CN105441788B - 含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢及其热处理工艺 - Google Patents

含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢及其热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件，主要包含以下质量百分含量(％)的化学元素：C 0.33～0.38％，Si 0.05～0.10％，Mn 0.70～0.90％，Cr 0.70～0.90％，Ni 0.60～0.90％，Mo 0.20～0.30％，Als 0.015～0.045％，V 0.06～0.10％，[N]0.006～0.010％，P≤0.010％，S≤0.005％，T[O]≤0.0015％；热处理后钢材的奥氏体晶粒度大于10.0级；热处理后钢的组织为回火索氏体基体上弥散分布少量细小先共析铁素体，其中，先共析铁素体量≤3％，尺寸≤5μm。

Description

含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢及其热处理工艺
技术领域
本发明属于合金钢领域，尤其12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢及其热处理工艺。
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。高强度螺栓等高强度紧固件的强度水平一般分为8.8、9.8、10.9和12.9四个级别，通常为调质处理的中碳钢或中碳合金钢。
随着轨道交通的高速、重载化，关键零部件受冲击和震动显著增大，疲劳破坏成为其失效的主要形式，对钢材的低温冲击韧性、疲劳性能要求显著提高，急需耐低温冲击、抗疲劳性能优异的紧固件用钢。为确保紧固件的耐低温冲击、抗疲劳性能，目前，我国高速、重载轨道交通移动装备用12.9级、12.9级紧固件用钢多采用4340、40CrNiMo和18Cr2Ni4WE等高合金结构钢，生产难度大，Ni、Mo等贵合金消耗大，生产成本高，且大多进口。
发明内容
为克服现有技术存在的问题，本发明提供含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢及其热处理工艺，在满足轨道交通移动装备用高强高韧紧固件耐低温冲击、抗疲劳性能的同时，能够合理、均衡地利用资源，采用较少的合金元素加入量，降低生产成本和生产难度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢，包含以下质量百分含量(％)的化学元素：C0.33～0.38％，Si0.05～0.10％，Mn0.70～0.90％，Cr0.70～0.90％，Ni0.60～0.90％，Mo0.20～0.30％，Als0.015～0.045％，V0.06～0.10％，[N]0.006～0.010％，Ca0.001～0.005％,P≤0.010％，S≤0.005％，T[O]≤0.0015％,余量为铁和不可避免的杂质；采用所述紧固件用钢制备的紧固件热处理后钢的组织为回火索氏体基体上弥散分布少量细小先共析铁素体，其中，先共析铁素体量≤3％，尺寸≤5μm。
本发明还提供一种含钒12.9级轨道交通移动装备用的紧固件用钢的轧制工艺：钢坯加热温度按1050-1250℃范围控制，在1000℃以上完成粗、中轧机轧制，精轧机采用低温控制轧制，控冷采用缓冷工艺；所述钢坯包含以下质量百分含量(％)的化学元素：C0.33～0.38％，Si0.05～0.10％，Mn0.70～0.90％，Cr0.70～0.90％，Ni0.60～0.90％，Mo0.20～0.30％，Als0.015～0.045％，V0.06～0.10％，[N]0.006～0.010％，Ca0.001～0.005％,P≤0.010％，S≤0.005％，T[O]≤0.0015％,余量为铁和不可避免的杂质。
本发明还提供一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件的热处理工艺，其特征在于，所述含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件的热处理工艺为：870～910℃淬火+670～740℃淬火+530～630℃回火；所述紧固件包含以下质量百分含量(％)的化学元素：C0.33～0.38％，Si0.05～0.10％，Mn0.70～0.90％，Cr0.70～0.90％，Ni0.60～0.90％，Mo0.20～0.30％，Als0.015～0.045％，V0.06～0.10％，[N]0.006～0.010％，Ca0.001～0.005％,P≤0.010％，S≤0.005％，T[O]≤0.0015％,余量为铁和不可避免的杂质。
本发明提供的一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件，包含以下质量百分含量(％)的化学元素：C0.33～0.38％，Si0.05～0.10％，Mn0.70～0.90％，Cr0.70～0.90％，Ni0.60～0.90％，Mo0.20～0.30％，Als0.015～0.045％，V0.06～0.10％，[N]0.006～0.010％，Ca0.001～0.005％,P≤0.010％，S≤0.005％，T[O]≤0.0015％,余量为铁和不可避免的杂质；所述紧固件热处理后钢材的奥氏体晶粒度大于10.0级；所述紧固件热处理后钢的组织为回火索氏体基体上弥散分布少量细小先共析铁素体，其中，先共析铁素体量≤3％，尺寸≤5μm；所述紧固件热处理后纵向力学性能为：Rm：1250MPa～1350MPa，Rp0.2≥1100MPa，A≥9％，Z≥50％，-40℃纵向冲击吸收功KU2≥80J，在650MPa循环应力条件下疲劳寿命≥1000万次。
本发明化学成分设计思想如下：
(1)在40CrNiMo钢基础上，适当降低紧固件用钢中的C元素含量，改善钢的韧性和塑性；(2)适当添加镍元素并加入微量的钒、氮元素，以改善钢的淬透性并细化晶粒，提高钢的韧性特别是低温韧性，并改善钢的强度和韧性配合，提高钢的抗疲劳性能；(3)加入适量的Ca元素，对钢中的夹杂物进行变性处理，同时严格控制钢中杂质元素T[O]、P、S等的含量，以进一步提高钢的抗疲劳性能。本发明的关键之处在于将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合起来，在获得高强度的同时，获得优异的耐低温冲击、抗疲劳破坏性能和较低的成本。
