CN111655883A - 螺栓 - Google Patents

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Abstract

本发明的螺栓具有回火马氏体组织，并且是具有下述组成的高碳钢的高强度螺栓：含有0.50质量％以上且0.65质量％以下的碳(C)、1.5质量％以上且2.5质量％以下的硅(Si)、1.0质量％以上且2.0质量％以下的铬(Cr)、0.2质量％以上且1.0质量％以下的锰(Mn)和1.5质量％以上且5.0质量％以下的钼(Mo)；作为杂质的磷(P)与硫(S)的总含量为0.03质量％以下；余部为铁(Fe)。并且，由于碳浓度满足下述式(1)，抑制了表面侧的马氏体相变发生的温度(Ms点)的上升，因此，热裂感受性较低、耐延迟断裂性优异。0.75≤X<1···式(1)。其中，式(1)中，X表示表面碳浓度/内部碳浓度。

Description

螺栓
技术领域
本发明涉及螺栓，更详细而言，涉及热裂感受性较低、耐延迟断裂性优异的高强度螺栓和高强度螺栓的制造方法。
背景技术
从车辆的轻量化、紧凑化、高性能化的需求出发，需要螺栓的高强度化。
通常，高强度螺栓通过淬火、回火而被赋予强度，具有回火马氏体组织。
通常，具有回火马氏体组织、拉伸强度大于1200MPa的高碳钢的螺栓在使用中断裂的、所谓的“延迟断裂”的发生是显著的。
延迟断裂是在静应力下，经过一定时间后，突然脆性断裂的现象，是因材料-环境-应力的相互作用而产生的一种环境脆化，认为是氢引起的材质劣化。
专利文献1中公开了通过使用给定组成的高碳钢，而抑制延迟断裂的高强度螺栓。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/031528号
发明内容
发明所解决的技术问题
然而，使用了高碳钢的高强度螺栓易于发生热处理引起的淬火开裂，通过磁粉探伤检查排除缺陷品，但是当裂纹极微少时存在磁粉探伤检查无法检出的风险。
鉴于这样的以往技术具有的问题而完成了本发明，本发明的目的是提供，热裂感受性较低、耐延迟断裂性优异的高强度的螺栓。
解决问题的技术手段
本发明人为了达成所述目的而重复深入研究，结果发现，原因在于在高碳钢中易于在淬火时发生脱炭，使马氏体相变从表面侧发生。
并且，发现通过使表面与内部的发生马氏体相变的温度(Ms点)的差减小，而达成所述目的，完成了本发明。
即，本发明的螺栓是具有回火马氏体组织的高碳钢的高强度螺栓，
其组成为：
含有0.50质量％以上且0.65质量％以下的碳(C)、1.5质量％以上且2.5质量％以下的硅(Si)、1.0质量％以上且2.0质量％以下的铬(Cr)、0.2质量％以上且1.0质量％以下的锰(Mn)和1.5质量％以上且5.0质量％以下的钼(Mo)；
作为杂质的磷(P)与硫(S)的总含量为0.03质量％以下；
余部为铁(Fe)，并且
所述螺栓的碳浓度满足下述式(1)，
0.75≤X<1···式(1)
其中，式(1)中，X表示表面碳浓度/内部碳浓度，
所述表面碳浓度是螺栓轴部的距最表面深度为0.025mm的位置的碳浓度(质量％)，所述内部碳浓度是螺栓轴部的中心线的位置的碳浓度(质量％)。
此外，本发明的螺栓的制造方法具有对螺栓进行淬火的淬火工序，
所述螺栓具有下述组成：
含有0.50质量％以上且0.65质量％以下的碳(C)、1.5质量％以上且2.5质量％以下的硅(Si)、1.0质量％以上且2.0质量％以下的铬(Cr)、0.2质量％以上且1.0质量％以下的锰(Mn)和1.5质量％以上且5.0质量％以下的钼(Mo)；
作为杂质的磷(P)与硫(S)的总含量为0.03质量％以下；
余部为铁(Fe)，
并且，所述制造方法的所述淬火工序满足下述式(3)和式(4)，
CP>0.45···式(3)
螺栓碳浓度×0.75≤CP<螺栓碳浓度×1···式(4)
其中，式(3)、式(4)中CP表示淬火时的氛围的碳势(质量％)，所述螺栓碳浓度是淬火前的螺栓的轴部的中心线的位置的碳浓度(质量％)。
发明效果
如果根据本发明，则能够通过使表面与内部的碳浓度的梯度减小，而抑制表面侧的马氏体相变发生的温度(Ms点)的上升，因此，提供热裂感受性较低、耐延迟断裂性优异的高强度的螺栓。
