CN111041362B - 一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，所述方法包括，将热轧所得的螺栓钢进行冷拔预变形；所述冷拔预变形量为γ1；对所述冷拔后的钢丝进行镦头；所述镦头形变量为γ2；所述γ1与γ2满足关系式：
Figure DDA0002320667460000011
其中δ是在所述螺栓钢金相组织中，MA组元的体积百分数。采用本发明提供的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，将螺栓钢的包辛格效应发挥至极致，降低了材料冷拔后的镦头形变强度，解决了镦头过程模具损耗大及镦头易开裂的问题。

Description

一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法
技术领域
本发明属于长材深加工技术领域，特别涉及一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法。
背景技术
紧固件行业传统生产800Mpa级及以上级别高强螺栓，均采用中碳钢或合金钢调质处理而获得高强化，但这种传统的调质处理工艺污染环境，成本高、表面脱碳和变形等问题。使用冷作强化非调质钢制造高强螺栓，可省去钢材冷拔前的退火热处理和螺栓成形后的调质处理工序，降低了生产成本，简化了生产工序，缩短了生产周期，降低了能源消耗；同时还避免因热处理造成的表面氧化、脱碳及工件变形等问题，具有显著的经济效益和社会效益。非调质钢在冷拔后，存在螺栓镦头冷变形强度高的问题，导致模具损耗大和螺栓易开裂。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，以解决现有技术中钢材冷拔后，高强螺栓镦头冷变形强度高造成的模具损耗大和螺栓易开裂等问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明提供了一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，所述方法包括，
将热轧所得的螺栓钢进行冷拔预变形，获得螺栓钢丝；所述冷拔预变形量为γ1；
对所述螺栓钢丝进行镦头；所述镦头形变量为γ2；
所述γ1与γ2满足关系式：
Figure BDA0002320667440000011
其中δ是所述螺栓钢金相组织中，MA组元的体积百分数。
进一步地，所述冷拔预变形量为30～96％。
进一步地，所述镦头形变量为20～80％。
进一步地，所述螺栓钢的金相组织中，MA组元的体积百分数为15～25％。
进一步地，所述螺栓钢的金相组织还包括铁素体，所述铁素体的体积百分数为75～85％。
进一步地，所述螺栓钢的化学组分包括C、Si、Mn、P、S、Al、Cr，所述化学组分的质量分数为，
C：0.06～0.18％；Si：0.75～0.95％；Mn：1.20～1.80％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al：0.025～0.045％；Cr：0.2～1.0％。
进一步地，所述螺栓钢的化学组分还包括Nb和V中的一种或两种，所述Nb的质量分数为0.04～0.10％，所述V的质量分数为0.03～0.10％。
进一步地，所述螺栓钢的制备方法包括，
将冶炼所得方坯依次进行加热、粗轧、精轧和斯太尔摩冷却，获得所述螺栓钢；
进一步地，在所述热轧中，加热炉均热段温度为1050-1150℃；在所述粗轧中，开轧温度为950～1050℃；在所述精轧中，终止温度为850-900℃；所述斯太尔摩冷却中，第二相变段冷却速度为15～30℃/s。
本发明的有益效果至少包括：
本发明提供一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，所述方法包括，将热轧所得的螺栓钢进行冷拔预变形，获得螺栓钢丝；所述冷拔预变形量为γ1；对所述螺栓钢丝进行镦头；所述镦头形变量为γ2；所述γ1与γ2满足关系式：
Figure BDA0002320667440000021
