CN111235493A - 一种无磁钢、无磁钢螺栓及其制备方法 - Google Patents

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陈晓刚
刘晓圣
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王广克
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Abstract

本发明提供一种无磁钢、无磁钢螺栓及其制备方法。本发明提供的无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.3～0.5％，Si：0.3～0.6％，Mn：18～19％，Cr：17～19％，Cu：0.2～0.3％，Ni：0.4～0.5％，V：1.0～1.3％，RE：0.05～0.1％，P≤0.2％，S≤0.01％，其余为Fe。本发明提供的无磁钢，通过对各元素含量的控制，能够使无磁钢同时具有优良的无磁性能、机械性能和耐腐蚀性能。本发明还提供由所述的无磁钢制备形成的无磁钢螺栓及其制备方法。

Description

一种无磁钢、无磁钢螺栓及其制备方法
技术领域
本发明涉及无磁钢领域，具体涉及一种无磁钢、无磁钢螺栓及其制备方法。
背景技术
无磁钢也叫无磁性钢和非磁性钢，实际上指没有铁磁性而不能被磁化的钢。无磁钢通常是在钢中添加大量的镍、锰、铬、铜等合金元素制成的，磁导率低而电阻率高，在磁场中的涡流损耗极小。无磁钢现已广泛应用于许多电气产品中，如大中型变压器油箱内磁屏蔽、铁芯拉板、线圈夹件、螺栓等漏磁场的结构件；起重电磁铁吸盘、磁选设备简体、选箱以及除铁器；特殊冶炼电路内衬、炉盖、电极夹板及电子搅拌装置结构件等。
无磁螺栓一般采用无磁钢制备，是一种相对磁导率接近空气，在强电磁场环境下基本上不产生磁化与发热效应的紧固件。在特高压输变电领域，无磁螺栓获得较多的应用，因为各类电工装备的电压等级高，尤其是对于平波电抗器，该设备没有中间铁心约束磁力线，导致漏磁现象严重，常规的热镀锌螺栓在强磁场环境中产生温升效应，影响螺栓的服役状态，也造成了多余的热损耗。平波电抗器运行时产生较大噪声，一般需加装隔声罩，罩内各组件均采用无磁螺栓进行连接组装。
S304作为目前常用的无磁钢，具有良好的无磁性能，但其屈服强度在300MPa以下，严重限制了其应用，例如将其应用于无磁钢螺栓时，为保证连接强度，实际使用数量较多，成本较高，此外，户外使用对无磁钢的耐腐蚀性能也提出了更高的要求。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的无磁钢力学性能较差的缺陷，从而提供一种同时具有高机械强度、低磁导率和高耐蚀性的无磁钢，以及一种无磁钢螺栓及其制备方法。
第一方面，本发明提供一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.3～0.5％，Si：0.3～0.6％，Mn：18～19％，Cr：17～19％，Cu：0.2～0.3％，Ni：0.4～0.5％，V：1.0～1.3％，RE：0.05～0.1％，P≤0.2％，S≤0.01％，其余为Fe。
进一步地，RE为La、Ce或Y中的至少一种。
进一步地，本发明所述的无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.4％，Si：0.5％，Mn：18％，Cr：18％，Cu：0.2％，Ni：0.45％，V：1.2％，La：0.07％，P：0.05％，S：0.01％，其余为Fe。
进一步地，本发明所述的无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.35％，Si：0.45％，Mn：18.5％，Cr：17％，Cu：0.25％，Ni：0.4％，V：1.1％，Ce：0.06％，P：0.02％，S：0.01％，其余为Fe。
进一步地，本发明所述的无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.5％，Si：0.4％，Mn：19％，Cr：17.5％，Cu：0.3％，Ni：0.4％，V：1.3％，Y：0.05％，P：0.03％，S：0.008％，其余为Fe。
第二方面，本发明还提供一种由所述的无磁钢制备形成的无磁钢螺栓。
第三方面，本发明还提供一种所述无磁钢螺栓的制备方法，包括：
按照所述无磁钢中各元素比例进行原料混合，依次进行真空熔炼、浇注得到钢锭，将所述钢锭轧制成合金钢；
将所述合金钢进行加工得到无磁钢螺栓。
进一步地，对所述无磁钢螺栓依次进行酸洗和水洗，除去表面杂质，
