理后模具硬度HRC40～44，模具单边留量≥3mm；

加热设备采用电炉或煤气炉加热，热变形温度850～1160℃，总保温时间≤4h，最后一火次变形量≥15％；

iii、复合热处理

采用电炉进行复合热处理，淬火前需将螺栓毛坯进行表面加工，清除表面缺陷；深冷处理在酒精+干冰的饱和溶液中进行，保温时间≥15min，后取出回温进行480～530℃回火空冷，淬火与深冷间隔时间需小于1h，深冷与回火间隔时间不得超过4小时；

复合热处理工艺路线：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、机加工

将螺栓毛坯在普通车床或数控车床上加工成螺栓，车刀选用硬质合金刀，螺纹部分采用车削加工；

v、电镀

将机加工后的螺栓进行表面电镀镉钛，镀层厚度≤0.04mm；工艺路线：去油→采用100～180目氧化铝粉喷磨料→弱酸浸蚀→去离子水清洗→电镀，电镀槽温15～35℃，电流密度2A/dm2h→出槽水洗→吹干→去氢，电镀后4小时内200±10℃保温时间≥12h→活化→钝化；

经上述工序最终得到的抗延迟断裂的16.9级螺栓，其力学性能值应达到：R_m≥1620MPa，R_P0.2≥1480MPa，A≥12％，Z纵向≥60％，Akv纵向≥61J，

$K_{1c}\≥143\mathrm{MPa}\sqrt{m},$ $K_{1\mathrm{scc}}\≥80\mathrm{MPa}\sqrt{m}.$

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

1、首次提出了抗海水应力腐蚀16.9级螺栓及其适应螺栓规格和应用环境。

2、利用对螺栓螺纹进行有限元受力分析计算，确定不同环境下螺栓韧性指标，使螺栓安全使用具有准确、可靠特点。

具体实施方式

在16.9级M56螺栓制作时采用真空感应熔炼+真空自耗熔炼出钢锭，金属铬采用JCr99-A级别、电解镍采用纯度Ni9990级别、金属钴采用Co-1A级别、金属钼采用Mo1级别、纯铁采用YT3级别。真空感应熔炼时真空度＜3Pa，浇铸前进行炉前分析，浇铸成自耗电极棒，而后进行退火处理，退火后钢锭表面扒皮。真空自耗熔炼时真空度≤0.3Pa，自耗钢锭出炉空冷，而后进行退火处理，退火后钢锭表面扒皮。炉前分析除纯铁外其它元素的化学成分按质量百分比控制在：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。

钢锭采用750Kg自由锻锤模锻成螺栓毛坯，模具采用5CrNiMo，调质处理后模具硬度HRC40～44，模具单边留量≥3mm。电炉加热，热变形温度850～1160℃，最后一火次变形量～25％。

在电炉上进行复合热处理，淬火前需将螺栓毛坯进行表面加工，清除表面缺陷；深冷处理在酒精+干冰的饱和溶液中进行，保温时间≥15min，后取出回温进行480～530℃回火空冷，淬火与深冷间隔时间需小于1h，深冷与回火间隔时间不得超过4小时；

具体工艺：900℃/2h空冷→650℃/8h空冷→850℃/2h淬火快冷→-70℃/0.5h深冷→520℃/4h回火空冷。

将螺栓毛坯在普通车床或数控车床上加工成螺栓，车刀选用硬质合金刀，螺纹部分采用车削加工；

将机加工后的螺栓进行表面电镀镉钛，镀层厚度≤0.04mm；工艺路线：去油→采用100～180目氧化铝粉喷磨料→弱酸浸蚀→去离子水清洗→电镀，电镀槽温15～35℃，电流密度2A/dm2h→出槽水洗→吹干→去氢，电镀后4小时内200±10℃保温时间≥12h→活化→钝化；

采用真空感应熔炼+真空自耗熔炼、锻造成型、复合热处理、机加工和电镀制作的抗延迟断裂的16.9级M56螺栓其性能值可达：

R_m：1800MPa；R_P0.2：1620MPa；A：13％；Z_纵向：70％；Akv_纵向：140J；K_1c：

海洋环境下K1scc：

由此看出：K_1c及K_1scc值远远大于大气及海洋环境中的

确保了螺栓的使用安全性。

Claims (1)

1.一种抗延迟断裂的16.9级螺栓制作方法，其特征在于：该16.9级螺栓制作方法采用真空感应熔炼+真空自耗熔炼出钢锭、锻造成型、复合热处理、机加工和电镀五个工序，其中：

i、真空感应熔炼+真空自耗熔炼出钢锭

钢锭采用JCr99-A级别的金属铬、纯度≥Ni9990级别的电解镍、Co-1A级别的金属钴、Mo1级别的金属钼、YT3级别的纯铁并放在真空感应炉中熔炼，真空感应炉真空度≤3Pa，浇铸前进行炉前分析，浇铸成自耗电极棒，而后进行退火处理，退火后钢锭表面扒皮；

再在真空自耗炉熔炼，使用水冷铜结晶器，真空度≤0.3Pa，自耗钢锭出炉空冷，而后进行退火处理，退火后钢锭表面扒皮；

经上述过程处理后的钢锭的化学成分质量百分比是：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，O≤0.0020，N≤0.0015；

ii、锻造成型

将钢锭在750Kg～2T自由锻锤模锻成螺栓毛坯，模具采用5CrNiMo或5CrMnMo制造，调质处理后模具硬度HRC40～44，模具单边留量≥3mm；

加热设备采用电炉或煤气炉加热，热变形温度850～1160℃，总保温时间≤4h，最后一火次变形量≥15％；

iii、复合热处理

采用电炉进行复合热处理，淬火前需将螺栓毛坯进行表面加工，清除表面缺陷；深冷处理在酒精+干冰的饱和溶液中进行，保温时间≥15min，后取出回温进行480～530℃回火空冷，淬火与深冷间隔时间需小于1h，深冷与回火间隔时间不得超过4小时；

复合热处理工艺路线：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、机加工

将螺栓毛坯在普通车床或数控车床上加工成螺栓，车刀选用硬质合金刀，螺纹部分采用车削加工；

v、电镀

将机加工后的螺栓进行表面电镀镉钛，镀层厚度≤0.04mm；工艺路线：去油→采用100～180目氧化铝粉喷磨料→弱酸浸蚀→去离子水清洗→电镀，电镀槽温15～35℃，电流密度2A/dm2h→出槽水洗→吹干→去氢，电镀后4小时内200±10℃保温时间≥12h→活化→钝化；

经上述工序最终得到的抗延迟断裂的16.9级螺栓，其力学性能值应达到：R_m≥1620MPa，R_P0.2≥1480MPa，A≥12％，Z纵向≥60％，Akv纵向≥61J，