其中δ是所述螺栓钢金相组织中，MA组元的体积百分数。在冷拔和镦头的过程中，对冷拔预变形量γ1、镦头形变量γ2和MA组元体积百分数控制在特定的范围内协同匹配，可以保证在冷拔后，在基体内形成的位错密度与马氏体转变形成的位错密度的叠加，与螺栓镦头反向加载变形形成的位错量相抵消，将螺栓钢的包辛格效应发挥至极致，降低了材料冷拔后的变形强度，解决了镦头过程模具损耗大及镦头易开裂的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法的工艺步骤图；
图2为本发明实施例的一种非调质螺栓钢组织转变时产生的切变和体积膨胀，在紧靠MA岛周围的铁素体中产生高密度位错精细结构图。
图3为本发明实施例的一种非调质螺栓钢热轧后的微观组织图；
图4为本发明实施例的一种非调质高强螺栓钢所制备的螺栓产品图；
图5为本发明实施例的一种非调质高强螺栓钢所制备的另一类螺栓产品图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例提供一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，图1为本发明实施例的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法的工艺步骤图，结合图1，所述方法包括，
S1，将热轧所得的螺栓钢进行冷拔预变形，获得螺栓钢丝；所述冷拔预变形量为γ1；
S2，对所述螺栓钢丝进行镦头；所述镦头形变量为γ2；
所述γ1与γ2满足关系式：
Figure BDA0002320667440000031
其中δ是所述螺栓钢金相组织中，MA组元的体积百分数。
包辛格效应是在金属塑性加工过程中正向加载引起的塑性应变强化导致金属材料在随后的反向加载过程中呈现塑性应变软化(屈服极限降低)的现象。当将金属材料先拉伸到塑性变形阶段后卸载至零，再反向加载，即进行压缩变形时，材料的压缩屈服极限比原始态(即未经预先拉伸塑性变形而直接进行压缩)的屈服极限明显要低。非调质高强螺栓钢深加工工艺为热轧材料—抛丸或酸洗—冷拔—镦头，热轧材料冷拉过程属于正向加载引起应变强化，镦头过程属于反向加载过程，充分利用金属材料的包辛格特性，降低镦头模具损耗是非调质高强螺栓钢控制的关键因素。
冷拔过程产生的位错结构在力学上是相当稳定的，如果冷拔后卸载，位错线不能继续进行显著运动。但若卸载后施加反向载荷，位错线反向运动。在反向路径上，位错阻碍数量较少，位错可以在较低应力下移动较大距离。故正、反向位错叠加或抵消是高强螺栓用非调质钢形成包辛格效应的机理。因此，冷拔过程预变形量是控制非调质钢微观组织中正向位错量的关键因素。最佳冷拉拔预变形量选取原则为包辛格效应最大而应变硬化指数尚未增加的阶段。在这阶段，微观组织上对应着位错充分增值和缠结，材料原滑移系开动困难但是还没有发生形变孪晶，或者虽有孪晶但位错没有进一步增值阶段。
材料在拉拔正向变形时，塑性变形逐渐形成高位错密度，最后形成位错缠结或胞状组织。但是位错密度与冷拔预变形量、MA组元体积百分数密切相关。在热轧阶段，由于奥氏体向马氏体转变时产生切变和体积膨胀，由于这种马氏体及残余奥氏体呈现细小弥散的粒装，像小岛一样，因此也称为MA岛，在紧靠MA岛周围的铁素体中产生高密度位错，见图2。在紧靠MA岛周围的铁素体中，由于马氏体体积膨胀而基体受力，产生严重位错化的“预屈服”铁素体区。因此，MA组元含量高的材料，冷拔前，基体内含有较高的位错密度。在冷拔过程中，MA组元含量较高的材料，在相同材料镦头变形量条件下，需要的预变形量较小。反之，需要较高的预变形量。
在螺栓钢冷拔、镦头过程中，如果γ1＜1.25γ2/(1+δ)，则冷拔预形变量小，冷拔形成的位错密度与热轧时马氏体转变形成的位错密度叠加后，仍无法完全抵消螺栓钢镦头反向加载变形形成的位错量，包辛格效应无法发挥到极致，仍然具有降低加工硬化，提高包辛格效应的潜力。
如果γ1＞4γ2/3(1-δ)，则冷拔预变形量大，冷拔形成的位错密度与热轧时马氏体转变形成的位错密度叠加后，位错缠绕形成密度较高的位错胞或胞状亚结构，螺栓镦头反向加载变形形成的位错量仍然无法完全抵消正向形成的位错。
