CN103805864A

CN103805864A - 一种螺栓钢及其制备方法

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Publication number: CN103805864A
Application number: CN201410092685.7A
Authority: CN
Inventors: 陈荣柱; 陈新; 赵深; 龚列谦; 林群; 陈建胜; 潘世奇; 陈植; 朱全军; 张晓敏; 陈显辉; 雷欢; 林琳; 李矗; 郑克; 李勇; 李武; 聂京凯; 肖伟民; 黄锐
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Wenzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Wenzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN103805864B

Abstract

本发明提供了一种螺栓钢，其包括：0.05wt%～2.5wt%的钇、0.25wt%～0.4wt%的碳、0.8wt%～1.6wt%的铬、0.17wt%～0.37wt%的硅、0.4wt%～0.6wt%的钼、0.2wt%～0.4wt%的钒、0～0.01wt%的钛与余量的铁。本申请所述螺栓钢中通过添加钇、铬、硅、碳、钒、钛与铁等元素，上述金属元素相互作用，相互配合，使螺栓钢具有较高的强度与塑性。本申请还提供了所述螺栓钢的制备方法。本发明的螺栓钢抗拉性能与塑性较高，能够有效抵抗强风作用造成的电力避雷器设备关键区域的变形，优化设备固有频率，改善设备整体的抗风振能力。

Description

一种螺栓钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属领域，尤其涉及一种螺栓钢及其制备方法。

背景技术

近年来，台风等强风灾害频繁袭击我国东南沿海地区，造成输变电设备的大量损坏，严重影响了电网的安全运行。由于东南沿海地区属我国经济发达地区，电力负荷集中，而强风灾害通常造成当地不可估量的社会损失和经济损失。变电站内的高压电力避雷器是电力系统供电的重要设备，其具有较低的固有频率，部分低阶固有频率接近台风等强脉动风的主要频率范围。在强脉动风激励作用下，该设备会发生风致振动，引发设备不同区域的应力集中。当这种激励作用导致设备共振发生时，可能造成设备应力集中区域的断裂和失效。

电力避雷器设备的螺栓一般设置于设备应力集中区域，发挥支撑、固定和连接作用。当风致振动引发设备应力集中时，螺栓通常会受到牵拉应力和弯曲应力作用而发生变形。同时，由于螺栓的支撑作用，其变形还会引发上部瓷柱的弯曲变形，上述一系列的变形易于导致整个设备在强风中失效。

近年来，通过实践发现，在合金钢中添加稀土元素能够有效提高合金钢的力学性能，并在不同程度上提高材料的各项性能指标，当稀土元素成分与合金钢组分分别进行适当的成分调制，并进行共混优化后，就可能使材料性能达到最优化。因此，目前在电力避雷器抗风领域，开展对避雷器设备专用的螺栓合金钢进行成分优化和性能改进具有重要意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种具有较高强度与塑性的螺栓钢及其制备方法。

有鉴于此，本申请提供了一种螺栓钢，包括：

余量的Fe。

优选的，所述Y的含量为0.25wt%～2.0wt%。

优选的，所述Cr的含量为1.0wt%～1.4wt%。

优选的，所述Si的含量为0.20wt%～0.32wt%。

优选的，所述V的含量为0.25wt%～0.38wt%。

本申请还提供了一种螺栓钢的制备方法，包括以下步骤：

1）铸造如下成分的螺栓钢锭：0.05wt%～2.5wt%的钇、0.25wt%～0.4wt%的碳、0.8wt%～1.6wt%的铬、0.17wt%～0.37wt%的硅、0.4wt%～0.6wt%的钼、0.2wt%～0.4wt%的钒、0～0.01wt%的钛与余量的铁；

2）将所述螺栓钢锭进行锻造，将锻造后的螺栓钢锭进行退火处理；

3）将步骤2）得到的螺栓钢锭进行淬火处理，将淬火处理后的螺栓钢进行回火处理，得到螺栓钢。

优选的，步骤1）具体为：

配制如下成分的原料：0.05wt%～2.5wt%的钇、0.25wt%～0.4wt%的碳、0.8wt%～1.6wt%的铬、0.17wt%～0.37wt%的硅、0.4wt%～0.6wt%的钼、0.2wt%～0.4wt%的钒、0～0.01wt%的钛与余量的铁；

