CN102943210B

CN102943210B - 一种高强度螺栓及其加工方法

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Publication number: CN102943210B
Application number: CN201210468134.7A
Authority: CN
Inventors: 谢亚平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: CN102943210A

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

一种高强度螺栓及其加工方法

技术领域

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

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，螺栓可以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这些优点，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。

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，经滚制搓牙搓出所需的螺纹及螺纹长度。经热处理淬火回火打到所需硬度和强度。虽然采用该加工方法可以制得强度和硬度达到12.9和14.9级高强度螺栓，但是其塑性和韧性仍然无法达到高强度螺栓的要求。

发明内容

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；而且塑性和韧性都能达到要求的高强度螺栓。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案得以实施：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。

现有普通的高强度螺栓钢42CrMoVNb的化学成分是C：0.42％；Mn：0.3％；Cr：1.1％；Mo：1.0％；Si：0.2％；S：0.001％；P：0.004％；V：0.3％；Nb：0.04％；其余为Fe。本发明在普通的高强度螺栓钢42CrMoVNb的基础上降低了硫(S)、磷(P)，硅(Si)，锰(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，奥氏体晶粒变细，塑性和韧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镦头，所以螺栓钢大多为冷镦钢，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；降低磷含量会使钢的变形抗力减小。因此，降低磷、硫含量不仅可以改善钢的塑韧性和耐延迟断裂性能，还可以改善钢的冷加工性能。

在上述的高强度螺栓中，作为优选，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：0.40％-0.42％；Mn：0.18％-0.22％；Cr：0.9％-1.1％；

Mo：1.3％-1.4％；Si：0.06％-0.10％；S＜0.0005％；

P＜0.002％；V：0.5％；Nb：0.02-0.04％

其余为Fe。

本发明的另一个目的在于提供该高强度螺栓的加工方法，该方法包括以下步骤：

A、冷镦成型：选择上述高强度螺栓钢原料经过酸洗除锈后经750-780℃退火处理4-7小时，炉冷至450-550℃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；

B、调质处理：将上述冷镦成型的螺栓粗品在900-1100℃条件下用淬火油进行淬火处理后，保温1-3小时，然后在500-610℃回火处理，保温1-3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。

本发明步骤B的调质处理是淬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、韧性升高。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550℃以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610℃，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，而韧性不受弥散强化效应的影响，所以大幅度提高。而淬火温度的提高，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奥氏体化温度约为1000℃，塑性和韧性逐渐下降，且韧性下降的速度较快。

作为优选，步骤B中淬火温度为930-980℃，回火处理温度为580-600℃，回火时间为2小时。

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，以提高螺栓的强度，特别是疲劳强度。

步骤D中发黑处理是在常温条件下进行的，发黑处理可以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。

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℃，退火处理时间为6小时。

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、pH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pH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硒和硫酸铜组成，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，必须加入添加剂可以得到一种复合组成的发黑膜，提高了膜的致密性和结合力。其中辅助成膜剂为磷酸二氢铁、磷酸、磷酸-磷酸二氢钾中的一种，pH值缓冲剂主要是一些弱酸如草酸、甲酸等。速度调整剂由柠檬酸、酒石酸盐、对苯二酚、葡萄糖酸盐、三乙醇胺一种或多种组成；发黑稳定剂由柠檬酸及其盐、抗坏血酸等组成。表面润湿剂有十二烷基硫酸钠、OP-10一种或两种组成。

如本发明的高强度螺栓可以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。

高强度螺栓发黑膜膜层性能随发黑液中pH值的变化而改变的情况。即当pH值较低对，出于成膜反应快，膜层疏松，当pH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pH值范围为：pH＝2～3。在发黑液pH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。

综上所述，本发明具有以下优点：

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)、磷(P)，硅(Si)，锰(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，而且塑性和韧性得到了很大的提高，此外还可以改善螺栓钢的冷加工性能。

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，经过调质中淬火和回火后，可以获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的高强度螺栓。

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

以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，但本发明并不限于这些实施例。

表1：本发明高强度螺栓钢的化学成分(按质量百分数％)

实施例1

选择化学成分和质量百分配比为表1中实施例1的高强度螺栓钢首先进行球化退火处理，入炉前进行酸洗除锈，后进入球化炉，为避免球化退火后脱碳，原料经760℃，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镦挤压螺栓粗品；将上述冷镦成型的螺栓粗品在温度为950℃条件下用淬火油在连续热处理炉中进行淬火处理，保温时间80分钟，然后在550℃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，端面的收缩率以及韧性。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、酸洗除锈后在pH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：

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。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。

实施例2

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，入炉前进行酸洗除锈，后进入球化炉，为避免球化退火后脱碳，原料经780℃，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镦挤压螺栓粗品；将上述冷镦成型的螺栓粗品在温度为940℃条件下用淬火油在连续热处理炉中进行淬火处理，保温时间100分钟，然后在600℃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，端面的收缩率以及韧性。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、酸洗除锈后在pH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：

实施例3

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，入炉前进行酸洗除锈，后进入球化炉，为避免球化退火后脱碳，原料经750℃，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镦挤压螺栓粗品；将上述冷镦成型的螺栓粗品在温度为980℃条件下用淬火油在连续热处理炉中进行淬火处理，保温时间60分钟，然后在580℃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，端面的收缩率以及韧性。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、酸洗除锈后在pH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：

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，不再赘述。

对实施例1-4制备的高强度螺栓的强度σb、硬度HRC、收缩率δ、伸长率ψ和韧性(冲击吸收功Akv)进行检测，检测结果如表2所示：

表2：本发明高强度螺栓的性能

从表2可以看出，本发明加工而成的高强度螺栓强度、硬度、塑性和韧性都较好。

以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，可以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。

Claims

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℃退火处理4-7小时，炉冷至450-550℃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℃条件下用淬火油进行淬火处理，然后在580℃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。