CN103216509B - 一种高强度螺栓及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度螺栓，其特征在于，是加工钢板而成的螺栓，所述钢板其成分为(质量分数，%)：其主要化学成分为：C 0.478～0.526，Si 0.11～0.13，Mn 0.35～0.39，P ≤0.018，S≤0.002，B≤0.004,Cr 1.6～2.1，Mo 0.27～0.29，V 0.23～0.25，Cu 0.21-0.22，Nb 0.0003-0.0006,Zr 0.003-0.005, Ti 0.003-0.005,Pt 0.005-0.0058, Ir 0.006-0.0077,Re 0.001-0.0018,其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供一种高强度螺栓的制备方法，本发明所述的高强度螺栓，抗拉强度高，不易被拉长、拉断和磨损，且耐疲劳和耐恶劣环境，综合性能极佳。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度连接件的加工工艺，具体涉及一种高强度螺栓及其加工方法。
背景技术
随着高强螺栓加工行业的发展，一些复杂环境下使用高强螺栓的用量正在不断增加，高强螺栓加工在紧固件行业中处于非常重要地位，也是当前国内该行业关注的课题。由于高强螺栓是在飞机、桥梁、钢轨、高压设备等领域中使用，场合具有特殊性，该零件对尺寸及性能方面要求及其严格，虽然其看似结构并不复杂，但在双六角头高强螺栓加工中如何达到性能要求却是一个难题。以飞机领域的高强度螺栓为例，高强螺栓的承载旋合螺纹上的载荷分布是很不均匀的，在弹性范围内，靠近螺母支承面的第一圈螺纹的载荷最大，而其余旋合螺纹的分担载荷渐小，螺纹牙底应呈圆弧型，牙底的圆弧半径不应小于0.1螺距，不应采用三角形尖牙底或平牙底；螺纹和螺杆之间的退刀槽应圆滑过度，圆弧半径R为0.3螺纹直径；螺栓头和螺杆之间应有过渡圆角，细牙螺纹端面和螺纹轴线的垂直度不大于0.08等。其规格要求严格，其对抗拉强度，屈服强度等要求性能要求也十分严格，如何达到高标准的性能要求一直是高强度螺栓及其加工工艺的难题及热点。
目前的加工方式一般采用车削方式加以成型，其强度往往难以保证，当抗拉强度超过一定值时，在缺口集中的地方如杆与头部的过渡处或螺纹根部容易造成延迟断裂和疲劳断裂，对工程质量造成严重影响，严重时会由于其连接强度的不够而导致安全事故的发生，故需要对传统的高强度螺栓的生产工艺加以研究和改进，以在确保其质量的前提下能高效的进行大批量生产。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高强度螺栓及其加工方法，所述的成分和方法所形成的高强度螺栓，抗拉强度高，不易被拉长、拉断和磨损，且耐疲劳和耐恶劣环境，综合性能极佳。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种高强度螺栓，其特征在于，是加工钢板而成的螺栓，所述钢板其成分为(质量分数，%)：其主要化学成分为：C 0.478～0.526，Si 0.11～0.13，Mn 0.35～0.39，P ≤0.018，S ≤0.002，B≤0.004, Cr 1.6～2.1，Mo 0.27～0.29，V 0.23～0.25，Cu 0.21-0.22，Nb 0.0003-0.0006, Zr 0.003-0.005, Ti 0.003-0.005, Pt 0.005-0.0058, Ir 0.006-0.0077, Re 0.001-0.0018,其余为Fe和不可避免的杂质。
所述高强度螺栓的加工方法，包括如下步骤：备料-软化退火-冷锻成型-螺纹加工-热处理-机械强化和表面处理。
所述高强度螺栓的加工方法，具体包括如下步骤：
（1） 备料：选用所述成分的钢板酸洗除锈，并按照螺栓的规格大小截取适当大小的圆柱形坯料；
（2） 软化退火
（3） 冷锻成型：将退火后的圆柱形原料切断至螺栓所需长度，常温下放入模具型腔内，以镦锻力使之形成螺栓所需的头部和杆部尺寸；
（4） 螺纹加工：在室温下选用滚丝机进行螺纹成型；
（5） 热处理：在盐浴炉内对成型工件进行淬火，其温度控制在860℃，升温时间10min，保温时间30min，然后进行回火，回火温度为378℃，时间为72min，最后出炉后用油冷却，其冷却温度为65℃；
