CN101775546A - 高强度紧固件用含硼冷镦钢及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度紧固件用含硼冷镦钢及其生产方法。该冷镦钢包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.15～0.35％、Si＜0.10％、Mn 0.50～1.20％、Cr 0.08～0.50％、P＜0.035％、S＜0.035％、Al 0.005～0.080％、Ti 0.005～0.100％、B 0.0005～0.0050％以及余量的铁和杂质；其制备工艺为：按上述含硼冷镦钢的组成制备连铸坯，而后将连铸坯依次经加热、粗轧、中轧、精轧、冷却处理，最后整卷打捆后自然冷却形成成品。本发明钢种强度和硬度低、塑性好、淬透性优良，可简化紧固件制造工艺，节约能源，降低污染，且生产的大规格紧固件强度在8.8级以上。同时，本发明制备工艺简单，易于实施，成本低廉。

Description

高强度紧固件用含硼冷镦钢及其制备工艺

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域的一种紧固件用钢及其生产方法，尤其涉及一种用于制造8.8、9.8级紧固件的，免球化退火高强度含硼冷镦钢及其制备工艺。

背景技术

2008年我国紧固件产量高达560万吨，其中的主要产品之一即是8.8、9.8级高强度紧固件。目前制造8.8、9.8级紧固件的一般工序为“热轧盘条→球化退火→拉拔→冷镦→调质处理”，而其中球化退火工序能源消耗大、耗时长、环境污染重，不仅增加生产成本，而且造成金属损失。因此，为节省能源、降低生成成本，简化生产工序，同时符合越来越严格的环境保护标准，，如何缩短或取消生产高强度紧固件时对线材进行的球化退火工序，一直是专业人士所追求的目标。使用免退火处理的冷镦钢，特别是免球化退火含硼冷镦钢制造8.8、9.8级高强度紧固件仅需“热轧盘条→拉拔→冷镦→调质处理”等几步简单工序即可完成，从而省去盘条冷拔前的球化退火处理，具有显著的经济效益和广阔的应用市场，因而已经成为冷镦钢研究开发的热点之一。

目前，日本JIS G 3508-1 2005标准中的SWRCHB323、SWRCHB423免球化退火含硼冷镦钢已可用于8.8、9.8级紧固件的制造，我国国内也有紧固件厂家应用美国标准SAE中的10B21、10B28等钢种生产同样高强度级别紧固件。但这些钢种仅适于制造小规格

)紧固件产品，而对于大规格紧固件，如直径达到16～30mm的紧固件，则存在淬透性不足，回火温度偏低(低于450℃)，性能不稳定等问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高强度紧固件用含硼冷镦钢及其制备工艺，该含硼冷镦钢强度、硬度低、塑性好、淬透性优良，可直接冷镦制造大规格紧固件，同时，其制备工艺简单，能耗低，效率高，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高强度紧固件用含硼冷镦钢，其特征在于，该冷镦钢包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.15～0.35％、Si＜0.10％、Mn 0.50～1.20％、Cr 0.08～0.50％、P＜0.035％、S＜0.035％、Al 0.005～0.080％、Ti 0.005～0.100％、B0.0005～0.0050％，以及余量的铁和杂质。

如上所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成制备连铸坯，而后将连铸坯加热，并依次经粗轧、中轧，其后在800～950℃精轧，吐丝温度控制在800～900℃，轧制形成的线材以＜5℃/S的速度冷却，然后整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。

进一步地讲，该工艺中，制备连铸坯的过程为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料依次进行冶炼、精炼和连铸处理，形成连铸坯。

该工艺中，在精炼结束时采用Al终脱氧，并保证成品成分中[Al]_全/[O]质量比大于1.2。

该工艺中，在精炼结束时采用Al脱氧后，还加入Ti固氮，其加入量需保证钢中[Ti]/[N]质量比应高于3.5。

该工艺中，在精炼结束前采用Al脱氧以及Ti固氮后，还加入硼，且硼的含量控制在5～50ppm。

该工艺中，轧制形成的线材是以堆冷或控制冷却方式冷却的，且保持冷却速度小于5℃/S。

该工艺中，轧制形成的线材是在大盘卷运输线上以堆冷方式冷却的，且冷却速度在0.25～0.5℃/s。

该工艺中，轧制形成的线材是在在斯太尔摩辊道运输线上以控制冷却方式冷却的。

该工艺包括如下具体步骤：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料依次进行冶炼、精炼和连铸处理，形成连铸坯；

