CN110283969A

CN110283969A - 一种高强度紧固件制备方法

Info

Publication number: CN110283969A
Application number: CN201910515405.1A
Authority: CN
Inventors: 范芳雄; 孙永伟; 梁晓辉; 朱晓锋; 赵轶鹏
Original assignee: Luoyang Sunrui Special Equipment Co Ltd
Current assignee: CSSC Shuangrui Luoyang Special Equipment Co Ltd
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2039-06-14
Also published as: CN110283969B

Abstract

一种高强度紧固件制备方法，对紧固件原材料进行热处理与冷变形，得到抗拉强度上限1400 MPa、性能等级为10.9‑12.9的紧固件，步骤一、对紧固件原材料进行淬火加高温回火热处理，热处理后紧固件原材料的抗拉强度为Rm≥650MPa；步骤二、采用冷拔或冷轧工艺对步骤一热处理后的紧固件原材料进行减面率60%以上的冷变形，得到紧固件毛坯；步骤三、对步骤二得到的紧固件毛坯进行螺纹加工或/表面处理，得到紧固件，紧固件抗拉强度大于1300 MPa。本发明通过在现有材料基础上，改进紧固件制备和热处理工艺，改变高强度紧固件微观组织结构形态，将常规的调质组织等轴晶粒通过本发明制备工艺获得具有纤维状晶粒组织。有效提高材料的抗延迟断裂性能。

Description

一种高强度紧固件制备方法

技术领域

本发明属于零件制造领域，具体说的是一种高强度紧固件制备方法。

背景技术

随着经济的高速发展，交通运输、海洋工程等产业的快速发展对大型钢结构提出了更高的要求，桥梁跨度、应用安全性要求不断提高。对钢结构连接用高强度紧固件的强度、抗延迟断裂性能提出了更高的要求。

交通运输、海洋工程等行业钢结构等设施上的高强度紧固件，由于长期处于野外暴露环境，尤其是钢结构桥梁和海洋工程，通常位于江、河、湖、海等水面上，湿度高、环境恶劣，高强度紧固件表面容易产生电化学腐蚀吸氢而导致延迟开裂，影响结构应用安全。

通常研究表明，随着材料强度的增加，延迟断裂敏感性显著增加，对于高强度紧固件。其抗拉强度通常在1000MPa以上，且在使用过程中承受极高的预紧应力，在野外环境暴露使用时，发生延迟断裂的可能性比较高。因此，对于高强度紧固件，需要具有良好的抗延迟断裂性能。现有我国钢结构用高强度紧固件为避免在应用过程大量发生延迟断裂，强度等级上限限制为10.9级，抗拉强度范围为1040-1240MPa。但螺栓延迟断裂仍时有发生。

现有通常改善材料延迟断裂性能的技术主要有：1）抑制钢材的腐蚀，减小氢渗入；2）降低材料的氢扩散系数，抑制氢的扩散聚集；3）降低预紧应力；4）减小应力集中；5）使用阻氢涂层；6）纯净化材料，净化晶界，提高晶界抗力；7）增加材料中作为氢陷阱的碳化物含量，降低可扩散氢含量。现有抗延迟断裂材料主要也是采用以上方法提高材料的抗延迟断裂性能。如：日本住友金属开发的1300MPa级耐延迟断裂的高强度螺栓钢ADS3(鉄と鋼，1996,82:297)；日本公开专利公报第2003-321743号及中国专利CN 109161794 A 、CN107641771 A等发明的抗延迟断裂材料及其制备方法均是通过添加Cr、Mo、V等贵重合金元素，提高材料回火温度、提高氢陷阱含量等手段来改善材料的抗延迟断裂性能。但大量增加合金元素不但增加了材料的成本，材料的工艺性也急剧恶化，限制了材料的推广使用。通过采用制备纤维状晶粒组织提高紧固件延迟断裂性能的专利尚未见报告。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明通过在现有材料基础上，改进紧固件制备和热处理工艺，改变高强度紧固件微观组织结构形态，将常规的调质组织等轴晶粒通过本发明制备工艺获得具有纤维状晶粒组织。有效提高材料的抗延迟断裂性能。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种高强度紧固件制备方法，对紧固件原材料进行热处理与冷变形，得到抗拉强度上限1400 MPa、性能等级为10.9-12.9的紧固件，其具体制备步骤为：

步骤一、对紧固件原材料进行淬火加高温回火热处理，热处理后紧固件原材料的抗拉强度为Rm≥650MPa；

步骤二、采用冷拔或冷轧工艺对步骤一热处理后的紧固件原材料进行减面率60%以上的冷变形，得到紧固件毛坯；

步骤三、对步骤二得到的紧固件毛坯进行螺纹加工，得到紧固件。

紧固件原材料为紧固件钢棒，紧固件钢棒按按质量百分比含有C：0.1~0.8%、Si：≤3%、Mn：≤2%、S≤0.025%、P≤0.025%、Cr：≤2%、Ni：≤5%、 Mo：≤3%、其余为Fe以及不可避免的杂质。