按照上述原料的含量，将碳、铬、硅、钼、钒、钛与铁在1500℃～1600℃熔炼40min～45min，保温15min～25min后得到初始螺栓钢锭；

将所述初始螺栓钢锭进行重熔，再添加钇，然后浇铸，得到螺栓钢锭。

优选的，所述退火的温度为650℃～700℃，所述退火的保温时间为2～3h。

优选的，所述淬火的温度为800℃～900℃，所述淬火的保温时间为1h～2h。

优选的，所述回火的温度为500℃～600℃，所述回火的保温时间为1h～2h。

本申请提供了一种螺栓钢，其包括：0.05wt%～2.5wt%的钇、0.25wt%～0.4wt%的碳、0.8wt%～1.6wt%的铬、0.17wt%～0.37wt%的硅、0.4wt%～0.6wt%的钼、0.2wt%～0.4wt%的钒、0～0.01wt%的钛与余量的铁。本申请的螺栓钢中添加的活性元素钇能够有效细化螺栓钢的晶粒组织，减少钢中氢含量和氢的扩散渗透，降低有害元素在晶界上的偏聚，改善钢的强度；添加的铬元素可有效改善材料的抗氧化和抗腐蚀能力，提高材料的淬透性以增加强度；添加钼元素可强化材料的晶界、提高材料淬透性、增强回火稳定性、改善材料的强韧性，本申请所述螺栓钢中还添加了碳、钒、钛与铁等元素，上述金属元素通过相互作用、相互配合，使螺栓钢具有较高的强度与塑性，从而为电力避雷设备提供较强的支撑、固定与连接作用，有效抵抗了避雷器设备在强风下发生的设备应力集中和风致偏移行为，保护设备的安全运行。

本申请还提供了一种螺栓钢的制备方法。在制备螺栓钢的过程中，本申请首先制备了螺栓钢锭，再将螺栓钢锭进行锻造，以使螺栓钢锭的晶粒充分破碎，为获得晶粒细小均匀的组织做准备；而将锻造后的螺栓钢锭进行退火处理，消除了锻造过程中产生的应力；最后将退火后的螺栓钢锭进行淬火处理与回火处理，从而得到了晶粒细小均匀的马氏体和部分奥氏体组织，有效的提高了材料的强度与塑性。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种螺栓钢，包括：

余量的Fe。

钇（Y）是一种稀土元素，本申请在螺栓钢中添加Y，其作为活性元素能够有效细化螺栓钢的晶粒组织，减少钢中氢含量和氢的扩散渗透，降低氢、硫和其他有害元素在晶界上的偏聚，改善钢的强度、刚度与塑性。本申请中所述钇的含量为0.05wt%～2.5wt%，在此范围内，钢中针状铁素体数量增加，先析铁素体数量减小，当Y含量达到0.25wt%～2.0wt%范围后，钢中的马氏体和奥氏体组织明显增多，力学性能得到优化。当Y的含量小于0.05wt%时，其产生的作用效果会由于其成分含量较少而受到限制，影响材料的抗风性能；其含量超过2.5wt%时，材料组织中含Y的金属夹杂物增大、增多，对材料性能的影响使其逐渐不能满足电力避雷器的抗风要求。所述钇的含量优选为0.25wt%～2.0wt%，更优选为0.28wt%～1.7wt%，最优选为0.45wt%～1.5wt%，最优选为0.8wt%～1.0wt%。

碳（C）作为本申请的添加元素可以提高材料的强度、硬度和淬透性。若C的含量小于0.25wt%，则螺栓钢具有较好的韧塑性，但强度、硬度和淬透性会受到一定限制；若C含量大于0.4wt%，材料的韧性、塑性大大降低，容易发生脆性断裂，因而C含量宜控制在0.25wt%～0.4wt%。所述C的含量优选为0.27wt%～0.38wt%，更优选为0.30wt%～0.35wt%。