将连铸坯加热到900～1100℃，依次经粗轧、中轧后，在800～950℃精轧，吐丝温度控制在800～900℃；

轧制形成的线材集卷后整卷在大盘卷运输线上堆冷，或在斯太尔摩辊道运输线上控制冷却，冷却速度小于5℃/S；

整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。

以下对本发明高强度紧固件用含硼冷镦钢的成分设计具体说明：

C：碳是主要强化元素之一。碳含量过低，则紧固件调质处理后硬度、强度不达标；但是如果碳含量过高，则热轧盘条强度高，塑性低，冷镦易开裂，同时冷镦时变形抗力大，冷镦模具寿命低。因此，必须考虑强度和冷镦性能的平衡，故碳含量最好控制在0.15～0.35％之间。

Si：硅虽然可提高钢的强度，但同时也导致冷镦变形抗力的急剧升高，大幅度提高模具消耗。因此，为降低冷镦变形抗力，并结合工业生产的实际状态，Si的含量控制在0.10％以下。

Mn：锰是固溶强化元素，能弥补由于碳过低而导致强度下降；同时也可提高淬透性。因此，锰含量可控制在0.50～1.20％之间。

Cr：铬是固溶强化元素，同时可有效提高钢锭淬透性，保证大规格盘条的淬火后的强度和硬度。此外，由于铬可在回火处理时析出碳化物沉淀相，可起着二次硬化的作用。因此，铬的含量控制在0.08～0.50％。

Al：铝是强脱氧剂，主要用来对精炼末期进行充分脱氧。为此，钢中全铝的含量需可控制在0.005～0.080％，但必须保证成品成分中[Al]_全/[O]质量比大于1.2。

Ti：钛是强固氮元素。精炼末期Al脱氧之后，必须采用Ti固氮，以形成TiN来消除钢中自由氮，使后加入的硼可以以自由硼存在。因此，Ti的含量可控制在0.005～0.100％；具体含量应根据钢中氮的含量来添加，即需保证Ti/N质量比应高于3.5。

B：硼可大幅度提高淬透性。钢中硼只有以自由硼的形式存在时才可在淬火时偏聚与奥氏体晶界，抑制铁素体形核，从而提高钢的淬透性。如果硼与钢中氧、氮形成硼相或氮化硼，这不能起到提高淬透性的作用。因此，在保证钢中充分脱氧、固氮后，将钢中硼的含量控制在0.0005～0.0050％之间是合适的。

本发明在现有SWRCHB323、SWRCHB423、10B21和10B28等钢种基础上，添加提高淬透性合金元素，从而形成本发明的高强度紧固件用含硼冷镦钢，其强度和硬度低、塑性好，在紧固件制造过程中，可省略球化退火处理而直接冷镦，既节约了能源降低污染，又简化了生产工艺，提高了生产效率；同时，本发明高强度紧固件用含硼冷镦钢具有优良的淬透性，最大淬透性直径可达到

因此能够保证在400～480℃回火处理后强度达到8.8级紧固件的要求，因此适于制造大规格(如

)紧固件。又及，本发明高强度紧固件用含硼冷镦钢制备工艺简单，易于操控，成本低廉。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的内容作详细说明。

实施例1该高强度紧固件用含硼冷镦钢为直径为

冷镦钢盘条，其包含的组分及其重量百分比为：C 0.21％、Si 0.06％、Mn 0.86％、Cr 0.17％、P0.0069％、S＜0.0050％、Al 0.037％、Ti 0.021％、B 0.0013％、00.0056％、N 0.0052％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

该高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料依次进行冶炼、精炼；精炼末期采用Al锭终脱氧，并保证成品成分中[Al]_全/[O]质量比达到6.6；其后依次加入钛铁，并保证钢中[Ti]/[N]质量比达到4.0；最后喂硼线，并保证钢中硼含量达到13ppm；连铸浇铸形成150×150mm方坯；

将方坯加热到1000±50℃，并进行轧制，控制开轧温度950±50℃，入精轧温度900±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间，形成

的热轧盘条；

热轧盘条利用VCC集卷后整卷在大盘卷运输线上堆冷，冷却速度0.20-5.00℃/s；

整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。

该冷镦钢盘条经过酸洗、拉拔后，省略球化退火制成M20×1.5外六角螺栓，无冷镦开裂，且经过880℃×1h淬火(水冷，水温40℃)和460℃×1h回火处理后，该外六角螺栓抗拉强度和屈服强度分别达到900、863MPa，冲击功A_ku达到170J。完全能够满足8.8级螺栓强度要求。

实施例2该高强度紧固件用含硼冷镦钢为直径为

冷镦钢盘条，其包含的组分及其重量百分比为：C 0.20％、Si 0.01％、Mn 0.72％、Cr 0.10％、P 0.009％、S 0.005％、Al 0.036％、Ti 0.030％、B 0.0030％、O 0.0013％、N 0.0035％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