其中，所述酸洗的时间为4-5min，酸洗液各成分的质量百分比为：硝酸15-20％、氢氟酸8-15％，其余为水。
进一步地，将所述合金钢加工得到无磁钢螺栓的过程中包括球化退火处理的步骤，条件为在700-750℃下保温180min，降温至600-650℃，保温90min，空冷。。
进一步地，将所述合金钢加工得到无磁钢螺栓的过程中包括将加工成型的螺栓进行固溶处理和时效处理的步骤，
所述固溶处理的条件为：在950-1000℃下保温50-60min，水冷至常温；
所述时效处理的条件为：在700-750℃下保温280-300min，空冷。
进一步地，将所述合金钢加工得到无磁钢螺栓包括：
将所述合金钢依次进行球化退火处理、冷拉、切条、冷镦成型，加工出头部和螺杆；
在所述螺杆表面制作螺纹，得到预成型的螺栓；
将所述预成型的螺栓进行固溶处理和时效处理，得到所述无磁钢螺栓。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供一种无磁钢，通过对各元素含量的控制，能够使无磁钢同时具有优良的无磁性能、机械性能和耐腐蚀性能，特别是在无磁钢中添加La、Ce或Y等稀土元素(RE)，利用稀土元素与氧、硫等杂质元素的亲和力，净化了钢液，改善了无磁钢的组织，保证了钢材的机械性能。
2.本发明提供一种无磁钢螺栓，包括上述无磁钢，该无磁螺栓具有优越的机械连接功能，在平波电抗器、变压器等设备辐射的高强电磁场环境中服役时，基本不发生热软化现象，且抗疲劳、耐腐蚀，满足户外服役需求，提高特高压工程中机械结构连接的可靠性。
3.本发明提供无磁钢螺栓的制备方法，通过冷拉、冷镦等冷加工工艺使螺栓加工成型，提升了螺栓的硬度与机械强度，并通过固溶处理与时效处理，消除了冷加工变形造成的马氏体组织，保证了良好无磁性能，采用本发明提供的制备方法得到的无磁钢螺栓，具有稳定的奥氏体组织，螺栓强度最高达到9.8级，其机械强度与耐腐蚀性能完全满足特高压领域服役需求。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.4％，Si：0.6％，Mn：18％，Cr：18％，Cu：0.2％，Ni：0.45％，V：1.2％，La：0.07％，P：0.05％，S：0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种无磁钢螺栓，其制备方法如下：
按照上述无磁钢中各元素比例进行原料混合，放置于真空炉感应加热线圈中的坩埚内，利用电磁感应原理在原料中产生涡流，将原料融化为铁水(熔炼前向炉内充入惰性气体，排除空气对合金成分的影响)，并浇注到铸模中形成钢锭，将钢锭轧制为合金钢；
对合金钢进行球化退火处理，降低合金钢的硬度以方便加工成型，球化退火处理的条件为：在720℃下保温180min，降温至620℃，保温90min，随后出炉空冷，将空冷后的合金钢拉直并切割成条，放置于模具中，采用四工位冷镦机，加工出螺栓头部与螺杆；
采用搓丝板，在螺杆上轧制出螺纹，得到预成型的螺栓；
将预成型的螺栓依次进行固溶处理和时效处理，得到无磁钢螺栓，其中，固溶处理的条件为：在1000℃下保温60min，水冷至常温；时效处理的条件为：在700℃下保温300min，空冷；
对制得的无磁钢螺栓依次进行酸洗和水洗，除去表面杂质：将无磁钢螺栓浸泡在酸洗液中5min，取出后用清水清洗掉表面残余物，其中，酸洗液各成分的质量百分比为：硝酸20％，氢氟酸10％，其余为水。
实施例2
一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.35％，Si：0.45％，Mn：18.5％，Cr：17％，Cu：0.25％，Ni：0.4％，V：1.1％，Ce：0.06％，P：0.02％，S：0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种无磁钢螺栓，其制备方法如下：
按照上述无磁钢中各元素比例进行原料混合，放置于真空炉感应加热线圈中的坩埚内，利用电磁感应原理在原料中产生涡流，将原料融化为铁水(熔炼前向炉内充入惰性气体，排除空气对合金成分的影响)，并浇注到铸模中形成钢锭，将钢锭轧制为合金钢；
对合金钢进行球化退火处理，降低合金钢的硬度以方便加工成型，球化退火处理的条件为：在750℃下保温180min，降温至600℃，保温90min，随后出炉空冷，将空冷后的合金钢拉直并切割成条，放置于模具中，采用四工位冷镦机，加工出螺栓头部与螺杆；
采用搓丝板，在螺杆上轧制出螺纹，得到预成型的螺栓；
将预成型的螺栓依次进行固溶处理和时效处理，得到无磁钢螺栓，其中，固溶处理的条件为：在980℃下保温60min，水冷至常温；时效处理的条件为：在750℃下保温300min，空冷；