本发明钢的包含化学元素(质量％)如下：C：0.33～0.38，Si：0.05～0.10，Mn：0.70～0.90，Cr：0.70～0.90，Ni：0.60～0.90，Mo：0.20～0.30，Als：0.015～0.045，V：0.06～0.10，[N]：0.006～0.010，Ca：0.001～0.005，P≤0.010，S≤0.005，T[O]≤0.0015，余为Fe和其它不可避免的杂质。
上述各元素的作用及配比依据如下：
C：C元素是高强度紧固件用钢获得高的强度所必需的。高的C含量虽然对钢的强度等有利，但对钢的冷镦性能、塑性和韧性极为不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。因此适当降低钢中的C含量，将其控制在0.33～0.38％。
Si：Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但硅能显著提高钢的变形抗力，对冷镦和冷挤压极为不利，且Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，恶化钢的抗疲劳性能，故硅含量不宜太高，因此控制Si含量为0.05～0.10％。
Mn：Mn是脱氧的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度。含量小于0.70％时，难以起到上述作用。但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，因而控制Mn含量在0.90％以下。
Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能，但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.70～0.90％。
Ni：Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性。考虑到经济性，控制Ni含量为0.60～0.90％。
Mo：Mo在钢中的作用主要为提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，Mo元素与Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高。Mo含量过低则上述作用有限，Mo含量过高，则上述作用饱和，且提高钢的成本。因此，控制Mo含量为0.20～0.30％。
V：V是强碳、氮化物形成元素，与C、N结合所形成的细小弥散碳化物可阻止加热时晶粒长大，起细晶强化和沉淀强化的作用，从而可同时提高钢的强度、韧性和抗疲劳性能。V含量低于0.06％，上述作用不明显；V含量高于0.10％，上述作用饱和，且提高钢的成本。因而控制V含量为0.06～0.10％。
[N]：含钒钢中增氮促进了碳氮化钒在奥氏体、铁素体中的析出，钒氮钢中不仅析出相数量显著增加，而且析出相的尺寸也明显细化(析出相尺寸越细小，其析出强化作用就越强)；同时，含钒钢中增氮有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到细化铁素体晶粒的作用。二者共同作用，有效提高了钢的强度和韧塑性。综合考虑，[N]的范围可控制在0.006％～0.010％。
Ca：Ca具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用，从而改善钢的韧性和抗疲劳性能。Ca含量小于0.001％起不到上述作用，但含量超过0.005％，则加入相当困难，且夹杂物量增多。因而控制Ca含量为0.001～0.005％。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制P的含量在0.010％以下。
S：钢中不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的韧性和抗疲劳性能，因而控制其含量在0.005％以下。
T[O]：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量。考虑到经济性，控制其含量在0.0015％以下。
本发明的生产工艺流程为：转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连续浇注成钢坯→高速线材低温控轧控冷轧制→拉拔→退火→拉拔→冷镦→调质热处理→涂镀。
通过上述冶炼步骤可获得合格的轧制原料钢坯。为了轧制工艺的需要和使碳、氮化物固溶于奥氏体中，轧制时钢坯加热温度按1050-1250℃范围控制。在1000℃以上完成粗、中轧机轧制，即基本在奥氏体再结晶区完成轧制是为了实现再结晶细化，且现行粗、中轧轧钢设备和工艺容易实现。精轧机采用低温控制轧制，有利于进一步细化最终的产品组织。控冷采用缓冷工艺，以获得软化的组织以利于拉拔。通过退火、拉拔、冷镦、调质热处理等，制成12.9级紧固件，其中，热处理工艺为采用870～910℃淬火+670～740℃淬火+530～630℃回火。
采用本发明的化学成分、工艺流程生产的12.9级紧固件，测定紧固件的纵向力学性能可达到：Rm：1250MPa～1350MPa，Rp0.2≥1100MPa，A≥9％，Z≥50％，-40℃纵向冲击吸收功KU2≥80J，在650MPa循环应力条件下疲劳寿命≥1000万次；钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级；紧固件调质热处理后钢的组织为回火索氏体基体上弥散分布少量细小先共析铁素体(少量细小先共析铁素体可抑制疲劳裂纹扩展，提高抗疲劳性能)，其中，先共析铁素体量≤3％，尺寸≤5μm。
本发明与现有技术相比具有强度高、耐低温冲击、抗疲劳性能优良的优点。可获得1250MPa以上的高强度，其塑性、韧性和抗疲劳性能明显优于商业钢，呈现出良好的强度韧性配合及优异的抗疲劳性能。其中，抗拉强度≥1250MPa，屈服强度≥1100MPa，-40℃下纵向冲击吸收功KU2≥80J，在650MPa循环应力条件下疲劳寿命≥1000万次。
具体实施方式
以下的实施例用于阐述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于以下实施例。
本发明的生产工艺流程为：转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连续浇注成钢坯→高速线材低温控轧控冷轧制→拉拔→退火→拉拔→冷镦→调质热处理→涂镀。
本发明含钒12.9级轨道交通移动装备用高强高韧紧固件的熔炼化学成分、性能的实施例如下：
规格为M8～M24的12.9级轨道交通移动装备用高强高韧紧固件用钢的熔炼化学成分质量百分比(wt％)见表1，12.9级轨道交通移动装备用高强高韧紧固件调质热处理后的性能指标见表2。
表1 12.9级轨道交通移动装备用高强高韧紧固件用钢的熔炼化学成分质量百分比(wt％)
表2 12.9级轨道交通移动装备用高强高韧紧固件调质热处理后性能指标

