CN104152780A - 一种超高强度紧固连接件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种超高强度紧固连接件，采用镍钴基合金为基体，其化学组成包括C：≤0.025％，Mn：≤0.15％，Si：≤0.15％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Cr：19.0％～21.0％，Ni：33.0％～37.0％，Mo：9.0％～10.5％，Fe：≤1.0％，Ti：≤1.0％，B：≤0.05％，Al：≤2.0％，Zr：≤2.0％，O：≤0.05％，N：≤0.05％，其余为Co和不可避免的杂质。本发明创造的紧固连接件能够满足超过1800MPa甚至更高的抗拉强度的要求，同时具有优良的综合性能。

Description

一种超高强度紧固连接件及其制备方法

技术领域

本发明创造涉及金属材料领域，特别涉及一种超高强度镍钴基合金紧固连接件。

背景技术

目前，国内高端紧固连接件抗拉强度普遍在1100MPa～1300MPa之间，超过1500MPa的紧固连接件已较少，而超过1800MPa的紧固连接件极少有使用。超高强度紧固件具有以下优点：一是可以减少紧固件的用量，二是可以减小紧固件的规格，这两个优点对于型号减重和节约空间是很有优势的，尤其是在航空和航天领域。另外，当紧固连接件强度过高时，势必会损失很多的塑性，同时，对于很多金属结构紧固连接件，超高强度往往会带来氢脆的风险，这也是高强度紧固件在应用上的一些局限性。随着工业技术的发展，各类产品，包括紧固连接件的工作环境也更加恶劣，许多是在腐蚀性环境或在海洋环境工作，这类零件一般需要通过复杂的表面处理来达到耐腐蚀的效果，但即使经过表面处理，在腐蚀环境中工作的时间也较短，每工作一段时间都需要拆卸和更换，一些耐蚀性较好的产品强度却较低。。

在此背景下，需要一种紧固连接件能够满足超过1800MPa甚至更高的抗拉强度的要求，同时具有优良的塑性、韧性、极佳的耐蚀性且无氢脆的性能特点，可以使用在各种需要承受复杂载荷、高载以及腐蚀性环境中。

发明内容

为解决上述问题，本发明创造采用的技术方案是，一种超高强度紧固连接件，基体为镍钴基合金，以质量分数计，其成分包括：C：≤0.025％，Mn：≤0.15％，Si：≤0.15％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Cr：19.0％～21.0％，Ni：33.0％～37.0％，Mo：9.0％～10.5％，Fe：≤1.0％，Ti：≤1.0％，B：≤0.05％，Al：≤2.0％，Zr：≤2.0％，O：≤0.05％，N：≤0.05％，其余为Co和不可避免的杂质。

其中，Al、Ti、Zr的总量不超过4.0％，C、B、O、N的总量不超过0.1％。

所述超高强度紧固连接件的基体结构为具有面心立方的FCC加密排六方的HCP组织，其中，密排六方的HCP组织在面心立方FCC组织的[111]晶面上分布，密排六方HCP组织的体积分数约为紧固连接件的20％～50％。

所述超高强度紧固连接件是通过对原料棒材经固溶处理后进行冷拉处理，使固溶后的原料棒材横截面积减小45％～60％而得到的。

进一步，所述冷拉处理的过程中，优选为使固溶后的原料棒材横截面积减小45％～55％。

进一步，所述固溶处理包括将原料棒材在1000～1100℃保温4～8h的过程，优选的固溶处理保温温度范围为1020～1080℃。

进一步，在冷拉处理后，还包括对原料棒材进行断料、粗加工、以及时效处理的过程。

所述时效处理包括将粗加工后获得的半成品在500～700℃保温3～6h的过程，优选的时效温度为550～650℃。

具体的，本发明创造还提供了一种所述超高强度紧固连接件的制备方法，包括如下步骤：(1)固溶处理：对原料棒材在1000～1100℃保温4～8h，然后空冷至室温；(2)冷拉处理：固溶后对原料棒材进行冷拉使横截面积减小45％～60％；(3)对棒料经断料和粗加工获得半成品；(4)时效处理：在500～700℃保温3～6h，然后空冷至室温。

优选的，所述步骤(1)中固溶处理的温度为1020～1080℃，所述步骤(2)中冷拉处理的横截面积减小45％～55％，所述步骤(4)中时效处理温度为550～650℃。

所述时效处理步骤完成后，对获得的半成品进行进一步深加工，头部采用镦制，螺纹进行滚压成型，最终获得超高强度紧固连接件终产品。

所述原料棒材为经正常冶金工艺生产获得的符合本发明创造所需各成分含量要求的合金棒材，即将符合纯度要求的镍、钴、钼和铬按合金成品比例首先加入熔炉中进行熔炼，然后再按比例加入符合纯度要求的钼和铬，随后使用含碳和硅的化合物进行脱氧，钼和铬也可以以铁-钼合金或铁-铬合金的方式加入，但铁含量不得超过本发明创造所限定的比例，熔炼后的合金浇铸成锭，再经过变形加工，最后冷轧成本发明创造所需的原料棒材。所述原料棒材可以自行生产，也可以直接从钢厂定制或购置。