（6） 机械强化和表面处理：首先对经热处理的工件进行加热除油污，加热温度为340℃，保温时间为30min，自然冷却；其次工件经抛丸机进行表面的抛丸处理，处理完后经热水清理；最后工件在进行瓦斯与空气快速燃烧使螺栓表面快速氧化的发黑处理。
步骤（2）所述的软化退火分为两次，具体为：一次软化退火：将坯料在钟罩炉内进行等温软化退火，软化退火温度为789℃，保温时间为7.8小时，其硬度控制在小于HB120，控制甲醇流量27ml/min，煤气流量0.13Nm3/h，以防止表面渗碳；二次软化退火：退火温度为675℃，时间6h,加醇流量23 ml/min，煤气流量0.13 Nm3/h。
本发明人经过多次试验发现C含量过高，冷成形性能将降低；太低则无法满足零件机械性能的要求，因此定为0.478～0.526%。
Si能强化铁素体，促使冷成形性能降低，材料延伸率下降，定为0.11～0.13%。
Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，加入Mn的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，但锰量增高，钢的抗腐蚀能力减弱，焊接性能降低，定为Mn 0.35～0.39%。
S.P为杂质元素，它们的存在会沿晶界产生偏析，导致晶界脆化，损害钢材的机械性能，应尽可能降低，定为P ≤0.018%，S ≤0.002%。
B元素虽然具有显著提高钢材渗透性等作用，但同时会导致钢材脆性增加。含硼量过高，对螺栓，螺钉和螺柱这类需要良好综合机械性能的工件是十分不利的，定为B≤0.004%。
Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性，定为Cr 1.6～2.1%。
Mo：钼能使钢的晶粒细化，加适量的Mo可以提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，定为Mo 0.27～0.29%。
V是钢的优良脱氧剂，钢中加适量的V可细化组织晶粒，提高强度和韧性，定为V 0.23～0.25%。
Cu能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，定为Cu 0.21-0.22%。
Nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降，定为Nb 0.0003-0.0006%。
钢中加少量Zr，使钢中粗大的硅酸盐夹杂变质为较细小的氧化物夹杂，钢的韧性损失小，Zr含量合适时，在加热时，析出细小的ZrC,阻止了晶粒长大，钢的韧性得到提高。因此，本发明中添加的Zr为0.003-0.005%。
Ti可提高钢的屈服强度，本发明人经过多次试验确定Ti 0.003-0.005%。
本发明所述的高强度螺栓及其制备方法，完成了高强度下螺栓力学性能的保证问题，提高了螺栓使用寿命的同时，还能够耐磨损、耐疲劳，使使用过程的连接安全可靠，不易因折断等问题发生意外事故。
具体实施方式
实施例1
一种高强度螺栓，其特征在于，是加工钢板而成的螺栓，所述钢板其成分为(质量分数，%)：其主要化学成分为：C 0.478，Si 0.13，Mn 0.35，P 0.018，S 0.002，B 0.004, Cr 1.6，Mo 0.29，V 0.23，Cu0.22，Nb 0.0003, Zr 0.005, Ti 0.003, Pt 0.0058, Ir 0.006, Re 0.0018,其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例2
一种高强度螺栓，其特征在于，是加工钢板而成的螺栓，所述钢板其成分为(质量分数，%)：其主要化学成分为：C 0.526，Si 0.11，Mn 0.39，P 0.01，S 0.0015，B 0.0038, Cr 2.1，Mo 0.27，V 0.25，Cu 0.21，Nb 0.0006, Zr 0.003, Ti 0.005, Pt 0.005, Ir 0.0077, Re 0.001,其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例3
一种高强度螺栓，其特征在于，是加工钢板而成的螺栓，所述钢板其成分为(质量分数，%)：其主要化学成分为：C 0.5，Si 0.12，Mn 0.37，P 0.011，S 0.0013，B 0.0038, Cr 1.9，Mo 0.28，V 0.24，Cu 0.215，Nb 0.0004, Zr 0.004, Ti 0.004, Pt 0.0055, Ir 0.0069, Re 0.0014,其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例4