如果1.25γ2/(1+δ)≤γ1≤4γ2/3(1-δ)，能结合材料MA组元的体积百分数以及不同类型螺栓镦头形变量合理精准确定冷拔预形变量，将材料包辛格效应发挥至极致，为铁素体-马氏体非调质钢替代调质处理工艺被市场接收，特别适合1000Mpa级及更高强度级别的，为大量推广市场应用做出贡献。
进一步地，所述冷拔预变形量为30～96％。冷拔预形变量过小，一方面轧材冷作变形后强度达不到所需的强度级别，另一方面冷拔形成的位错密度与马氏体转变形成的位错密度叠加后，仍无法完全抵消螺栓钢镦头反向加载变形形成的位错量，冷拔预形变量过大，一方面会导致材料深拉拔断丝严重和冷变形后强度超标，另一方面冷拔形成的位错密度与马氏体转变形成的位错密度叠加后，螺栓镦头反向加载变形形成的位错量仍然无法完全抵消正向形成的位错。
进一步地，所述镦头形变量为20～80％。镦头形变量过大，一方面无法满足螺栓镦头后的外形尺寸和材料冷变形开裂，另一方面完全抵消正向位错后，还有无法抵消的加工硬化；镦头形变量过小，会导致无法满足螺栓镦头成型及外形尺寸。
进一步地，所述螺栓钢的金相组织中，所述MA组元的体积百分数为15～25％。根据前面所述可知，在冷拔过程中，MA组元含量较高的材料，在相同材料镦头变形量条件下，需要的预变形量较小。反之，需要较高的预变形量。因此只有MA组元体积百分数控制在15～25％的范围内，可以保证较高的包辛格效应值。
进一步地，所述螺栓钢的金相组织还包括铁素体，所述铁素体的体积百分数为75～85％。图3为本发明实施例的一种非调质螺栓钢热轧后的微观组织图，由图中可以看出，所述螺栓钢的金相组织包括铁素体和MA组分。
进一步地，所述螺栓钢的化学组分包括C、Si、Mn、P、S、Al、Cr，所述化学组分的质量分数为，
C：0.06～0.18％；Si：0.75～0.95％；Mn：1.20～1.80％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al：0.025～0.045％；Cr：0.2～1.0％。
进一步地，所述螺栓钢的化学组分还包括Nb和V中的一种或两种，所述Nb的质量分数为0.04～0.10％，所述V的质量分数为0.03～0.10％。
进一步地，所述螺栓钢的制备方法包括，
将冶炼所得方坯依次进行加热、粗轧、精轧和斯太尔摩冷却，获得所述螺栓钢。
进一步地，在所述加热中，加热炉均热段温度为1050～1150℃；在所述粗轧中，开轧温度为950～1050℃；在所述精轧中，终止温度为850～900℃；所述斯太尔摩冷却中，第二相变段冷却速度为15～30℃/s。
本发明提供了一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，所述方法包括，将热轧所得的螺栓钢进行冷拔，获得螺栓钢丝；所述冷拔预变形量为γ1；对螺栓钢丝进行镦头，所述镦头形变量为γ2；所述γ1与γ2满足关系式：
Figure BDA0002320667440000051
其中δ是所述螺栓钢金相组织中，MA组元体积百分数。在冷拔和镦头的过程中，对冷拔预变形量、镦头形变量和MA组元体积百分数控制在特定的范围内，可以保证在冷拔后，在基体内形成的位错密度与马氏体转变形成的位错密度的叠加，正好与螺栓镦头反向加载变形形成的位错量相抵消，将螺栓钢的包辛格效应发挥至极致，降低了材料冷拔后的变形强度，解决了镦头过程模具损耗大及镦头易开裂以及难以工程化应用的问题。
下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明在钢厂通过转炉或者电炉冶炼，高线160mm2热轧生产线进行生产，获得螺栓钢。实施例1到实施例8制备的螺栓钢的化学成分见表1所示，制备过程工艺控制见表2所示，对实施例1至实施例8的螺栓钢进行冷拔、镦头制备螺栓(见图4、图5)，实施例1至实施例8的螺栓钢中抗拉强度、MA组元、铁素体的体积百分数以及冷拔和墩头过程的工艺参数控制见表3所示。对比例1至对比例3的螺栓钢金相组织为铁素体和珠光体，冷拔和镦头过程的工艺参数控制见表3所示。实施例1至实施例8，对比例1至对比例3的螺栓钢冷拔后的强度、包辛格效应值、模具加工产品量及开裂情况见表4所示。
