CN102943210B - 一种高强度螺栓及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于螺栓加工技术领域,涉及一种高强度螺栓及其加工方法。它解决了现有的螺栓强度和硬度不高的问题。本高强度螺栓,该螺栓由高强度螺栓钢加工而成,所述的高强度螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成:C:0.38%-0.45%;Mn:0.15%-0.25%;Cr:0.8%-1.2%;Mo:1.1%-1.4%;Si:0.05%-0.15%;S<0.001%;P<0.004%;V:0.4%-0.6%;Nb:0.01-0.05%,其余为Fe。本高强度螺栓具有强度、硬度高的优点。

Description

-种高强度螺栓及其加工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种螺栓及其加工方法,尤其涉及一种高强度螺栓及其加工方法;属 于螺栓加工技术领域。
背景技术
[0002] 螺栓是一种应用非常广泛的配件,从航空航天到日常生活都离不开它,根据强度 的不同,螺栓可W分为普通螺栓和高强度螺栓。与普通螺栓相比,高强度螺栓有许多优点: 现场组装用时短,对生产影响小,使用寿命长,适用构件范围广,连接安全可靠,具有较好的 工艺性和经济性。正是因为高强度螺栓的该些优点,工业发达国家近年来出现了对高强度 螺栓钢和高强度螺栓集中研究的现象,并开发出了一系列超高强度螺栓钢及超高强度螺 栓。
[0003] 中国专利申请(公开号;CN101890618A)涉及一种高强度螺栓的加工方法,该方法 采用SCM440和42CrMoVNb材质生产,通过选材,线材球化、酸洗抽线所需的线材直径,经过 在多工位冷锻机上3〜4次挤压成型所需的螺栓的头型和杆部,经滚制撞牙撞出所需的螺 纹及螺纹长度。经热处理浑火回火打到所需硬度和强度。虽然采用该加工方法可W制得强 度和硬度达到12. 9和14. 9级高强度螺栓,但是其塑性和初性仍然无法达到高强度螺栓的 要求。
发明内容
[0004] 本发明针对现有技术所存在的缺陷,提供一种不仅强度、硬度较高;而且塑性和初 性都能达到要求的高强度螺栓。
[0005] 本发明的上述目的可W通过W下技术方案得W实施;一种高强度螺栓,该螺栓由 高强度螺栓钢加工而成,所述的高强度螺栓钢由W下质量百分数的化学成分组成:
[0006] C ;0. 38% -0. 45% ;Mn ;0. 15% -0. 25% ;Cr ;0. 8% -1. 2% ;
[0007] Mo :1. 1% -I. 4% ;Si :0. 05% -〇. 15% ;S < 0. 001% ;
[0008] P < 0. 004% ;V ;0. 4% -0. 6% ;佩;0. 01-0. 05%
[000引 其余为化。
[0010] 现有普通的高强度螺栓钢42CrMoVNb的化学成分是C ;0. 42% ;Mn ;0. 3% ;化: 1. 1% ;Mo ;1. 0% ;Si ;0. 2% ;S ;0. 001% ;P ;0. 004% ;V ;0. 3% ;佩;0. 04% ;其余为化。本 发明在普通的高强度螺栓钢42CrMoVNb的基础上降低了硫(S)、磯(P),娃(Si),猛(Mn)的 含量,并增加了 Mo的含量,不仅在强度和硬度上能够达到高强度螺栓钢42CrMoVNb的要求, 而且由于化学成分的改变,其显微组织也发生改变,奧氏体晶粒变细,塑性和初性得到了很 大的提高,使其满足12. 9级螺栓的最低要求。此外由于螺栓生产中大都需要激头,所W螺 栓钢大多为冷激钢,要求有良好的冷加工性能。降低硫含量可提高钢的冷变形能力;降低磯 含量会使钢的变形抗力减小。因此,降低磯、硫含量不仅可W改善钢的塑初性和耐延迟断裂 性能,还可W改善钢的冷加工性能。
[0011] 在上述的高强度螺栓中,作为优选,所述的高强度螺栓钢由W下质量百分数的化 学成分组成:
[0012] C ;0. 40% -0. 42% ;Mn ;0. 18% -0. 22% ;Cr ;0. 9% -1. 1% ;
