CN105369156A

CN105369156A - 一种螺钉的制备方法

Info

Publication number: CN105369156A
Application number: CN201510795413.8A
Authority: CN
Inventors: 任鹏坤
Original assignee: Ningbo Ruier Auto Parts Co Ltd
Current assignee: Ningbo Ruier Auto Parts Co Ltd
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2016-03-02

Abstract

本发明涉及一种紧固件的制备方法，具体涉及一种螺钉的制备方法，属于合金材料的加工领域。所述的制备方法包括：将钢材依次进行正火处理、机械加工、热处理得螺钉坯件；所述的热处理包括渗碳处理和回火处理，所述的渗碳处理为先升温至890-910℃，保温70-90min，再降至880-900℃，保温30-50min，然后降至820-840℃，保温20-40min，最后空冷至室温；所述回火处理的温度为150-180℃，回火处理的时间为100-140min；将螺钉坯件依次进行除油除锈、活化处理、发黑处理、钝化处理，即可制得螺钉成品。该螺钉合金钢经渗碳处理后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性和良好的加工性，再经表面的发黑处理，进一步提高了螺钉的机械性能，螺钉硬度HRC达58-63，层深0.7-1.0，大大延长了使用寿命。

Description

一种螺钉的制备方法

技术领域

本发明涉及一种紧固件的制备方法，具体涉及一种螺钉的制备方法，属于合金材料的加工领域。

背景技术

紧固件在市场上也称为标准件，是将两个或两个以上的零件(或构件)紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称。它的特点是品种规格繁多，性能用途各异，而且标准化、系列化、通用化的程度极高。紧固件是应用最广泛的机械基础件，需求量很大。常用的紧固件包括螺栓、螺钉等。

螺丝，是前端有尖头的那种，螺距较大，一般用于紧固木制件、塑料件，常见于机械，电器及建筑物等，一般为金属制造，呈圆筒形，表面刻有凹凸的沟，如一个环绕螺丝侧面的倾斜面，让螺丝可紧锁著螺丝帽或其他物件。螺丝的顶部直径较大，可呈圆形或等六边形，让工具如螺丝起子或扳手可转动螺丝。较突出的顶部亦令螺丝不会钻得太深入而穿过物料，及提高螺丝对物料的压力。

现有的螺钉都是采用整体金属结构，仍有很多问题存在，如质量重，用料成本高，耐磨性、硬度、防锈性能、耐腐蚀性能、耐高低温性能、脆性、韧性等一般，在很多场合还不能满足生产的要求，还需要进一步改进，以提高生产效率，降低成本，提高安全性，延长螺钉的使用寿命。

发明内容

本发明目的是为了提供一种机械性能较好、耐磨损、使用寿命久的螺钉。

本发明的上述目的可通过下列技术方案来实现：一种螺钉，所述的钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.15-0.20％，Si：0.12-0.18％，Mn：1.2-1.6％，Cr：1.30-1.60％，Ti：0.03-0.1％，Nb：0.1-0.2％，V：0.002-0.005％，Sc：0.02-0.10％，Ni：0.01-0.03％，B：0.005-0.20％，Tb：0.03-0.10％，Cu≤0.03％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。

本发明使用的钢中C含量为0.15-0.20％，是一种低碳钢，塑性和韧性较好，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，所以具有较高的低温冲击韧性良好的加工性，且加工变形微小，抗疲劳性能相当好。在本发明螺钉合金钢中，若碳含量过高，会导致钢的心部的韧性下降，所以本发明将C含量为0.15-0.20％，从而保证钢的心部有足够的塑性和韧性。

由于低碳钢的强度和硬度会相对较低，本发明适当增加了Mn的含量，以提高钢的强度和硬度。同时，本发明的钢中还同时含有Nb、Ti、V三种微量元素，与Mn元素起协同作用，共同提高钢的强度和硬度。因为，Nb、Ti、V三种微量元素不仅可以细化晶粒，还可以得到更高体积分数的弥散分布Nb(C，N)，(Nb、Ti)(C，N)，和V(C，N)析出颗粒，因此，可以同时起到细晶强化和弥散强化的作用。此外，Mn元素与还与钢中含有的Cr、Ni、B三种元素起协同作用，提高钢的淬透性，从而使钢经渗碳淬火后提高钢的心部的强度和韧性。所以，综合以上两点因素，本发明提高了Mn元素在钢中的含量，将Mn元素的含量控制在1.2-1.6％范围内。