本发明创造所述的超高强度镍钴基合金材料具有极其优良的综合性能：抗拉强度σ_b＞1800MPa，在控制制备条件的情况下，抗拉强度能够满足σ_b＞1850MPa；屈服强度σ_0.2(以0.2％塑性延伸率时的强度为屈服强度)＞1800MPa；屈强比(屈服强度和抗拉强度的比值)＞0.97；抗剪强度τ＞900MPa；断裂伸长率(材料承受轴向足够大的拉伸力被拉断时时，其断裂后的伸长率)δ＞12％；断面收缩率(材料承受足够大的拉伸力被拉断时，其光滑部位断后的断面收缩率)ψ＞55％；在5％浓度的NaCl盐水生成的盐雾环境中，可以保证1000h不发生腐蚀；在10％NaCl+HCl(pH＝2)条件下，年腐蚀深度为0.00mm；无需进行表面处理且无氢脆现象，使用寿命长，能够在各种需要承受复杂载荷、高载以及腐蚀性环境中使用。

具体实施方式

下面以结合具体实施例对本发明创造进行进一步说明。

实施例1-3

将成分含量分别为表1中所述组成1、组成2和组成3的原料棒材在1040℃×4h固溶，气冷；进行横截面积减小50％的冷拉；断料、粗加工后按600℃×4h时效，气冷；进行头部采用镦制，螺纹进行滚压成型深加工，获得超高强度紧固连接件终产品。

对比例1-3

将成分含量分别为表1中所述组成1、组成2和组成3的原料棒材在1040℃×4h固溶，气冷；进行横截面积减小40％的冷拉；断料、粗加工后按600℃×4h时效，气冷；进行头部采用镦制，螺纹进行滚压成型深加工，获得超高强度紧固连接件终产品。

从各批次的实施例和对比例获得的产品进行各项力学性能的测试，每项测试各取10件样品，测试结果取平均值列于表2中。另外，对各批次的实施例和对比例获得的产品在5％浓度的NaCl盐水生成的盐雾环境中存放1000h，均未发生腐蚀；在10％NaCl+HCl(pH＝2)条件下存放一年，腐蚀深度均为0.00mm。

表1 原料棒材的组成成分

表2 紧固连接件力学性能

Claims (10)

1.一种超高强度紧固连接件，基体为镍钴基合金，以质量分数计，其成分包括：C：≤0.025％，Mn：≤0.15％，Si：≤0.15％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Cr：19.0％～21.0％，Ni：33.0％～37.0％，Mo：9.0％～10.5％，Fe：≤1.0％，Ti：≤1.0％，B：≤0.05％，Al：≤2.0％，Zr：≤2.0％，O：≤0.05％，N：≤0.05％，其余为Co和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种超高强度紧固连接件，其特征在于：Al、Ti、Zr的总量不超过4.0％，C、B、O、N的总量不超过0.1％。

3.根据权利要求1或2所述的一种超高强度紧固连接件，其特征在于：超高强度紧固连接件基体为具有面心立方的FCC加密排六方的HCP组织，其中，密排六方的HCP组织在面心立方FCC组织的[111]晶面上分布，密排六方HCP组织的体积分数约为紧固连接件的20％～50％。

4.根据权利要求1或2所述的一种超高强度紧固连接件，其特征在于：所述超高强度紧固连接件是通过对原料棒材经固溶处理后进行冷拉处理，使固溶后的原料棒材横截面积减小45％～60％而得到的。

5.一种超高强度紧固连接件的制备方法，其特征在于：

采用包含如下成分的镍钴基合金基体：C：≤0.025％，Mn：≤0.15％，Si：≤0.15％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Cr：19.0％～21.0％，Ni：33.0％～37.0％，Mo：9.0％～10.5％，Fe：≤1.0％，Ti：≤1.0％，B：≤0.05％，Al：≤2.0％，Zr：≤2.0％，O：≤0.05％，N：≤0.05％，其余为Co和不可避免的杂质。

6.根据权利要求5所述的一种超高强度紧固连接件的制备方法，其特征在于：所述镍钴基合金基体中Al、Ti、Zr的总量不超过4.0％，C、B、O、N的总量不超过0.1％。

7.根据权利要求5或6所述的一种超高强度紧固连接件的制备方法，其特征在于：包括对原料棒材进行固溶处理，以及固溶处理后进行冷拉处理，使固溶后的原料棒材横截面积减小45％～60％的步骤。

8.根据权利要求7所述的一种超高强度紧固连接件的制备方法，其特征在于：所述固溶处理包括将原料棒材在1000～1100℃保温4～8h的过程，优选为在1020～1080℃保温4～8h。

9.根据权利要求7所述的一种超高强度紧固连接件的制备方法，其特征在于：还包括在冷拉处理后，对原料棒材进行断料、粗加工、以及时效处理的过程。

10.根据权利要求9所述的一种超高强度紧固连接件的制备方法，其特征在于：所述时效处理包括将粗加工后获得的半成品在500～700℃保温3～6h的过程，优选的时效温度为550～650℃。