对制得的无磁钢螺栓依次进行酸洗和水洗，除去表面杂质：将无磁钢螺栓浸泡在酸洗液中5min，取出后用清水清洗掉表面残余物，其中，酸洗液各成分的质量百分比为：硝酸15％，氢氟酸12％，其余为水。
实施例3
一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.5％，Si：0.4％，Mn：19％，Cr：17.5％，Cu：0.3％，Ni：0.4％，V：1.3％，Y：0.05％，P：0.03％，S：0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种无磁钢螺栓，其制备方法如下：
按照上述无磁钢中各元素比例进行原料混合，放置于真空炉感应加热线圈中的坩埚内，利用电磁感应原理在原料中产生涡流，将原料融化为铁水(熔炼前向炉内充入惰性气体，排除空气对合金成分的影响)，并浇注到铸模中形成钢锭，将钢锭轧制为合金钢；
对合金钢进行球化退火处理，降低合金钢的硬度以方便加工成型，球化退火处理的条件为：在700℃下保温180min，降温至600℃，保温90min，随后出炉空冷，将空冷后的合金钢拉直并切割成条，放置于模具中，采用四工位冷镦机，加工出螺栓头部与螺杆；
采用搓丝板，在螺杆上轧制出螺纹，得到预成型的螺栓；
将预成型的螺栓依次进行固溶处理和时效处理，得到无磁钢螺栓，其中，固溶处理的条件为：在970℃下保温60min，水冷至常温；时效处理的条件为：在750℃下保温300min，空冷；
对制得的无磁钢螺栓依次进行酸洗和水洗，除去表面杂质：将无磁钢螺栓浸泡在酸洗液中5min，取出后用清水清洗掉表面残余物，其中，酸洗液各成分的质量百分比为：硝酸17％，氢氟酸15％，其余为水。
实施例4
一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.3％，Si：0.3％，Mn：19％，Cr：19％，Cu：0.3％，Ni：0.5％，V：1％，Y：0.1％，P：0.2％，S：0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种无磁钢螺栓，其制备方法如下：
按照上述无磁钢中各元素比例进行原料混合，放置于真空炉感应加热线圈中的坩埚内，利用电磁感应原理在原料中产生涡流，将原料融化为铁水(熔炼前向炉内充入惰性气体，排除空气对合金成分的影响)，并浇注到铸模中形成钢锭，将钢锭轧制为合金钢；
对合金钢进行球化退火处理，降低合金钢的硬度以方便加工成型，球化退火处理的条件为：在700℃下保温180min，降温至650℃，保温90min，随后出炉空冷，将空冷后的合金钢拉直并切割成条，放置于模具中，采用四工位冷镦机，加工出螺栓头部与螺杆；
采用搓丝板，在螺杆上轧制出螺纹，得到预成型的螺栓；
将预成型的螺栓依次进行固溶处理和时效处理，得到无磁钢螺栓，其中，固溶处理的条件为：在950℃下保温50min，水冷至常温；时效处理的条件为：在750℃下保温280min，空冷；
对制得的无磁钢螺栓依次进行酸洗和水洗，除去表面杂质：将无磁钢螺栓浸泡在酸洗液中4min，取出后用清水清洗掉表面残余物，其中，酸洗液各成分的质量百分比为：硝酸17％，氢氟酸8％，其余为水。
实施例5
一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.4％，Si：0.6％，Mn：18％，Cr：18％，Cu：0.2％，Ni：0.45％，V：1.2％，La：0.07％，P：0.05％，S：0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种无磁连接轴，其制备方法如下：
按照上述无磁钢中各元素比例进行原料混合，放置于真空炉感应加热线圈中的坩埚内，利用电磁感应原理在原料中产生涡流，将原料融化为铁水(熔炼前向炉内充入惰性气体，排除空气对合金成分的影响)，并浇注到铸模中形成圆形合金钢棒；
对合金钢棒进行球化退火处理，降低合金钢棒的硬度以方便加工成型，球化退火处理的条件为：在720℃下保温180min，降温至620℃，保温90min，随后出炉空冷；
将退火后的工件安装于车床上，紧固住一侧，对工件进行粗车加工，工件转速为70m/min，进给量为0.4mm/r，背吃刀量2mm，最终使得工件的直径达到轴头的端面最大直径；
掉头紧固另一端，进行粗车加工，按照轴颈、轴身和轴头的长度、直径，完成连接轴的粗加工；
采用半精车工艺，对连接轴各部位进行加工，工件转速为100m/min，进给量为0.1mm/r，背吃刀量0.3mm，使得各部位尺寸精度达到连接要求；
使用砂轮机对连接轴表面进行打磨，确保表面粗糙度为0.2微米。
实施例6