另外，由于本发明的钢在后续需要进行渗碳处理，而渗碳处理后钢的组织粗化，力学性能也会随之下降。因此，针对此问题，本发明钢中添加有微量的稀土元素Sc和Tb，因为，经实验表明，钢在长时间加热渗碳热处理过程中，加稀土元素具有阻止晶粒长大和提高力学性能的作用，且效果非常显著，钢的渗碳层的弯曲强度，断裂韧性较高。而且，在钢中添加稀土元素，还可以提高钢的耐磨性，降低磨损量。

作为优选，所述的钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.16-0.18％，Si：0.13-0.16％，Mn：1.3-1.5％，Cr：1.50-1.60％，Ti：0.05-0.08％，Nb：0.12-0.16％，V：0.002-0.004％，Sc：0.03-0.08％，Ni：0.015-0.025％，B：0.008-0.15％，Tb：0.05-0.08％，Cu≤0.03％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。

本发明的另一个目的在于提供上述螺钉的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

称取如上述组成成分及其质量百分比的原料，制成钢材；

将钢材依次进行正火处理、机械加工、热处理得螺钉坯件；

将螺钉坯件依次进行除油除锈、活化处理、发黑处理、钝化处理，即可制得螺钉成品。

在上述螺钉的制备方法中，作为优选，所述的正火处理为等温正火处理，所述等温正火处理的温度为930-950℃，保温200-250min，正火处理完成出炉后用1.5KW排风扇降温。正火处理为等温正火处理，由于本发明螺钉合金钢中的碳含量较低，属于低碳钢，切削加工性不佳，而正火处理可以改善其切削加工性。所以本发明螺钉在成型后经过了正火处理，改善了钢材的显微组织、消除了残余应力，改善了切削加工性，为随后进行的机械加工做好准备。而且，本发明钢材采用的是等温正火处理，解决了普通正火处理时由于堆冷存在的堆内外及其它因素造成的冷却条件相差较大，而导致钢材局部由于冷速过快形成粒贝非平衡组织，而钢材一些部位由于冷速过慢析出过多先共析铁素体而太软的现象，从而可以获得均匀组织，将钢材的硬度控制在一定范围内，更利于后续机械加工的进行。

在上述螺钉的制备方法中，作为优选，所述的热处理包括渗碳处理和回火处理，所述的渗碳处理为先升温至890-910℃，保温70-90min，再降至880-900℃，保温30-50min，然后降至820-840℃，保温20-40min，最后空冷至室温；所述回火处理的温度为150-180℃，回火处理的时间为100-140min。由于本发明钢材的碳含量较低，属于低碳钢，所以使用本发明钢材制备得到的螺钉坯件先进行渗碳处理，使碳原子渗入到螺钉坯件的表面层，使螺钉坯件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和回火，使螺钉坯件表面层具有高硬度和耐磨性，而螺钉坯件的心部仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。本发明热处理中的渗碳处理通过三阶段不同温度下的淬火处理，先消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织，然后改善渗层组织，进一步提高螺钉的硬度和耐磨性。

在上述螺钉的制备方法中，作为优选，除油除锈处理的温度为30-50℃，处理时间为5-10min，所用的处理液为：硫脲2.5-3.5g/L，磷酸二氢钠3-8g/L，OP-105-12ml/L。本发明除油除锈处理简化了前处理操作，除油除锈效果好，螺钉表面光洁，无过蚀和氢脆现象。盐酸、硫酸酸基的清洗剂应用较为广泛，成本低，效率较高，但是酸洗残留的Cl^-、SO4^2-对螺钉的后腐蚀危害很大。本发明采用的磷酸酸基没有腐蚀物残留的隐患，更为环保、安全。

在上述螺钉的制备方法中，作为优选，活化处理采用的处理液为：硝酸120-160ml/L，40％的氢氟酸200-210ml/L。活化是去除发黑件表面氧化膜，使之裸露出活性表面，可明显提高发黑膜的均匀度和附着力。