该高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料进行冶炼、精炼；精炼末期采用Al锭终脱氧，并保证成品成分中[Al]_全/[O]质量比达到27.6；其后依次加入钛铁，并保证钢中[Ti]/[N]质量比达到8.6；最后喂硼线，并保证钢中硼含量达到30ppm；连铸浇铸形成150×150mm方坯；

将方坯加热到1000±50℃，并进行轧制，控制开轧温度950±50℃，入精轧温度900±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间，形成

的热轧盘条；

热轧盘条利用VCC集卷后整卷在大盘卷运输线上堆冷，冷却速度0.25～5.00℃/s；

整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。

该冷镦钢盘条经过酸洗、拉拔后，省略球化退火制成M30×2外六角螺栓，无冷镦开裂；且该外六角螺栓经过880℃×1h淬火(水冷，水温40℃)和460℃×1h回火处理后，抗拉强度和屈服强度分别达到840、800MPa，冲击功A_ku达到210J。完全能够满足8.8级螺栓强度要求。

实施例3该高强度紧固件用含硼冷镦钢为直径为

冷镦钢盘条，其包含的组分及其重量百分比为：C 0.20％、Si 0.06％、Mn 0.83％、Cr 0.18％、P 0.010％、S 0.008％、Al 0.056％、Ti 0.030％、B 0.0018％、O 0.0015％、N 0.0043，余量为铁及不可避免的杂质元素。

该高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料进行冶炼、精炼；精炼末期采用Al锭终脱氧，并保证成品成分中[Al]_全/[O]质量比达到37.3；其后依次加入钛铁，并保证钢中[Ti]/[N]质量比达到7.0；最后喂硼线，并保证钢中硼含量达到18ppm；连铸浇铸形成150×150mm方坯；

将方坯加热到1000±50℃，并进行轧制，控制开轧温度950±50℃，入精轧温度900±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间，形成

的热轧盘条；

热轧盘条集卷后整卷在大盘卷运输线上堆冷，冷却速度0.25～5.00℃/s；

整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。

该冷镦钢盘条经过酸洗、拉拔后，省略球化退火制成M26×2外六角螺栓，无冷镦开裂；该外六角螺栓经过880℃×1h淬火(水冷，水温40℃)和460℃×1h回火处理后，抗拉强度和屈服强度分别达到861、817MPa，冲击功A_ku达到214J。完全能够满足8.8级螺栓强度要求。

实施例4该高强度紧固件用含硼冷镦钢为直径为

冷镦钢盘条，其包含的组分及其重量百分比为：C 0.30％、Si 0.05％、Mn 0.62％、Cr 0.45％、P 0.006、S 0.004％、Al 0.030％、Ti 0.050％、B 0.0035％、O 0.0028％、N 0.0059％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

该高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料进行冶炼、精炼；精炼末期采用Al锭终脱氧，并保证成品成分中[Al]_全/[O]质量比达到10.7；其后依次加入钛铁，并保证钢中[Ti]/[N]质量比达到8.5；最后喂硼线，并保证钢中硼含量达到35ppm；连铸浇铸形成150×150mm方坯；

将方坯加热到1000±50℃，并进行轧制，控制开轧温度950±50℃，入精轧温度900±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间，形成

的热轧盘条；

热轧盘条集卷后整卷在大盘卷运输线上堆冷，冷却速度0.25～5.00℃/s；

整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。

该冷镦钢盘条经过酸洗、拉拔后，省略球化退火制成M30×2外六角螺栓，无冷镦开裂；且该外六角螺栓经过880℃×1h淬火(水冷，水温40℃)和460℃×1h回火处理后，抗拉强度和屈服强度分别达到910、856MPa，冲击功A_ku达到140J。完全能够满足8.8级螺栓强度要求。

实施例5该高强度紧固件用含硼冷镦钢为直径为冷镦钢盘条，其包含的组分及其重量百分比为：C 0.17％、Si 0.08％、Mn 1.10％、Cr 0.30％、P 0.008、S 0.006％、Al 0.045％、Ti 0.062％、B 0.0027％、00.0020％、N 0.0045％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

该高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料进行冶炼、精炼；精炼末期采用Al锭终脱氧，并保证成品成分中[Al]_全/[O]质量比达到22.5；其后依次加入钛铁，并保证钢中[Ti]/[N]质量比达到13.8；最后喂硼线，并保证钢中硼含量达到27ppm；连铸浇铸形成150×150mm方坯；

将方坯加热到1000±50℃，并进行轧制，控制开轧温度950±50℃，入精轧温度900±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间，形成

