CN107587069A

CN107587069A - 一种高强度高韧性螺栓用钢及生产方法

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Publication number: CN107587069A
Application number: CN201710742979.3A
Authority: CN
Inventors: 张贤忠; 任安超; 张帆; 丁礼权; 夏艳华
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2018-01-16
Anticipated expiration: 2037-08-25
Also published as: CN107587069B

Abstract

一种高强度高韧性螺栓用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.25‑0.33％，Si：1.00‑1.30％，Mn：0.90‑1.10％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：0.85‑1.20％，V：0.12‑0.22％，B：0.0005‑0.0015％，其余为铁和不可避免的夹杂。生产方法：冶炼；在钢包炉中脱氧和合金化；在RH真空炉真空处理，连铸或模铸；对铸坯常规加热；轧制成盘条；采用斯太尔摩方式冷却。本发明在保证抗拉强度不低于1400MPa及添加昂贵元素相对少的情况下，无需改造任何设备，即可使钢的延伸率A不低于18%，断面收缩率Z不低于60%，常温下冲击功A_kv不低于60J，生产成本较低，并完全满足汽车和航空对高强度螺栓的需求。

Description

一种高强度高韧性螺栓用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种紧固件用钢及生产方法，具体属于螺栓用钢及生产方法，特别适用于航空及汽车工业用的高强度高韧性螺栓用钢及生产方法。

背景技术

近年来，随着我国汽车、机械、风电、桥梁、航空等各个行业的高速发展，对制造各类紧固件等零件使用的材料提出了更高的要求，如在汽车的高性能和轻量化、大桥的超长化和耐久性、风电行业的大规格化以及航空行业的高强化和耐高温等方面，对作为联接部件的紧固件以及其他冷镦成型零件提出了高应力和轻量化的要求，在这方面尤以汽车制造业的要求最强烈，原有的汽车用紧固件等，尤其是发动机螺栓已难以满足汽车发动机高应力化的要求。对此，最有效的措施便是紧固件用冷镦钢的高强度化。随着紧固件产品结构调整加快，8.8级和8.8以上级产品用材比例提高，由以前的30％左右上升到45-50％。

目前，在国内高强度紧固件螺栓用钢领域，多为传统的调质钢，如35、40、45、40Cr、35CrMo、40MnB、42CrMo等中碳钢，这些钢种存在需要经过球化退火、酸洗磷化、冷拔、滚丝、成形、调质、去氢退火等工艺，其强度级别主要在8.8级～12.9级。而对于汽车、航空等行业则需求大于12.9级高强度紧固件螺栓，由于缺口敏感性、冲击韧性低、延迟断裂等原因而无法满足这些领域的应用。

国外高强度紧固件螺栓用钢以日本住友金属的ADS系列为主，其开发的ADS系列紧固件用钢具有高强度和耐延迟断裂等优点，在相同的强度水平下，开发钢的延迟断裂抗力明显高于JIS SCM440。其成分体系是在Cr-Mo钢的基础上添加适量的V和Nb元素。由于含Mo量较高，可以适当提高其回火温度，从而具有较好的其耐延迟断裂性能，但其由于C、Cr、Mo含量高，致其缺口敏感性较强而使应用范围受到限制。

经检索：中国专利公开号为CN1275632A的文献，公开了一种抗拉强度为1300～1500MPa的高强度耐延迟断裂紧固件螺栓用钢，其具体化学成分(重量％)为：C0.25～0.50，Si0.10～0.4，Mn≤0.5，Cr0.50～1.50，Mo0.30～1.50，V0.10～0.40，RE0.001～0.05，Al0.005～0.10，N≤0.02，P≤0.015，S≤0.01，根据需求还可加入0.005～0.1的Ti、Nb中的一种或两种之和，其余为Fe及不可避免的杂质。该钢冶炼后浇铸成钢锭或连铸成坯，经开坯后轧制成棒线材等产品，它不仅抗拉强度高，而且耐延迟断裂性能优良。该高强度螺栓钢成分设计特点为Mo含量高，不仅增加了贵重合金成本，而且高Mo含量易在钢坯或钢材晶界偏聚，形成裂纹。

中国专利公开号为CN1329179A的文献，公开了一种强度为1400～1600MPa耐延迟断裂的高强度螺栓用钢。该钢的具体成分(重量％)为：C0.35～0.5，Si0.01～0.09，Mn≤0.30，P≤0.010，S≤0.008，Cr0.5～1.5，Mo0.7～1.5，V0.20～0.50，Nb0.01～0.08，RE0.002～0.04，Al0.005～0.05，N0.006～0.015，Ti和Zr中的任意一种或两种之和为0.01～0.15，其余为Fe及不可避免的杂质。该螺栓用钢成分也含有Cr、Mo合金钢，包含V、Nb、RE等，成本高，且影响了其成型加工性能，增加了热处理工序。