淬火温度为800℃-960℃。

回火温度为620℃-700℃。

采用滚丝或搓丝工艺制备紧固件螺纹。

本发明的有益效果是：

通过选择市售原材料，降低了原材料成本和获取难度，同时避免了一般抗延迟断裂材料中贵重合金元素的大量添加。

通过采用高温回火热处理，实现材料析出相的充分球化和组织充分平衡，降低材料强度，提高材料原始组织的抗延迟断裂性能。

在热处理后通过采用远高于紧固件制造过程中材料正常减面率的冷变形（通用紧固件改制减面率在30%以下，不能获得纤维状晶粒组织），采用60%以上减面率的冷变形，获得具有纤维状晶粒组织，并获得高强度紧固件所需的强度，强度上限可达1400MPa。

纤维状晶粒组织可以使材料原始等轴晶的无序晶界界面转变为主要晶界界面与紧固件轴线方向平行，在紧固件受轴向预紧应力时，轴线平行晶界界面的应力水平处于较低的水平，可以有效避免裂纹沿晶界扩展。

高强度紧固件在室温暴露环境，其延迟断裂裂纹起源区主要为氢脆型沿晶断裂，裂纹穿晶扩展的抗力要远大于沿晶扩展，因此纤维化晶粒组织可以有效避免本发明高强度紧固件的延迟开裂，且纤维化组织使裂纹沿晶扩展的路径长度急剧增加，也有效增加了本发明紧固件延迟开裂的阻力。

通过滚丝或搓丝等冷变形工艺制备螺纹。保证纤维状晶粒与螺纹表面外形一致，有效避免纤维组织的破坏，避免延迟断裂的发生。

本发明也适用于高强度不锈钢、时效硬化、沉淀硬化等类型材料，通过采用大减面率获得纤维状组织提高高强度紧固件延迟断裂性能。

附图说明

图1为通用调质态晶粒形态及延迟断裂开裂路径示意；

图2为本发明剧烈冷变形后晶粒形态及延迟断裂开裂路径示意。

具体实施方式

一种高强度紧固件制备方法，对紧固件原材料进行热处理与冷变形，得到抗拉强度上限1400 MPa、性能等级为10.9-12.9的紧固件，其具体制备步骤为：

步骤三、对步骤二得到的紧固件毛坯进行螺纹加工或/表面处理，得到紧固件，紧固件抗拉强度大于1300 MPa。

可采用工艺操作温度在冷变形棒料再结晶温度以下（通常材料冷变形后再结晶温度为400℃左右，视材料和冷变形减面率不同而不同）进行的通用表面处理工艺，如：达克罗、磷化、电镀等，以满足紧固件使用过程的耐蚀性、装配工艺性、外观等要求。

紧固件原材料为紧固件钢棒，棒料规格≤φ120mm，紧固件钢棒按按质量百分比含有C：0.1~0.8%、Si：≤3%、Mn：≤2%、S≤0.025%、P≤0.025%、Cr：≤2%、Ni：≤5%、 Mo：≤3%、其余为Fe以及不可避免的杂质及可能添加的V、Ti、Nb、W、B、稀土等细化晶粒、净化晶界、提高淬透性等有益元素。

淬火温度为800℃-960℃。最优选择860℃-900℃。

回火温度为620℃-700℃。最优选择6400℃-670℃。

采用滚丝或搓丝工艺制备紧固件螺纹，保证材料的纤维组织与紧固件螺纹外形一致。

可采用与通用紧固件一致的表面处理工艺对紧固件表面进行处理。例如，进行表面达克罗处理。

实施例一

采用市售35CrMo φ40钢棒，材料化学成分：C：0.37%、Si：0.22%、Mn：≤0.56%、S：≤0.005%、P：0.013%、Cr：0.92%、Mo：0.18%，其余为铁。

一种高强度紧固件制备方法为：

步骤一、钢棒进行860℃淬火+640℃回火热处理，热处理后表面抛丸毛化，去除表面氧化皮，此时钢棒的抗拉强度Rm=785MPa。

步骤二、采用拉拔工艺分6道次拉拔将棒料拉拔至φ22mm，拉拔各道次尺寸分别为φ40-φ36.5-φ32.8-φ29.6-φ26.8-φ24.2-φ22。总减面率69.75%。

步骤三、采用滚丝工艺将拉拔棒料滚制成M24螺纹，制造成M24螺杆紧固件。

步骤四、表面脱脂、磷化处理，并进行200℃/12h脱氢处理。

测试螺杆力学性能，螺杆抗拉强度σb=1320MPa。满足12.9级螺纹紧固件强度要求。

为验证材料延迟断裂性能：

将同成分φ40棒料车制成φ22光棒，滚丝成M24螺杆紧固件，采用860℃淬火+500℃回火热处理，测试螺杆力学性能，螺杆抗拉强度σb=1285MPa。满足12.9级螺纹紧固件强度要求与拉拔材料强度接近，采用与步骤四相同的工艺进行表面处理。