一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.35％，Si：0.45％，Mn：18.5％，Cr：17％，Cu：0.25％，Ni：0.4％，V：1.1％，Ce：0.06％，P：0.02％，S：0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种无磁连接轴，其制备方法如下：
按照上述无磁钢中各元素比例进行原料混合，放置于真空炉感应加热线圈中的坩埚内，利用电磁感应原理在原料中产生涡流，将原料融化为铁水(熔炼前向炉内充入惰性气体，排除空气对合金成分的影响)，并浇注到铸模中形成圆形合金钢棒；
对合金钢棒进行球化退火处理，降低合金钢棒的硬度以方便加工成型，球化退火处理的条件为：在750℃下保温180min，降温至600℃，保温90min，随后出炉空冷；
将退火后的工件安装于车床上，紧固住一侧，对工件进行粗车加工，工件转速为76m/min，进给量为0.5mm/r，背吃刀量3mm，最终使得工件的直径达到轴头的端面最大直径；
掉头紧固另一端，进行粗车加工，按照轴颈、轴身和轴头的长度、直径，完成连接轴的粗加工；
采用半精车工艺，对连接轴各部位进行加工，工件转速为105m/min，进给量为0.2mm/r，背吃刀量0.5mm，使得各部位尺寸精度达到连接要求；
使用砂轮机对连接轴表面进行打磨，确保表面粗糙度为1.1微米。
实施例7
一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.5％，Si：0.4％，Mn：19％，Cr：17.5％，Cu：0.3％，Ni：0.4％，V：1.3％，Y：0.05％，P：0.03％，S：0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种无磁连接轴，其制备方法如下：
按照上述无磁钢中各元素比例进行原料混合，放置于真空炉感应加热线圈中的坩埚内，利用电磁感应原理在原料中产生涡流，将原料融化为铁水(熔炼前向炉内充入惰性气体，排除空气对合金成分的影响)，并浇注到铸模中形成圆形合金钢棒；
对合金钢棒进行球化退火处理，降低合金钢棒的硬度以方便加工成型，球化退火处理的条件为：在700℃下保温180min，降温至600℃，保温90min，随后出炉空冷；
将退火后的工件安装于车床上，紧固住一侧，对工件进行粗车加工，工件转速为80m/min，进给量为0.6mm/r，背吃刀量3mm，最终使得工件的直径达到轴头的端面最大直径；
掉头紧固另一端，进行粗车加工，按照轴颈、轴身和轴头的长度、直径，完成连接轴的粗加工；
采用半精车工艺，对连接轴各部位进行加工，工件转速为110m/min，进给量为0.3mm/r，背吃刀量0.6mm，使得各部位尺寸精度达到连接要求；
使用砂轮机对连接轴表面进行打磨，确保表面粗糙度为2.1微米。
实施例8
一种无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.3％，Si：0.3％，Mn：19％，Cr：19％，Cu：0.3％，Ni：0.5％，V：1％，Y：0.1％，P：0.2％，S：0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种无磁连接轴，其制备方法如下：
按照上述无磁钢中各元素比例进行原料混合，放置于真空炉感应加热线圈中的坩埚内，利用电磁感应原理在原料中产生涡流，将原料融化为铁水(熔炼前向炉内充入惰性气体，排除空气对合金成分的影响)，并浇注到铸模中形成圆形合金钢棒；
对合金钢棒进行球化退火处理，降低合金钢的硬度以方便加工成型，球化退火处理的条件为：在700℃下保温180min，降温至650℃，保温90min，随后出炉空冷；
将退火后的工件安装于车床上，紧固住一侧，对工件进行粗车加工，工件转速为73m/min，进给量为0.5mm/r，背吃刀量2.5mm，最终使得工件的直径达到轴头的端面最大直径；
掉头紧固另一端，进行粗车加工，按照轴颈、轴身和轴头的长度、直径，完成连接轴的粗加工；
采用半精车工艺，对连接轴各部位进行加工，工件转速为107m/min，进给量为0.2mm/r，背吃刀量0.5mm，使得各部位尺寸精度达到连接要求；
使用砂轮机对连接轴表面进行打磨，确保表面粗糙度为1.6微米。
实验例1
对实施例1-4制备的无磁钢螺栓进行性能检测，并以市售A2-70不锈钢螺栓、6061铝合金螺栓作为对比，检测指标分别为抗拉强度、屈服强度、螺栓性能等级、相对磁导率和抗腐蚀性能。各指标的检测方法如下：
抗拉强度、屈服强度、螺栓性能等级的检测参照中华人民共和国国家标准GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》；
相对磁导率的检测参照中华人民共和国国家标准GB/T 35690-2017《弱磁材料相对磁导率的测量方法》；