的热轧盘条；

热轧盘条集卷后整卷在大盘卷运输线上堆冷，冷却速度0.25～5.00℃/s；

整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。

该冷镦钢盘条经过酸洗、拉拔后，省略球化退火制成M30×2外六角螺栓，无冷镦开裂；且该外六角螺栓经过880℃×1h淬火(水冷，水温40℃)和460℃×1h回火处理后，抗拉强度和屈服强度分别达到870、821MPa，冲击功A_ku达到205J。完全能够满足8.8级螺栓强度要求。

以上实施例1～5的成分和性能还可如下表1、2所示。

表1实施例1～5化学成分对比(wt.％)

实施例	C	Si	Mn	Cr	P*	S*	O*	N*	Al	Ti	B*	Al/O	Ti/N
														1	0.21	0.06	0.86	0.17	69	50	56	52	0.037	0.021	13	6.6	4.0
2	0.20	0.01	0.72	0.10	90	50	13	35	0.036	0.030	30	27.7	8.6
														3	0.20	0.06	0.83	0.18	100	80	15	43	0.056	0.030	18	37.3	7.0
4	0.30	0.05	0.62	0.45	60	45	28	59	0.030	0.050	35	10.7	8.8
														5	0.17	0.08	1.10	0.30	80	63	20	45	0.045	0.062	27	22.5	13.8

注：*为ppm

表2实施例1～5力学性能对比

实施例	螺栓规格	调质处理	抗拉强度，MPa	屈服强度，MPa	AKU，J
						1	M20×1.5	Q 880℃×1h+T 460℃×1h	900	863	170
2	M30×2	Q 880℃×1h+T 460℃×1h	840	800	210
						3	M26×2	Q 880℃×1h+T 460℃×1h	861	817	214
4	M30×2	Q 880℃×1h+T 460℃×1h	910	856	140
						5	M30×2	Q 880℃×1h+T 460℃×1h	870	821	205

注：Q：淬火，水温40℃；T：回火

由上述实施例可见，本发明的高强度紧固件用免球化退火含硼冷镦钢在紧固件制造中可不经过球化退火，仍具有良好的冷镦性能，可直接冷镦成型紧固件，特别适合应用在大规格

紧固件中，均能满足紧固件国家标准《GBT 3098.1-2000紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的要求。该免球化退火含硼冷镦钢制备紧固件节约了大量能源、降低了生产成本，简化了生产工序。因此必将得到广泛的应用。

上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度紧固件用含硼冷镦钢，其特征在于，该冷镦钢包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.15～0.35％、Si＜0.10％、Mn 0.50～1.20％、Cr 0.08～0.50％、P＜0.035％、S＜0.035％、Al 0.005～0.080％、Ti 0.005～0.100％、B0.0005～0.0050％，以及余量的铁和杂质。

2.如权利要求1所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成制备连铸坯，而后将连铸坯加热，并依次经粗轧、中轧，其后在800～950℃精轧，吐丝温度控制在800～900℃，轧制形成的线材以＜5℃/S的速度冷却，然后整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。

3.如权利要求2所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺中，制备连铸坯的过程为：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料依次进行冶炼、精炼和连铸处理，形成连铸坯。

4.如权利要求3所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺中，在精炼结束时采用Al终脱氧，并保证成品成分中[Al]全/[O]质量比大于1.2。

5.如权利要求4所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺中，在精炼结束时采用Al脱氧后，还加入Ti固氮，其加入量需保证钢中[Ti]/[N]质量比应高于3.5。

6.如权利要求5所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺中，在精炼结束前采用Al脱氧以及Ti固氮后，还加入硼，且硼的含量控制在5～50ppm。

7.如权利要求2所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺中，轧制形成的线材是以堆冷或控制冷却方式冷却的，且保持冷却速度小于5℃/S。

8.如权利要求7所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺中，轧制形成的线材是在大盘卷运输线上以堆冷方式冷却的，且冷却速度在0.25～0.5℃/s。

9.如权利要求7所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺中，轧制形成的线材是在在斯太尔摩辊道运输线上以控制冷却方式冷却的。

10.如权利要求2所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的制备工艺，其特征在于，该工艺包括如下具体步骤：

按所述高强度紧固件用含硼冷镦钢的组成配制冶炼原料，其后将冶炼原料依次进行冶炼、精炼和连铸处理，形成连铸坯；

将连铸坯加热到900～1100℃，依次经粗轧、中轧后，在800～950℃精轧，吐丝温度控制在800～900℃；

轧制形成的线材集卷后整卷在大盘卷运输线上堆冷，或在斯太尔摩辊道运输线上控制冷却，冷却速度小于5℃/S；

整卷打捆后自然冷却，形成成品高强度紧固件用含硼冷镦钢盘条。