[0013] Mo :1. 3% -I. 4% ;Si :0. 06% -〇. 10% ;S < 0. 0005% ;
[0014] P < 0. 002% ;V :0. 5% ;Nb :0. 02-0. 04%
[00巧]其余为化。
[0016] 本发明的另一个目的在于提供该高强度螺栓的加工方法,该方法包括W下步骤:
[0017] A、冷激成型;选择上述高强度螺栓钢原料经过酸洗除镑后经750-78(TC退火处理 4-7小时,炉冷至450-55(TC出炉空冷,然后将原料切断至螺栓所需的长度,在常温下将切 断后的原料放入模具型腔内,冷挤压使原料形成螺栓所需的头部和杆部;
[0018] B、调质处理:将上述冷激成型的螺栓粗品在900-110(TC条件下用浑火油进行浑 火处理后,保温1-3小时,然后在500-61(TC回火处理,保温1-3小时;
[0019] C、精加工;将上述经过调质处理后的螺栓粗品经过车床粗车外圆和精车外圆后, 再经磨床粗磨、精磨后,滚丝机滚丝出螺纹部分;
[0020] D、发黑处理;将上述经过精加工后的螺栓粗品经过除油、酸洗除镑后在抑值为 1. 5-3. 5的条件下常温发黑处理10-20分钟,常温发黑处理处理后经过清洗,然后立即作脱 水封闭处理;最后经过超声波探伤后即得成品螺栓。
[0021] 本发明步骤B的调质处理是浑火加高温回火的双重热处理,其目的是使螺栓具有 良好的综合机械性能。其中在高温回火时,会出现二次硬化效应。随着回火温度的升高,钢 的强度、硬度降低,塑性、初性升高。本发明的高强度螺栓钢的Mo、V元素含量较高,提高了 钢的回火抗力;在55CTC W上温度回火时析出合金碳化物而产生二次硬化,强度和硬度随 回火温度的升高变化不大;但当回火温度高于约61(TC,强度和硬度急剧下降;在C原子的 同溶强化作用逐渐消失和合金元素的弥散强化作用逐渐加强的共同作用下,随着回火温度 的升高,塑性变化不大,而初性不受弥散强化效应的影响,所W大幅度提高。而浑火温度的 提高,本发明的高强度螺栓钢受晶粒粗化和二次硬化效应的综合影响,其强度和硬度表现 出先升后降的趋势,强度由升到降的临界奧氏体化温度约为l〇〇〇°C,塑性和初性逐渐下降, 且初性下降的速度较快。
[0022] 作为优选,步骤B中浑火温度为930-98(TC,回火处理温度为580-60(TC,回火时间 为2小时。
[0023] 步骤C中的滚丝是在热处理后进行,可使螺纹处获得滚丝压应力,W提高螺栓的 强度,特别是疲劳强度。
[0024] 步骤D中发黑处理是在常温条件下进行的,发黑处理可W使本发明螺栓表面获得 兼有防蚀与装饰双重功能的转化膜。常温发黑处理具有节约能源和时间、操作方便、成本较 低、无环境污染的优点。
[00巧]在上述的高强度螺栓的加工方法中,步骤A中退火处理的温度为760°C,退火处理 时间为6小时。
[0026] 作为优选,常温发黑处理时采用的发黑液由主成膜剂和添加剂组成,其中所述的 添加剂由辅助成膜剂、抑值缓冲剂、发黑稳定剂、速度调整剂和表面润湿剂中一种或多种组 成;发黑处理的抑值为2. 0-3. 0,发黑处理时间为12-15分钟。其中主成膜剂有二氧化砸 和硫酸铜组成,但是发黑液由单纯的主成膜剂组成在螺栓表面生成的发黑膜疏松多孔,结 合力较差,必须加入添加剂可W得到一种复合组成的发黑膜,提高了膜的致密性和结合力。 其中辅助成膜剂为磯酸二氨铁、磯酸、磯酸-磯酸二氨钟中的一种,pH值缓冲剂主要是一些 弱酸如草酸、甲酸等。速度调整剂由巧樣酸、酒石酸盐、对苯二酷、葡萄糖酸盐、H己醇胺一 种或多种组成;发黑稳定剂由巧樣酸及其盐、抗坏血酸等组成。表面润湿剂有十二焼基硫酸 轴、OP-IO -种或两种组成。
[0027] 如本发明的高强度螺栓可W采用下述组分的发黑剂在常温下发黑;五水硫酸铜: 4-8g/L ;二氧化砸;4-8g/L ;辅助成膜剂磯酸-磯酸二氨钟2-5g/L ;速度调整剂巧樣酸 10-15g/L ;抑值缓冲剂草酸;3-5g/L ;发黑稳定剂抗坏血酸lOml/L。