一种高强度螺栓，其特征在于，是加工钢板而成的螺栓，所述钢板其成分为(质量分数，%)：其主要化学成分为：C 0.48，Si 0.118，Mn 0.38，P 0.014，S 0.0015，B 0.0035, Cr 1.7，Mo 0.287，V 0.244，Cu 0.217，Nb 0.0005, Zr 0.0044, Ti 0.0043, Pt 0.0057, Ir 0.0073, Re 0.0017,其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例5
实施例1-4所述的高强度螺栓的加工方法，具体包括如下步骤：
（1） 备料：选用所述成分的钢板酸洗除锈，并按照螺栓的规格大小截取适当大小的圆柱形坯料；
（2） 软化退火：分为两次，具体为：一次软化退火：将坯料在钟罩炉内进行等温软化退火，软化退火温度为789℃，保温时间为7.8小时，其硬度控制在小于HB120，控制甲醇流量27ml/min，煤气流量0.13Nm3/h，以防止表面渗碳；二次软化退火：退火温度为675℃，时间6h,加醇流量23 ml/min，煤气流量0.13 Nm3/h；
（3） 冷锻成型：将退火后的圆柱形原料切断至螺栓所需长度，常温下放入模具型腔内，以镦锻力使之形成螺栓所需的头部和杆部尺寸；
（4） 螺纹加工：在室温下选用滚丝机进行螺纹成型；
（5） 热处理：在盐浴炉内对成型工件进行淬火，其温度控制在860℃，升温时间10min，保温时间30min，然后进行回火，回火温度为378℃，时间为72min，最后出炉后用油冷却，其冷却温度为65℃；
（6） 机械强化和表面处理：首先对经热处理的工件进行加热除油污，加热温度为340℃，保温时间为30min，自然冷却；其次工件经抛丸机进行表面的抛丸处理，处理完后经热水清理；最后工件在进行瓦斯与空气快速燃烧使螺栓表面快速氧化的发黑处理。
实施例6
根据实施例1-4所述的高强度螺栓，经实施例5所述的方法重复制备六批后，经检测其机械性能如表1所示：
表1 本发明所述高强度螺栓的机械性能
Claims (2)
1.一种高强度螺栓，其特征在于，是加工钢板而成的螺栓，所述钢板其成分为(质量分数，%)：其主要化学成分为：C 0.478～0.526，Si 0.11～0.13，Mn 0.35～0.39，P ≤0.018，S ≤0.002，B≤0.004, Cr 1.6～2.1，Mo 0.27～0.29，V 0.23～0.25，Cu 0.21-0.22，Nb 0.0003-0.0006, Zr 0.003-0.005, Ti 0.003-0.005, Pt 0.005-0.0058, Ir 0.006-0.0077, Re 0.001-0.0018,其余为Fe和不可避免的杂质，所述螺栓通过备料-软化退火-冷锻成型-螺纹加工-热处理-机械强化和表面处理来制备，具体步骤如下：
（1）备料：选用所述成分的钢板酸洗除锈，并按照螺栓的规格大小截取适当大小的圆柱形坯料；
（2）软化退火；
（3）冷锻成型：将退火后的圆柱形原料切断至螺栓所需长度，常温下放入模具型腔内，以镦锻力使之形成螺栓所需的头部和杆部尺寸；
（4）螺纹加工：在室温下选用滚丝机进行螺纹成型；
（5）热处理：在盐浴炉内对成型工件进行淬火，其温度控制在860℃，升温时间10min，保温时间30min，然后进行回火，回火温度为378℃，时间为72min，最后出炉后用油冷却，其冷却温度为65℃；
（6）机械强化和表面处理：首先对经热处理的工件进行加热除油污，加热温度为340℃，保温时间为30min，自然冷却；其次工件经抛丸机进行表面的抛丸处理，处理完后经热水清理；最后工件在进行瓦斯与空气快速燃烧使螺栓表面快速氧化的发黑处理。
2.根据权利要求1所述的高强度螺栓，其特征在于，步骤（2）所述软化退火分为两次，具体为：一次软化退火：将坯料在钟罩炉内进行等温软化退火，软化退火温度为789℃，保温时间为7.8小时，其硬度控制在小于HB120，控制甲醇流量27ml/min，煤气流量0.13Nm3/h，以防止表面渗碳；二次软化退火：退火温度为675℃，时间6h,加醇流量23 ml/min，煤气流量0.13 Nm3/h。
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