铬（Cr）元素添加到螺栓钢中可有效改善材料的抗氧化和抗腐蚀能力，提高材料的淬透性以增加材料的强度。所述Cr的含量小于0.8wt%难于起到上述作用，含量高于1.6wt%则会降低材料韧性，因而Cr的含量需要控制在0.8wt%～1.6wt%。所述Cr的含量优选为1.0wt%～1.4wt%，更优选为1.2wt%～1.35wt%。

硅（Si）元素是材料的良好脱氧剂，螺栓钢中添加Si可提高螺栓钢的固溶体强度，有利于增加材料的回火稳定性。若硅的含量高于0.37wt%则会降低材料的塑性，含量低于0.17wt%会降低其脱氧剂和固溶强化的作用，所述硅的含量控制在0.17wt%～0.37wt%才能具有最好的效果。所述硅的含量优选为0.20wt%～0.32wt%，更优选为0.23wt%～0.30wt%，最优选为0.25wt%～0.28wt%。

钼（Mo）元素具有强化材料晶界、提高材料淬透性、增强回火稳定性、改善材料强韧性的作用。若钼的含量低于0.4wt%，难于达到上述作用；若钼含量高于0.6wt%，增加螺栓钢的成本且性能无法实现最佳经济性，因而钼的含量控制在0.4wt%～0.6wt%在螺栓钢中才能发挥较好的效果。所述钼的含量优选为0.45wt%～0.55wt%，更优选为0.48wt%～0.52wt%。

钒（V）元素可有效抑制氢的扩散，细化晶粒，提高材料的力学性能。若V的含量低于0.2wt%，难于发挥上述作用；若其高于0.4wt%，其对材料组织的作用不再随含量增加而上升，反而会影响材料的力学性能。因而所述钒的含量宜控制在0.2wt%～0.4wt%。所述钒的含量优选为0.25wt%～0.38wt%，更优选为0.28wt%～0.35wt%，最优选为0.30wt%～0.32wt%。

钛（Ti）元素可提高材料的弥散析出强化能力并有效细化晶粒组织，防止氢的扩散，其含量过高则无法起到上述效果，还会使经济性大打折扣。因而其成分宜控制在0～0.01wt%范围内。所述钛的含量优选为0.002wt%～0.008wt%，更优选为0.005wt%～0.007wt%。

本申请提供的螺栓钢，其包括：0.05wt%～2.5wt%的钇、0.25wt%～0.4wt%的碳、0.8wt%～1.6wt%的铬、0.17wt%～0.37wt%的硅、0.4wt%～0.6wt%的钼、0.2wt%～0.4wt%的钒、0～0.01wt%的钛与余量的铁。本申请的螺栓钢中添加的活性元素钇能够有效细化螺栓钢的晶粒组织，减少钢中氢含量和氢的扩散渗透，降低有害元素在晶界上的偏聚，改善钢的强度；添加的铬元素可有效改善材料的抗氧化和抗腐蚀能力，提高材料的淬透性以增加强度；添加钼元素可强化材料的晶界、提高材料淬透性、增强回火稳定性、改善材料的强韧性，本申请所述螺栓钢中还添加了碳、钒、钛与铁等元素，上述金属元素通过相互作用，相互配合，使螺栓钢具有较高的强度与塑性。

本申请还提供了上述螺栓钢的制备方法，包括以下步骤：

在制备螺栓钢的过程中，本申请先铸造了螺栓钢锭，再将制备的螺栓钢锭进行锻造，以使螺栓锭的内部组织充分破碎，而锻造后的退火处理是消除锻造过程中的残余应力，为获得均匀细小的内部晶粒做准备；最后将退火后的螺栓钢进行淬火处理与回火处理，以获得内部晶粒均匀细小的马氏体和部分奥氏体组织，从而提高螺栓钢的强度与塑性。

按照本发明，在制备螺栓钢的过程中，首先准备螺栓钢锭，本申请在螺栓钢中添加了稀土元素钇，由于钇是活性成分，在铸造的过程中若添加的过早，可能会造成钇的损耗，因此本申请优选将活性成分钇后续添加。作为优选方案，所述螺栓钢锭的制备过程具体为：