在上述螺钉的制备方法中，作为优选，发黑处理所用的处理液为：CuSO₄1.5-2.0g/L，(NH₄)₆Mo₇O₂18-20g/L，Na₂S₂O₃3.0-3.6g/L，NiSO₄1.4-1.8g/，ZnCl₂3.2-3.5g/L。进一步优选，所述的发黑处理分两步进行，第一步，pH为1.2-1.6，处理时间为2-4min；第二步，pH为3.2-3.6，处理时间为4-8min，两步处理均在常温下进行。硫酸铜用量须严格控制，浓度低，膜层附着力差；过高则膜层泛铜色。硫代硫酸钠的浓度过高则不利于发黑液的存放。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明螺钉合金钢的组成成分及其质量百分比配伍合理，经渗碳处理后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性和良好的加工性，螺钉的心部仍然保持着韧性和塑性，再经表面的发黑处理，进一步提高了螺钉的强度、硬度、韧性、耐腐蚀性和耐磨性，使本发明螺钉机械性能较好，螺钉硬度HRC达58-63，层深0.7-1.0，大大延长了使用寿命。

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：本发明实施例1-5制备螺钉的钢的组成成分及其质量百分比

实施例1

分别称取如表1实施例1中组成成分及其质量百分比的原料，制成钢材。

将钢材先进行等温正火处理，等温正火处理的温度为950℃，保温200min，正火处理完成出炉后用1.5KW排风扇降温，然后机械加工成型，并进行热处理得螺钉坯件；热处理包括渗碳处理和回火处理，所述的渗碳处理为先升温至910℃，保温70min，再降至900℃，保温30min，然后降至840℃，保温20min，最后空冷至室温；所述回火处理的温度为180℃，回火处理的时间为100min。

将螺钉坯件依次进行除油除锈(除油除锈处理的温度为50℃，处理时间为5min，所用的处理液为：硫脲3.5g/L，磷酸二氢钠3g/L，OP-1012ml/L)、活化处理(活化处理采用的处理液为：硝酸120ml/L，40％的氢氟酸210ml/L)、发黑处理(第一步，pH为1.2，处理时间为4min；第二步，pH为3.2，处理时间为8min，两步处理均在常温下进行，发黑处理所用的处理液均为：CuSO₄1.5g/L，(NH₄)₆Mo₇O₂20g/L，Na₂S₂O₃3.0g/L，NiSO₄1.8g/，ZnCl₂3.2g/L)、普通钝化处理，即可制得螺钉成品。

实施例2

分别称取如表1实施例2中组成成分及其质量百分比的原料，制成钢材。

将钢材先进行等温正火处理，等温正火处理的温度为945℃，保温210min，正火处理完成出炉后用1.5KW排风扇降温，然后机械加工成型，并进行热处理得螺钉坯件；热处理包括渗碳处理和回火处理，所述的渗碳处理为先升温至895℃，保温85min，再降至885℃，保温45min，然后降至825℃，保温35min，最后空冷至室温；所述回火处理的温度为155℃，回火处理的时间为130min。

将螺钉坯件依次进行除油除锈(除油除锈处理的温度为35℃，处理时间为8min，所用的处理液为：硫脲2.8g/L，磷酸二氢钠7g/L，OP-106ml/L)、活化处理(活化处理采用的处理液为：硝酸150ml/L，40％的氢氟酸202ml/L)、发黑处理(第一步，pH为1.5，处理时间为3min；第二步，pH为3.5，处理时间为5min，两步处理均在常温下进行，发黑处理所用的处理液均为：CuSO₄1.8g/L，(NH₄)₆Mo₇O₂19g/L，Na₂S₂O₃3.3g/L，NiSO₄1.5g/，ZnCl₂3.4g/L)、普通钝化处理，即可制得螺钉成品。

实施例3

分别称取如表1实施例3中组成成分及其质量百分比的原料，制成钢材。

将钢材先进行等温正火处理，等温正火处理的温度为940℃，保温225min，正火处理完成出炉后用1.5KW排风扇降温，然后机械加工成型，并进行热处理得螺钉坯件；热处理包括渗碳处理和回火处理，所述的渗碳处理为先升温至900℃，保温80min，再降至890℃，保温40min，然后降至830℃，保温30min，最后空冷至室温；所述回火处理的温度为160℃，回火处理的时间为120min。