中国专利公开号为CN 102094153A的文献，其公开了一种高强度高韧性螺栓用合金钢，按照质量百分比包括以下合金元素：C0.15～0.23；Si0.10～0.35；Mn 0.20～0.45；P≤0.03；S≤0.025；Cr 1.10～1.45；Ni 3.30～3.90；Mo 0.20～0.45；Cu≤0.05；Al≤0.03，其余为Fe及杂质元素。其强度达到1100～1280MPa。其合金体系为Cr、Mo、Ni，特别是Ni含量达到3.30-3.90％，大幅增加了合金成本，且不能满足1300MPa以上强度级别紧固件螺栓用钢的需求。

中国专利公开号为CN 104046903A的文献，其公开了一种“13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条及其制造方法”，其化学成分(重量％)为：C0.38～0.45，Si0.05～0.20，Mn0.30～0.60，P≤0.015，S≤0.015，Cr0.85～1.35，Mo0.45～0.65，V0.20～0.50，Nb0.01～0.05，B0.002～0.010，Al0.005～0.020，其余Fe和不可避免的杂质；盘条的金相组织为贝氏体为主，其含量≥95％。其成分体系同为Cr、Mo合金钢，添加适量的V、Nb、B等，盘条的抗拉强度不小于1100MPa，屈服强度不小于900MPa，面缩率不小30％。其存在强度级别低，面缩率小的问题。

本发明针对高强度紧固件螺栓用钢需求的调研及试验分析，提出通过Cr、Mn、Si等低成本合金成分体系设计，并添加微合金元素V、B，来保证紧固件用钢的高强度和高韧性。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种能在保证紧固件用钢的强度不低于1400MPa的前提下，并在添加昂贵元素相对少的情况下，还使钢的延伸率A不低于18％，断面收缩率Z不低于60％，常温下冲击功A_kv不低于60J的高强度高韧性螺栓用钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种高强度高韧性螺栓用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.25-0.33％，Si：1.00-1.30％，Mn：0.90-1.10％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：0.85-1.20％，V：0.12-0.22％，B：0.0005-0.0015％，其余为铁和不可避免的夹杂。

优选地C的重量百分比含量为0.26-0.29％。

优选地Si的重量百分比含量为1.0-1.20％。

优选地Mn的重量百分比含量为0.95-1.05％。

优选地Cr的重量百分比含量为0.85-1.0％。

优选地B的重量百分比含量为0.0008-0.0015％。

生产一种高强度高韧性螺栓用钢的方法，其步骤：

1)冶炼；钢水在钢包炉中进行脱氧和合金化精炼，精炼渣采用CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系，精炼渣碱度不低于3.5；钢包炉精炼后的钢水到RH真空炉进行真空处理，真空处理时间不低于20min，真空度不超过67Pa，真空保压时间不低于15min；连铸或模铸浇注成钢坯；

2)对铸坯常规加热，在炉时间不低于120min，并控制加热炉内钢坯温差不超过35℃；进行初轧、中轧、预精轧、精轧，轧制成Φ6mm-Φ18mm盘条，其中吐丝温度控制在850-900℃；采用斯太尔摩冷却方式进行冷却：并控制辊道速度在16-20m/min，风机风量控制在不超过总风量的10％，保温罩开启度不超过90°。

本发明中各元素及主要工序的作用及机理

C：在本发明中，C是强烈提高材料淬透性的元素，同时提高材料的强度和硬度。但是，当C含量高于0.33％时，会产生随C含量的增加显著降低材料韧塑性，使材料易发生脆性断裂。当C含量低于0.25％时，虽可形成韧塑性较好的材料，但是会使淬透性和强度不够。材料强度上的不足可以通过合金元素的固溶强化和析出强化等来弥补，但对于韧性的不足却难以提高及弥补。为此，经综合平衡考虑，将含C量控制在中低碳水平，即0.25-0.33％，以此来提高材料的强度和淬透性。优选地C的含量为0.26-0.29％。

Si：Si与氧的亲和力仅次于Al和Ti，而强于Mn、Cr和V。Si在本发明钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。Si提高钢中固溶体强度的作用极强，在本发明中，当Si含量超过1.30％时，钢的强度指标，特别是屈服点有明显提高。虽Si对钢的淬透性影响中等，但对提高钢的回火稳定性和抗氧化性有很大的好处。综合考虑，将Si含量控制在1.00-1.30％，优选地在1.0-1.20％。

Mn：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，能消除或减弱因S所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。在本发明中，因Mn与Fe形成固溶体，从而提高了钢中α和γ的硬度和强度。Mn又是碳化物形成的元素，其进入渗碳体中能取代一部分Fe原子。Mn在提高合金强度的同时，对其延展性却几乎没有任何影响。通过Mn扩大γ相区，使钢形成和稳定γ组织的能力仅次于Ni，Mn也能强烈增加钢的淬透性。综合考虑，将Mn含量控制在0.90-1.10％，优选地在0.95-1.05％。