在上述制备螺栓钢锭的过程中，所述熔炼的过程为本领域技术人员熟知的方式，优选在真空感应炉中进行。

在螺栓钢锭制备之后，本申请将所述螺栓钢锭进行锻造，以消除铸造过程中产生的组织缺陷，并通过锻造过程使螺栓钢锭的粗大晶粒充分破碎，能够获得细小的内部晶粒。所述锻造过程为本领域技术人员熟知的方式。在1150℃对钢锭进行热轧处理，获得热轧棒后，在900℃～1030℃范围内进行锻造，即在平锻机上进行螺栓的热镦滚压成型，保证金属流线沿零件成连续状，且纤维流线完整。将锻造后的螺栓钢缓慢冷却后进行退火，所述退火能够消除锻造过程中的残余应力，为后续热处理做准备。所述退火的温度优选为650℃～700℃，所述退火的保温时间优选为2～3h。

按照本发明，所述螺栓钢锭经过退火处理后，则将其进行淬火，所述淬火的温度优选为800℃～900℃，所述淬火的保温时间优选为1h～2h；最后将淬火后的螺栓钢锭进行回火处理，所述回火处理的温度优选为500℃～600℃，所述回火的时间优选为1～2h。本申请所述螺栓钢锭经过淬火处理与回火处理后，得到了晶粒均匀细小的内部组织。所述螺栓钢经过回火处理后，得到了马氏体和部分奥氏体组织。

本发明利用螺栓钢的元素、元素含量和制备方法使得螺栓材料具有较高的抗拉强度与塑性，从而为电力避雷器设备提供较强的支撑、固定和连接作用，有效抵抗避雷器设备在强风下发生的设备应力集中和风致偏移行为，保护设备的安全运行；本发明提供的螺栓钢材料成分，贵金属含量较少，力学性能较高，具有优良的性价比。同时，材料的制备工艺简单，应用方便，便于大规模推广。本发明提高了材料的强度与刚度，从而可以在一定程度上改变避雷器设备的固有频率，避免结构在强风激励作用下发生共振，降低设备结构的振动幅值，为电力避雷器设备的正常运行提供有力保障。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的螺栓钢及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

本实施例螺栓钢的成分重量百分比如下：0.25%的Y、0.35%的C、1.2%的Cr、0.25%的Si、0.5%的Mo、0.3%的V、0.008%的Ti，其余成分为Fe。

螺栓钢的制备方法具体为：1）按照上述重量百分比进行配料；2）利用真空感应炉在1560℃熔炼40min，保温25min，取样浇铸，制备合金钢；3）将所制备的合金钢重熔，添加Y成分，浇铸形成钢锭；4）对步骤3）得到的钢锭在1150℃进行热轧处理，获得热轧棒后，在900℃进行锻造，将锻造后的钢锭缓慢冷却到室温再退火，退火温度在650℃，保温时间为2小时；5）对步骤4）得到的材料在820℃淬火，淬火的时间为1h，然后在500℃进行回火处理，回火时间60min，空冷至室温，得到螺栓钢。对本实施例制备的螺栓钢进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1实施例1制备的螺栓钢的性能数据表

性能指标	抗拉强度（MPa）	延伸率（%）
			性能数值	1090	12.5

实施例2

本实施例螺栓钢的成分重量百分比如下：1.0%的Y、0.4%的C、1.6%的Cr、0.32%的Si、0.6%的Mo、0.28%的V、0.005%的Ti，其余成分为Fe。

螺栓钢的制备方法具体为：1）按照上述重量百分比进行配料；2）利用真空感应炉在1540℃熔炼40min，保温20min，取样浇铸，制备合金钢；3）将所制备合金钢重熔，添加Y成分，浇铸形成钢锭；4）对步骤3）得到的钢锭在1150℃进行热轧处理，获得热轧棒后，在1000℃进行锻造，将锻造后的钢锭缓慢冷却到室温再退火，退火温度在680℃，保温时间为2.5小时；5）将步骤4）得到的材料在830℃进行淬火，淬火的保温时间为70min，然后在520℃进行回火处理，回火时间70min，空冷至室温，得到螺栓钢。对本实施例制备的螺栓钢进行性能测试，测试结果如表2所示。