Claims (4)

1.一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢，其特征在于，包含以下质量百分含量(％)的化学元素：C 0.33～0.38％，Si 0.05～0.10％，Mn 0.70～0.90％，Cr 0.70～0.90％，Ni 0.60～0.90％，Mo 0.20～0.30％，Als 0.015～0.045％，V 0.06～0.10％，[N]0.006～0.010％，Ca 0.001～0.005％,P≤0.010％，S≤0.005％，T[O]≤0.0015％,余量为铁和不可避免的杂质；采用所述紧固件用钢制备的紧固件热处理后钢的组织为回火索氏体基体上弥散分布少量细小先共析铁素体，其中，先共析铁素体量≤3％，尺寸≤5μm。
2.一种含钒12.9级轨道交通移动装备用的紧固件用钢的轧制工艺，其特征在于，如权利要求1所述化学成分的钢坯加热温度按1050-1250℃范围控制，在1000℃以上完成粗、中轧机轧制，精轧机采用低温控制轧制，控冷采用缓冷工艺。
3.一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件的热处理工艺，其特征在于，化学成分如权利要求1所述含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件的热处理工艺为：870～910℃淬火+670～740℃淬火+530～630℃回火。
4.一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件，其特征在于，主要包含以下质量百分含量(％)的化学元素：C 0.33～0.38％，Si 0.05～0.10％，Mn 0.70～0.90％，Cr 0.70～0.90％，Ni 0.60～0.90％，Mo 0.20～0.30％，Als 0.015～0.045％，V 0.06～0.10％，[N]0.006～0.010％，Ca 0.001～0.005％,P≤0.010％，S≤0.005％，T[O]≤0.0015％,余量为铁和不可避免的杂质；所述紧固件热处理后钢材的奥氏体晶粒度大于10.0级；所述紧固件热处理后钢材的组织为回火索氏体基体上弥散分布少量细小先共析铁素体，其中，先共析铁素体量≤3％，尺寸≤5μm；所述紧固件热处理后纵向力学性能为：Rm：1250MPa～1350MPa，Rp0.2≥1100MPa，A≥9％，Z≥50％，-40℃纵向冲击吸收功KU2≥80J，在650MPa循环应力条件下疲劳寿命≥1000万次。
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