将本发明螺杆和采用调质热处理工艺螺杆按名义应力864MPa加载后浸泡在20%NH₄SCN溶液中,恒温25℃放置。调质热处理螺杆85h发生断裂，本发明螺杆1000h未发生断裂。

实施例二

采用市售34CrNi3MoV φ120钢棒材料，材料化学成分：C：0.352%、Si：0.234%、Mn：0.305%、S：≤0.005%、P：0.0060%、Cr：1.17%、 Ni：2.93%、Mo：0.322%、V：0.118%。

步骤一、钢棒进行900℃淬火+670℃回火热处理，此时钢棒的抗拉强度Rm=823MPa。

步骤二、将棒料加热至再结晶温度以下温度350℃，采用三辊棒材轧机经9道次轧制成φ55mm棒料，减面率79%。

步骤三、采用无心车车棒料至φ52.5，截断棒料外圆采用无心磨磨削至M56螺杆滚丝前毛坯直径，采用滚丝工艺将棒料滚制成M56螺纹，制造成M56螺杆紧固件。

测试螺杆力学性能，螺杆抗拉强度σb=1365MPa。满足12.9级螺纹紧固件强度要求。

为验证材料延迟断裂性能：

将同成分φ120棒料线切割取φ25试样，采用900℃淬火+550℃回火热处理，测试螺杆力学性能，螺杆抗拉强度σb=1332MPa。满足12.9级螺纹紧固件强度要求与拉拔材料强度接近。

将本发明螺杆和采用调质热处理工艺棒料取样加工成缺口应力集中系数Kt=3的缺口拉升试样，按缺口部位应力1000MPa加载后浸泡在20%NH₄SCN溶液中,恒温25℃放置。调质热处理螺杆102h发生断裂，本发明螺杆1000h未发生断裂。

实施例三

一种高强度紧固件制备方法为：

步骤一、钢棒进行860℃淬火+520℃回火热处理，热处理后表面抛丸毛化，去除表面氧化皮，此时钢棒的抗拉强度Rm=1048MPa。

步骤四、表面脱脂、磷化处理，并进行200℃/12h脱氢处理。

测试螺杆力学性能，螺杆抗拉强度σb=1030MPa。远低于材料预测的抗拉强度，螺杆进行解剖分析发现，材料在拉拔过程中心部出现空洞缺陷。分析原因为：由于材料回火温度低，材料淬火回火后原始强度高，塑性差，材料冷变形拉拔抗力大，导致材料在拉拔过程中心部形成空洞性缺陷。

因此对于减面率60%以上的拉拔，材料必须经过高温回火，实现碳化物的球化，材料具有较低的原始强度和良好的塑性，以保证后续大减面率拉拔的实现。

对按步骤二拉拔至φ32.8棒料（减面率33%）成车制成φ22光棒，滚丝成M24螺杆紧固件，经检测，棒料内部无空洞性缺陷，测试螺杆力学性能，螺杆抗拉强度σb=1325MPa。满足12.9级螺纹紧固件强度要求。

将螺杆按名义应力864MPa加载后浸泡在20%NH₄SCN溶液中,恒温25℃放置。螺杆45h发生断裂。较调质螺杆85h断裂有一定的裂化趋势。

因此对于本发明的运用，应合理控制拉拔前的强度，优化拉拔前材料的塑性，避免拉拔过程棒料产生缺陷。同时由于本发明需采用大变形量的冷变形，变化后材料的塑性极低，因此适用用于简单形状紧固件（如螺杆）的制造。且受冷变形组织稳定性影响，制备的紧固件在后续应用中，不适用于材料再结晶温度以上的场合，再结晶会导致材料力学性能急剧降低，同时也破坏了纤维状晶粒组织，损害了材料的抗延迟断裂性能。

Claims

1.一种高强度紧固件制备方法，其特征在于：对紧固件原材料进行热处理与冷变形，得到抗拉强度上限1400 MPa、性能等级为10.9-12.9的紧固件，其具体制备步骤为：

2.如权利要求1所述的一种高强度紧固件制备方法，其特征在于：紧固件原材料为紧固件钢棒，紧固件钢棒按按质量百分比含有C：0.1~0.8%、Si：≤3%、Mn：≤2%、S≤0.025%、P≤0.025%、Cr：≤2%、Ni：≤5%、 Mo：≤3%、其余为Fe以及不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的一种高强度紧固件制备方法，其特征在于：淬火温度为800℃-960℃。

4.如权利要求1所述的一种高强度紧固件制备方法，其特征在于：回火温度为620℃-700℃。

5.如权利要求1所述的一种高强度紧固件制备方法，其特征在于：采用滚丝或搓丝工艺制备紧固件螺纹。