表2本实施例制备的螺栓钢的性能数据表

性能指标	抗拉强度（MPa）	延伸率（%）
			性能数值	1120	12.9

实施例3

本实施例螺栓钢的成分重量百分比如下：0.08%的Y、0.30%的C、1.0%的Cr、0.20%的Si、0.45%的Mo、0.35%的V、0.002%的Ti，其余成分为Fe。

螺栓钢的制备方法具体为：1）按照上述重量百分比进行配料；2）利用真空感应炉在1550℃熔炼45min，保温25min，取样浇铸，制备合金钢；3）将所制备合金钢重熔，添加Y成分，浇铸形成钢锭；4）对钢锭在1150℃进行热轧处理，获得热轧棒后，在1030℃进行锻造，将锻造后的钢锭缓慢冷却到室温再退火，退火温度在700℃，保温时间为3小时；5）将步骤4）得到的材料在800℃进行淬火，淬火的时间为，然后在550℃进行回火处理，回火时间80min，空冷至室温，得到螺栓钢。对本实施例制备的螺栓钢进行性能测试，测试结果如表3所示。

表3本实施例制备的螺栓钢的性能数据表

性能指标	抗拉强度（MPa）	延伸率（%）
			性能数值	1150	13.0

实施例4

本实施例螺栓钢的成分重量百分比如下：2.5%的Y、0.28%的C、0.8%的Cr、0.17%的Si、0.4%的Mo、0.25%的V、0.004%的Ti，其余成分为Fe。

螺栓钢的制备方法具体为：1）按照上述重量百分比进行配料；2）利用真空感应炉在1540℃熔炼40min，保温20min，取样浇铸，制备合金钢；3）将所制备合金钢重熔，添加Y成分，浇铸形成钢锭；4）对钢锭在1150℃进行热轧处理，获得热轧棒后，在950℃进行锻造，将锻造后的钢锭缓慢冷却到室温再退火，退火温度在680℃，保温时间为2.5小时；5）将步骤4）得到的材料在830℃进行淬火，淬火的时间为，然后在520℃进行回火处理，回火时间70min，空冷至室温，得到螺栓钢。对本实施例制备的螺栓钢进行性能测试，测试结果如表4所示。

表4本实施例制备的螺栓钢的性能数据表

性能指标	抗拉强度（MPa）	延伸率（%）
			性能数值	1180	13.1

实施例5

本实施例中制备螺栓钢的过程与实施例1相同，区别在于：本实施例螺栓钢的成分重量百分比如下：1.5%的Y、0.32%的C、1.0%的Cr、0.35%的Si、0.50%的Mo、0.22%的V、0.01%的Ti，其余成分为Fe。对本实施例制备的螺栓钢进行性能测试，测试结果如表5所示。

表5本实施例制备的螺栓钢的性能数据表

性能指标	抗拉强度（MPa）	延伸率（%）
			性能数值	1210	13.3

实施例6

本实施例中制备螺栓钢的过程与实施例1相同，区别在于：本实施例螺栓钢的成分重量百分比如下：2.0%的Y、0.33%的C、0.9%的Cr、0.37%的Si、0.50%的Mo、0.40%的V、0.004%的Ti，其余成分为Fe。对本实施例制备的螺栓钢进行性能测试，测试结果如表6所示。

表6本实施例制备的螺栓钢的性能数据表

性能指标	抗拉强度（MPa）	延伸率（%）
			性能数值	1200	13.5

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种螺栓钢，包括：

余量的Fe。

2.根据权利要求1所述的螺栓钢，其特征在于，所述Y的含量为0.25wt%～2.0wt%。

3.根据权利要求1所述的螺栓钢，其特征在于，所述Cr的含量为1.0wt%～1.4wt%。

4.根据权利要求1所述的螺栓钢，其特征在于，所述Si的含量为0.20wt%～0.32wt%。

5.根据权利要求1所述的螺栓钢，其特征在于，所述V的含量为0.25wt%～0.38wt%。

6.一种螺栓钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1）具体为：

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为650℃～700℃，所述退火的保温时间为2～3h。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述淬火的温度为800℃～900℃，所述淬火的保温时间为1h～2h。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述回火的温度为500℃～600℃，所述回火的保温时间为1h～2h。