将螺钉坯件依次进行除油除锈(除油除锈处理的温度为40℃，处理时间为8min，所用的处理液为：硫脲3.0g/L，磷酸二氢钠6g/L，OP-108ml/L)、活化处理(活化处理采用的处理液为：硝酸140ml/L，40％的氢氟酸205ml/L)、发黑处理(第一步，pH为1.4，处理时间为3min；第二步，pH为3.4，处理时间为6min，两步处理均在常温下进行，发黑处理所用的处理液均为：CuSO₄1.8g/L，(NH₄)₆Mo₇O₂19g/L，Na₂S₂O₃3.3g/L，NiSO₄1.6g/，ZnCl₂3.3g/L)、普通钝化处理，即可制得螺钉成品。

实施例4

分别称取如表1实施例4中组成成分及其质量百分比的原料，制成钢材。

将钢材先进行等温正火处理，等温正火处理的温度为935℃，保温240min，正火处理完成出炉后用1.5KW排风扇降温，然后机械加工成型，并进行热处理得螺钉坯件；热处理包括渗碳处理和回火处理，所述的渗碳处理为先升温至905℃，保温75min，再降至895℃，保温35min，然后降至835℃，保温25min，最后空冷至室温；所述回火处理的温度为170℃，回火处理的时间为110min。

将螺钉坯件依次进行除油除锈(除油除锈处理的温度为45℃，处理时间为6min，所用的处理液为：硫脲3.2g/L，磷酸二氢钠4g/L，OP-1010ml/L)、活化处理(活化处理采用的处理液为：硝酸130ml/L，40％的氢氟酸208ml/L)、发黑处理(第一步，pH为1.3，处理时间为4min；第二步，pH为3.3，处理时间为7min，两步处理均在常温下进行，发黑处理所用的处理液均为：CuSO₄1.6g/L，(NH₄)₆Mo₇O₂20g/L，Na₂S₂O₃3.2g/L，NiSO₄1.7g/，ZnCl₂3.3g/L)、普通钝化处理，即可制得螺钉成品。

实施例5

分别称取如表1实施例5中组成成分及其质量百分比的原料，制成钢材。

将钢材先进行等温正火处理，等温正火处理的温度为930℃，保温250min，正火处理完成出炉后用1.5KW排风扇降温，然后机械加工成型，并进行热处理得螺钉坯件；热处理包括渗碳处理和回火处理，所述的渗碳处理为先升温至890℃，保温90min，再降至880℃，保温50min，然后降至820℃，保温40min，最后空冷至室温；所述回火处理的温度为150℃，回火处理的时间为140min。

将螺钉坯件依次进行除油除锈(除油除锈处理的温度为30℃，处理时间为10min，所用的处理液为：硫脲2.5g/L，磷酸二氢钠8g/L，OP-105ml/L)、活化处理(活化处理采用的处理液为：硝酸160ml/L，40％的氢氟酸200ml/L)、发黑处理(第一步，pH为1.6，处理时间为2min；第二步，pH为3.6，处理时间为4min，两步处理均在常温下进行，发黑处理所用的处理液均为：CuSO₄2.0g/L，(NH₄)₆Mo₇O₂18g/L，Na₂S₂O₃3.6g/L，NiSO₄1.4g/，ZnCl₂3.5g/L)、普通钝化处理，即可制得螺钉成品。

对比例1

对比例1的螺钉采用市售20CrMnTi低碳钢材料。

对比例2

对比例2与实施例3的区别仅在于，对比例2使用表1实施例3所述的钢材，通过现有技术中普通方法制得螺钉。

对比例3

对比例3与实施例3的区别仅在于，对比例3中正火处理采用的普通正火处理工艺。

对比例4

对比例4与实施例3的区别仅在于，对比例4中并未经过后续的除油除锈、活化处理、发黑处理、钝化处理。

将上述实施例1-5和对比例1-3制成的螺钉进行力学性能测试，测试结果如表2所示。

表2：实施例1-5和对比例1-3螺钉性能测试结果

从表2的测试结果可知，采用本发明组成成分及其质量百分比配伍而成的钢材，并运用本发明的制备方法制备而成的螺钉在性能上要优于采用普通钢材或者采用现有制备方法制备而成的螺钉的性能。