抗腐蚀性能的检测参照中华人民共和国国家标准GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》。
各检测指标如表1所示。
表1无磁钢螺栓性能检测结果
Figure BDA0002414671980000111
Figure BDA0002414671980000121
如表1可知，本发明提供的无磁钢螺栓具有良好的机械性能、无磁性能和耐腐蚀性能，完全满足特高压领域的结构连接要求。与A2-70不锈钢螺栓、6061铝合金螺栓相比，具有更优的机械性能和无磁性能。
实验例2
对实施例5-8制备的无磁连接轴进行性能检测，并以市售304不锈钢连接轴作为对比，检测指标分别为抗拉强度、屈服强度、相对磁导率和抗腐蚀性能。各指标的检测方法如下：
抗拉强度、屈服强度的检测参照中华人民共和国国家标准GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》；
相对磁导率的检测参照中华人民共和国国家标准GB/T 35690-2017《弱磁材料相对磁导率的测量方法》；
抗腐蚀性能的检测参照中华人民共和国国家标准GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》。
各检测指标如表2所示。
表2无磁连接轴性能检测结果
Figure BDA0002414671980000131
如表2可知，本发明提供的无磁连接轴具有良好的机械性能、无磁性能和耐腐蚀性能，完全满足特高压领域的结构连接要求。与304不锈钢连接轴相比，具有更优的机械性能和无磁性能。
由实验例1和实验例2可以看出，本发明提供的无磁钢，通过对各元素含量的控制，能够使无磁钢同时具有优良的无磁性能、机械性能和耐腐蚀性能，将其制备成无磁钢螺栓或者无磁连接轴，能够满足特高压领域的结构连接要求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种无磁钢，其特征在于，其成分按质量百分比计为：C：0.3～0.5％，Si：0.3～0.6％，Mn：18～19％，Cr：17～19％，Cu：0.2～0.3％，Ni：0.4～0.5％，V：1.0～1.3％，RE：0.05～0.1％，P≤0.2％，S≤0.01％，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的无磁钢，其特征在于，RE为La、Ce或Y中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的无磁钢，其特征在于，其成分按质量百分比计为：C：0.4％，Si：0.5％，Mn：18％，Cr：18％，Cu：0.2％，Ni：0.45％，V：1.2％，La：0.07％，P：0.05％，S：0.01％，其余为Fe。
4.根据权利要求1或2所述的无磁钢，其特征在于，其成分按质量百分比计为：C：0.35％，Si：0.45％，Mn：18.5％，Cr：17％，Cu：0.25％，Ni：0.4％，V：1.1％，Ce：0.06％，P：0.02％，S：0.01％，其余为Fe。
5.如权利要求书1或2所述的无磁钢，其特征在于其成分按质量百分比计为：C：0.5％，Si：0.4％，Mn：19％，Cr：17.5％，Cu：0.3％，Ni：0.4％，V：1.3％，Y：0.05％，P：0.03％，S：0.008％，其余为Fe。
6.一种由权利要求1-5任一所述的无磁钢制备形成的无磁钢螺栓。
7.一种权利要求6所述的无磁钢螺栓的制备方法，其特征在于，包括：
按照所述无磁钢中各元素比例进行原料混合，依次进行真空熔炼、浇注得到钢锭，将所述钢锭轧制成合金钢；
将所述合金钢进行加工得到无磁钢螺栓。
8.一种权利要求7所述的无磁钢螺栓的制备方法，其特征在于，
对所述无磁钢螺栓依次进行酸洗和水洗，除去表面杂质，
其中，所述酸洗的时间为4-5min，酸洗液各成分的质量百分比为：硝酸15-20％、氢氟酸8-15％，其余为水。
9.根据权利要求7或8所述的无磁钢螺栓的制备方法，其特征在于，将所述合金钢加工得到无磁钢螺栓的过程中包括球化退火处理的步骤，条件为在700-750℃下保温180min，降温至600-650℃，保温90min，空冷。
10.根据权利要求7-9任一所述的无磁钢螺栓的制备方法，其特征在于，将所述合金钢加工得到无磁钢螺栓的过程中包括将加工成型的螺栓进行固溶处理和时效处理的步骤，
所述固溶处理的条件为：在950-1000℃下保温50-60min，水冷至常温；
所述时效处理的条件为：在700-750℃下保温280-300min，空冷。
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