[0028] 高强度螺栓发黑膜膜层性能随发黑液中抑值的变化而改变的情况。即当抑值较 低对,出于成膜反应快,膜层疏松,当抑值较高时,由于成膜反应变慢,当发黑时间相同时, 外观变差,发黑膜较薄但致密,结合力升高但耐蚀性下降。常温发黑适宜的抑值范围为:pH =2〜3。在发黑液抑值一定的条件下,常温发黑膜膜层性能与发黑时间有关。时间太短, 发黑膜薄,成膜反应不完全,耐蚀性差;时间过长,发黑膜太厚,附着物多,结合力差。
[0029] 综上所述,本发明具有W下优点:
[0030] 1、本发明的高强度螺栓在高强度螺栓钢42CrMoVNb的基础上降低了硫(S)、磯 (P),娃(Si),猛(Mn)的含量,并增加了 Mo的含量,不仅在强度和硬度上能够达到要求,而且 塑性和初性得到了很大的提高,此外还可W改善螺栓钢的冷加工性能。
[0031] 2、本发明的高强度螺栓加工方法采用较为优化的调质处理方法,经过调质中浑火 和回火后,可W获得强度、硬度、塑性和初性都较好的高强度螺栓。
[0032] 3、本发明的高强度螺栓加工方法采用常温发黑处理,发黑处理后的螺栓表面获得 兼有防蚀与装饰双重功能的转化膜,使用寿命长。
具体实施方式
[0033] W下是本发明的具体实施例,对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并 不限于该些实施例。
[0034] 表1 ;本发明高强度螺栓钢的化学成分(按质量百分数% )
[00 巧]
Figure CN102943210BD00051
[0036]
Figure CN102943210BD00052
Figure CN102943210BD00061
[0037] 实施例I
[0038] 选择化学成分和质量百分配比为表I中实施例I的高强度螺栓钢首先进行球化 退火处理,入炉前进行酸洗除镑,后进入球化炉,为避免球化退火后脱碳,原料经76(TC,均 温6小时后缓慢冷却,然后将原料切断至螺栓所需的长度,在冷态下将原料放入模具型腔 之内,冷挤压使原料形成螺栓所需的头部和杆部的冷激挤压螺栓粗品;将上述冷激成型的 螺栓粗品在温度为95CTC条件下用浑火油在连续热处理炉中进行浑火处理,保温时间80分 钟,然后在55CTC回火处理,保温时间2. 5小时;通过调质处理,使螺栓达到标准所要求的硬 度、强度值、伸长率,端面的收缩率W及初性。将上述经过调质处理后的螺栓粗品经过车床 粗车外圆和精车外圆后,再经磨床粗磨、精磨后,头部用滚压机滚压强化,最后用滚丝机滚 丝出螺纹部分;然后经过除油、酸洗除镑后在抑值为2. 5的条件下常温发黑处理15分钟, 发黑液的组成如下:
[0039] 五水硫酸铜;4-8g/L ;二氧化砸;4-8g/L ;辅助成膜剂磯酸-磯酸二氨钟2-5g/L ; 速度调整剂巧樣酸l〇-15g/L ;抑值缓冲剂草酸;3-5g/L ;发黑稳定剂抗坏血酸lOml/L。经 过常温发黑处理后在螺栓表面获得兼有防蚀与装饰双重功能的转化膜,常温发黑处理后经 过清洗,然后立即作脱水封闭处理,探伤后即得成品螺栓。
[0040] 实施例2
[0041] 选择化学成分和质量百分配比为表1中实施例2的高强度螺栓钢首先进行球化 退火处理,入炉前进行酸洗除镑,后进入球化炉,为避免球化退火后脱碳,原料经78(TC,均 温5小时后缓慢冷却,然后将原料切断至螺栓所需的长度,在冷态下将原料放入模具型腔 之内,冷挤压使原料形成螺栓所需的头部和杆部的冷激挤压螺栓粗品;将上述冷激成型的 螺栓粗品在温度为94CTC条件下用浑火油在连续热处理炉中进行浑火处理,保温时间100 分钟,然后在60(TC回火处理,保温时间2小时;通过调质处理,使螺栓达到标准所要求的硬 度、强度值、伸长率,端面的收缩率W及初性。将上述经过调质处理后的螺栓粗品经过车床 粗车外圆和精车外圆后,再经磨床粗磨、精磨后,头部用滚压机滚压强化,最后用滚丝机滚 丝出螺纹部分;然后经过除油、酸洗除镑后在抑值为3. 0的条件下常温发黑处理15分钟, 发黑液的组成如下:
[0042] 五水硫酸铜;4-8g/L ;二氧化砸;4-8g/L ;辅助成膜剂磯酸-磯酸二氨钟2-5g/L ;
Figure CN102943210BD00062
速度调整剂巧樣酸l〇-15g/L ;抑值缓冲剂草酸;3-5g/L ;发黑稳定剂抗坏血酸lOml/L。经 过常温发黑处理后在螺栓表面获得兼有防蚀与装饰双重功能的转化膜,常温发黑处理后经 过清洗,然后立即作脱水封闭处理,探伤后即得成品螺栓。