Cr：本发明中，一部分Cr置换铁形成合金渗碳体，提高其稳定性；另一部分Cr溶入铁素体中，产生固溶强化，以提高钢的淬透性和回火抗力。氮气含量小于0.85％时，难以起到提高钢的淬透性和回火抗力作用，但高于1.2％时又会使钢的韧性和能加工性能显著降低。经综合考虑，将其含量控制在0.85-1.20％，优选地控制在0.85-1.0％。

V：V除提高钢的强度外，还改善钢的塑性和韧性。其与铬或锰配合使用，还能增加钢的弹性极限，并改善冶金质量。钢中的V使钢晶粒细化，韧性增加。在较高温度回火时析出的碳氮化钒除可进一步提高钢锭强度外，还由于碳氮化钒具有较强的陷阱能，能够铺集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，从而改善钢的耐延迟断裂性能。精选则，控制其含量在0.12-0.22％。

B:B是提高材料淬透性的元素，钢中加入硼有利于将钢的高强度同良好可焊性和抗冷脆能力相结合；对材料的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、耐磨性和抗氢致晶间断裂的能力等都有不同程度的改善或提高；在其它成分基本一致，冷却和回火制度相同的情况下，含硼钢的屈服强度、抗拉强度和伸长率均比不含硼钢高。但当其含量低于0.0005％时，会影响钢的淬透性，当其含量高于0.0015％时，会增加合金成本，同时易在晶界偏聚，影响钢的性能，故经综合考虑，将其含量控制在0.0005-0.0015％，优选地控制在0.0008-0.0015％。

P：其能强化铁素体相，提高钢的强度，但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，从而增加钢的缺口敏感性，因此在本发明中控制的越低越好。

S：其在钢中形成MnS和FeS夹杂，并在晶界偏聚会恶化钢的冷加工性能，因而在本发明中控制的越低越好。

本发明与现有技术相比，其在保证强度不低于1400MPa下，并在添加昂贵元素相对少的情况下，只需进行适当合金体系设计，无需改造任何生产设备，即可使钢的延伸率A不低于18％，断面收缩率Z不低于60％，常温下冲击功A_kv不低于60J，生产成本相对较低，还能完全满足汽车和航空对高强度紧固件螺栓的需求。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各规格控冷工艺参数列表；

表4为本发明各实施例及对比例的性能检测情况列表。

本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：

2)对铸坯常规加热，在炉时间不低于120min，并控制加热炉内钢坯温差不超过35℃；进行初轧、中轧、预精轧、精轧，轧制成Φ6mm-Φ18mm盘条，其中吐丝温度控制在850-900℃；采用斯太尔摩冷却方式进行冷却：并控制辊道速度在16-20m/min，风机风量控制为不超过总风量的10％，保温罩开启度不超过90°。

表1本发明各实施例及对比例的化学成分列表(wt.％)

表2为本发明各实施例及对比例主要工艺参数列表

表3为本发明各实施例及对比例的控冷工艺参数列表

表4本发明各实施例及对比例的性能检测情况列表

从上表4中可以看出，本发明采用不同的成分体系设计(Si-Mn-Cr-V-B)，通过合理的生产工艺，制造的紧固件螺栓用钢具有高强度、高韧性和高冲击功，能够保证螺栓应用时具有低的缺口敏感性、高的冲击韧性和良好的抗延迟断裂性能。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims

1.一种高强度高韧性螺栓用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.25-0.33％，Si：1.00-1.30％，Mn：0.90-1.10％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：0.85-1.20％，V：0.12-0.22％，B：0.0005-0.0015％，其余为铁和不可避免的夹杂。

2.如权利要求1所述的一种高强度高韧性螺栓用钢，其特征在于：C的重量百分比含量为0.26-0.29％。

3.如权利要求1所述的一种高强度高韧性螺栓用钢，其特征在于：Si的重量百分比含量为1.0-1.20％。

4.如权利要求1所述的一种高强度高韧性螺栓用钢，其特征在于：Mn的重量百分比含量为0.95-1.05％。

5.如权利要求1所述的一种高强度高韧性螺栓用钢，其特征在于：Cr的重量百分比含量为0.85-1.0％。

6.如权利要求1所述的一种高强度高韧性螺栓用钢，其特征在于：B的重量百分比含量为0.0008-0.0015％。

7.生产如权利要求1所述的一种高强度高韧性螺栓用钢的方法，其步骤：

1）冶炼；钢水在钢包炉中进行脱氧和合金化精炼，精炼渣采用CaO-SiO2-Al2O3渣系，精炼渣碱度不低于3.5；钢包炉精炼后的钢水到RH真空炉进行真空处理，真空处理时间不低于20min，真空度不超过67Pa，真空保压时间不低于15min；连铸或模铸浇注成钢坯；

2）对铸坯常规加热，在炉时间不低于120min，并控制加热炉内钢坯温差不超过35℃；进行初轧、中轧、预精轧、精轧，轧制成Φ6mm-Φ18mm盘条，其中吐丝温度控制在850-900℃；采用斯太尔摩冷却方式进行冷却：并控制辊道速度在16-20m/min，风机风量控制在不超过总风量的10%，保温罩开启度不超过90°。