将本发明实施例和对比例制备得到的螺钉进行耐磨性和耐腐蚀性测试。

耐磨性测试采用磨耗试验机试验。经统计，在相同条件下，对比例制备得到的螺钉的磨耗量始终要高于实施例制备得到的螺钉的磨耗。且随着磨耗试验次数的增加，对比例螺钉和实施例螺钉的磨耗量的差值呈扩大走势。本发明的磨耗试验对螺钉摩擦从100次增加到3000次，对比例与实施例的磨耗量平均差值从1.25g扩大到12.7g。

耐腐蚀性测试采用湿热试验和盐雾腐蚀试验。经统计：在相同湿热试验条件下，本发明实施例制备得到的螺钉在1060h后均未出现腐蚀现象，而对比例制备得到的螺钉在1060h后均出现腐蚀现象，腐蚀时间最早的出现在860h。在相同盐雾试验条件下，本发明实施例制备得到的螺钉在60h后均未出现腐蚀现象，而对比例制备得到的螺钉在60h后均出现腐蚀现象，腐蚀时间最早的出现在42h。

由此可知，采用本发明组成成分及其质量百分比配伍而成的钢材，并运用本发明的制备方法制备而成的螺钉在耐磨性和耐腐蚀性方面也要优于采用普通钢材或者采用现有制备方法制备而成的螺钉的性能。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims

1.一种螺钉的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

将钢材依次进行正火处理、机械加工、热处理得螺钉坯件；所述的热处理包括渗碳处理和回火处理，所述的渗碳处理为先升温至890-910℃，保温70-90min，再降至880-900℃，保温30-50min，然后降至820-840℃，保温20-40min，最后空冷至室温；所述回火处理的温度为150-180℃，回火处理的时间为100-140min；

2.根据权利要求1所述的螺钉的制备方法，其特征在于，所述的钢材由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.15-0.20％，Si：0.12-0.18％，Mn：1.2-1.6％，Cr：1.30-1.60％，Ti：0.03-0.1％，Nb：0.1-0.2％，V：0.002-0.005％，Sc：0.02-0.10％，Ni：0.01-0.03％，B：0.005-0.20％，Tb：0.03-0.10％，Cu≤0.03％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求2所述的螺钉的制备方法，其特征在于，所述的钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.16-0.18％，Si：0.13-0.16％，Mn：1.3-1.5％，Cr：1.50-1.60％，Ti：0.05-0.08％，Nb：0.12-0.16％，V：0.002-0.004％，Sc：0.03-0.08％，Ni：0.015-0.025％，B：0.008-0.15％，Tb：0.05-0.08％，Cu≤0.03％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。

4.根据权利要求1所述的螺钉的制备方法，其特征在于，所述的正火处理为等温正火处理，所述等温正火处理的温度为930-950℃，保温200-250min。

5.根据权利要求1所述的螺钉的制备方法，其特征在于，除油除锈处理的温度为30-50℃，处理时间为5-10min，所用的处理液为：硫脲2.5-3.5g/L，磷酸二氢钠3-8g/L，OP-105-12ml/L。

6.根据权利要求1所述的螺钉的制备方法，其特征在于，活化处理采用的处理液为：硝酸120-160ml/L，40％的氢氟酸200-210ml/L。

7.根据权利要求1所述的螺钉的制备方法，其特征在于，发黑处理所用的处理液为：CuSO₄1.5-2.0g/L，(NH₄)₆Mo₇O₂18-20g/L，Na₂S₂O₃3.0-3.6g/L，NiSO₄1.4-1.8g/，ZnCl₂3.2-3.5g/L。

8.根据权利要求7所述的螺钉的制备方法，其特征在于，所述的发黑处理分两步进行，第一步，pH为1.2-1.6，处理时间为2-4min；第二步，pH为3.2-3.6，处理时间为4-8min，两步处理均在常温下进行。