表1
Figure BDA0002320667440000061
表2
Figure BDA0002320667440000062
表3
Figure BDA0002320667440000071
表4
项目 冷拔强度值/MPa 包辛格效应值P2/MPa 模具加工产品量(万件) 开裂情况/％
实施例1 850 225 16.2 0
实施例2 880 232 14.7 0
实施例3 950 258 14.1 ≤1％
实施例4 940 260 14.0 ≤1％
实施例5 980 280 13.8 ≤1％
实施例6 1020 290 13.2 ≤2％
实施例7 1080 310 13.1 ≤2.5％
实施例8 1100 315 12.8 ≤3％
对比例1 840 205 10.6 5～8％
对比例2 820 200 10.4 5～8％
对比例3 900 175 9.8 10～12％
对比例4 880 170 8.5 10～12％
根据表4中的数据可知，实施例1至实施例8的包辛格效应值为225～315MPa，模具加工螺栓数量为13.1～16.2万件，加工的螺栓开裂比例不超过3％；对比例1至对比例4的方法包辛格效应值为170～205MPa，模具加工螺栓数量为8.5～10.6万件，加工螺栓的开裂比例为5～12％。与对比例1至对比例4相比，实施例1至实施例8的控制非调质螺栓钢高包辛格效应的方法的包辛格效应值至少提高了10％，模具加工螺栓数量至少增加了24％，提高了模具的使用寿命，螺栓开裂比例至少下降了40％。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，其特征在于，所述方法包括，
将热轧所得的螺栓钢进行冷拔预变形，获得螺栓钢丝；所述冷拔预变形量为γ1；
对所述螺栓钢丝进行镦头；所述镦头形变量为γ2；
所述γ1与γ2满足关系式：
Figure 934155DEST_PATH_IMAGE001
，其中δ是所述螺栓钢金相组织中MA组元的体积百分数，所述冷拔预变形量为30~96%，所述镦头形变量为20~80%。
2.根据权利要求1所述的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，其特征在于，所述螺栓钢金相组织中MA组元的体积百分数为15~25%。
3.根据权利要求1所述的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，其特征在于，所述螺栓钢的金相组织还包括铁素体，所述铁素体的体积百分数为75~85%。
4.根据权利要求1所述的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，其特征在于，所述螺栓钢的化学组分为C、Si、Mn、P、S、Al、Cr，所述化学组分的质量分数为，
C：0.06~0.18%；Si：0.75~0.95%；Mn：1.20~1.80%；P≤0.025%；S≤0.025%；Al：0.025~0.045%；Cr：0.2~1.0%。
5.根据权利要求4所述的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，其特征在于，所述螺栓钢的化学组分还包括Nb和V中的一种或两种，所述Nb的质量分数为0.04~0.10%，所述V的质量分数为0.03~0.10%。
6.根据权利要求1所述的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，其特征在于，所述螺栓钢的制备方法包括，
将冶炼所得方坯依次进行加热、粗轧、精轧和斯太尔摩冷却，获得所述螺栓钢。
7.根据权利要求6所述的一种提高非调质螺栓钢包辛格效应的方法，其特征在于，在所述加热中，加热炉均热段温度为1050~1150℃；在所述粗轧中，开轧温度为950~1050℃；在所述精轧中，终止温度为850-900℃；所述斯太尔摩冷却中，第二相变段冷却速度为15~30℃/s。
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