[004引 实施例3
[0044] 选择化学成分和质量百分配比为表1中实施例3的高强度螺栓钢首先进行球化 退火处理,入炉前进行酸洗除镑,后进入球化炉,为避免球化退火后脱碳,原料经75CTC,均 温8小时后缓慢冷却,然后将原料切断至螺栓所需的长度,在冷态下将原料放入模具型腔 之内,冷挤压使原料形成螺栓所需的头部和杆部的冷激挤压螺栓粗品;将上述冷激成型的 螺栓粗品在温度为98(TC条件下用浑火油在连续热处理炉中进行浑火处理,保温时间60分 钟,然后在58(TC回火处理,保温时间2小时;通过调质处理,使螺栓达到标准所要求的硬 度、强度值、伸长率,端面的收缩率W及初性。将上述经过调质处理后的螺栓粗品经过车床 粗车外圆和精车外圆后,再经磨床粗磨、精磨后,头部用滚压机滚压强化,最后用滚丝机滚 丝出螺纹部分;然后经过除油、酸洗除镑后在抑值为2. 0的条件下常温发黑处理12分钟, 发黑液的组成如下:
[0045] 五水硫酸铜;4-8g/L ;二氧化砸;4-8g/L ;辅助成膜剂磯酸-磯酸二氨钟2-5g/L ; 速度调整剂巧樣酸l〇-15g/L ;抑值缓冲剂草酸;3-5g/L ;发黑稳定剂抗坏血酸lOml/L。经 过常温发黑处理后在螺栓表面获得兼有防蚀与装饰双重功能的转化膜,常温发黑处理后经 过清洗,然后立即作脱水封闭处理,探伤后即得成品螺栓。
[0046] 实施例4选择化学成分和质量百分配比为表1中实施例4的高强度螺栓钢,其它 工艺流程同实施例1,不再费述。
[0047] 对实施例1-4制备的高强度螺栓的强度O b、硬度HRC、收缩率5、伸长率W和初 性(冲击吸收功Akv)进行检测,检测结果如表2所示:
[004引表2 ;本发明高强度螺栓的性能
[0049]
Figure CN102943210BD00071
[0050] 从表2可W看出,本发明加工而成的高强度螺栓强度、硬度、塑性和初性都较好。
[0051] W上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参 照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可W对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Figure CN102943210BD00072

Claims (1)

1. 一种高强度螺栓,该螺栓由高强度螺栓钢加工而成,所述的高强度螺栓钢由以下 质量百分数的化学成分组成:c :0• 42% ;Mn :0• 20% ;Cr :1. 1% ;Mo :1. 4% ;Si :0• 10% ;S < 0• 0005% ;P < 0• 002% ;V :0• 6% ;Nb :0• 04%,其余为 Fe ; 其中,上述高强度螺栓的加工方法包括以下步骤: A、 冷镦成型:选择符合上述质量百分比成分的高强度螺栓钢原料经过酸洗除锈后经 750°C退火处理4-7小时,炉冷至450-550°C出炉空冷,然后将原料切断至螺栓所需的长度, 在常温下将切断后的原料放入模具型腔内,冷挤压形成螺栓所需的头部和杆部; B、 调质处理:将上述冷镦成型的螺栓粗品在980°C条件下用淬火油进行淬火处理,然 后在580°C回火处理,保温时间为1小时; C、 精加工:将上述经过调质处理后的螺栓粗品经过车床粗车外圆和精车外圆后,再经 磨床粗磨、精磨后,滚压机头部滚压强化,滚丝机滚丝出螺纹部分; D、 发黑处理:将上述经过精加工后的螺栓粗品经过除油、酸洗除锈后在pH值为2. 0的 条件下常温发黑处理10-20分钟,常温发黑处理后经过清洗,然后立即作脱水封闭处理,最 后经过超声波探伤得成品螺栓;所述的常温发黑处理时采用的发黑液的组成如下:五水硫 酸铜:4-8g/L ;二氧化硒:4-8g/L ;辅助成膜剂磷酸-磷酸二氢钾2-5g/L ;速度调整剂柠檬 酸10-15g/L ;pH值缓冲剂草酸:3-5g/L ;发黑稳定剂抗坏血酸10ml/L。
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