具体实施方式
对本发明的螺栓详细地进行说明。
所述螺栓是具有回火马氏体组织的高碳钢的高强度螺栓，
组成为：含有0.50质量％以上且0.65质量％以下的碳(C)、1.5质量％以上且2.5质量％以下的硅(Si)、1.0质量％以上且2.0质量％以下的铬(Cr)、0.2质量％以上且1.0质量％以下的锰(Mn)和1.5质量％以上且5.0质量％以下的钼(Mo)；作为杂质的磷(P)与硫(S)的总含量为0.03质量％以下；余部为铁(Fe)。
并且，所述螺栓的碳浓度满足下述式(1)，
0.75≤X<1···式(1)
其中，式(1)中，X表示表面碳浓度/内部碳浓度，
所述表面碳浓度是螺栓轴部的距最表面深度为0.025mm的位置的碳浓度(质量％)，所述内部碳浓度是螺栓轴部的中心线的位置的碳浓度(质量％)。
通常，碳钢通过淬火而进行马氏体相变并形成马氏体组织。
所述淬火后的马氏体组织是相同化学组成的组织中表现出最高硬度的组织，就淬火的碳钢而言，虽然随着碳浓度越高硬度越高，但是碳浓度越高的碳钢韧性越低而变脆，因此需要回火。
在本发明中，“回火马氏体组织”是通过淬火后进行回火而形成的组织，是从淬火的马氏体组织析出碳化铁(Fe3C)而成的组织即屈氏体组织、索氏体组织。
所述屈氏体是铁氧体与渗碳体的混合组织，通过在约400℃下进行回火而形成，所述索氏体组织是碳化铁(Fe3C)相比于屈氏体组织进一步粗化并凝聚而成的组织，可以通过在550～650℃下进行回火而形成。尤其是，由于索氏体组织具有韧性并且更耐冲击，故为优选的。
就满足所述碳浓度的高碳钢的螺栓而言，通过使表面碳浓度与内部碳浓度的关系满足所述式(1)，而得到热裂感受性变低、没有热裂缺陷、耐延迟断裂性优异的高强度的螺栓。
淬火引起的马氏体相变是伴随剪断变形的相变，是发生宏观的形状变化的相变。
并且，碳浓度较高的碳钢易于在淬火时发生脱炭，易于使表面与内部之间的碳浓度的差变大。此外，通常，当碳浓度的减少时，同时碳钢的发生马氏体相变的温度(Ms点)上升。
并且，由于因脱炭产生的碳浓度的梯度使马氏体相变时的发生应变增大，因此，发生龟裂。
在本发明中，由于满足所述式(1)、碳浓度的梯度较小，因此，在表面与内部均匀地发生马氏体相变，使拉伸应力变小，热裂感受性变低，能够防止龟裂的发生。
在所述式(1)的X小于0.75的情况下，易于发生热裂，在所述式(1)的X为1以上的情况下，因渗碳而使得表面的碳浓度变得过高，因此，耐延迟断裂性降低。
接下来，对螺栓的组成进行说明。
碳(C)的含量为0.50质量％以上且0.65质量％以下。
当碳的含量小于0.50质量％时，由于不能得到充分的抗回火软化性，因回火而软化，因此，不能在高温下进行回火，耐延迟断裂性降低。
此外，当碳的含量大于0.65质量％时，由于集聚氢的渗碳体的量显著增加，因此，耐延迟断裂性变得不优异。
硅(Si)的含量为1.5质量％以上且2.5质量％以下。
当硅的含量小于1.5质量％时，由于拉伸强度降低，并且，不能得到充分的抗回火软化性，不能实施在高温下的回火，因此，耐延迟断裂性降低。
当硅的含量大于2.5质量％时，由于锻造性显著恶化，因此，难以将螺栓成形为给定的形状。
铬(Cr)的含量为1.0质量％以上且2.0质量％以下。
当铬的含量小于1.0质量％时，由于不能得到充分的抗回火软化性，不能实施在高温下的回火，因此，耐延迟断裂性降低。
此外，当铬的含量大于2.0时，钢材的冷锻性降低。
锰(Mn)的含量为0.2质量％以上且1.0质量％以下。
锰是提高淬透性的元素，通过包含0.2质量％以上而使拉伸强度提高。
此外，当锰的含量大于1.0质量％时，通过促进向晶界的偏析，而使晶界强度降低并且使耐延迟断裂性降低。
钼(Mo)的含量为1.5质量％以上且5.0质量％以下。
当钼的含量为1.5质量％以下时，由于成为氢的捕获位点(Trap site)的钼类炭化物的生成量不充足，因此，不能抑制氢脆化并且使耐延迟断裂性降低。
此外，钼是用于得到马氏体组织并提高淬透性、使回火处理时的抗软化性增加、得到高强度的有效的元素，即使含量大于5.0质量％，也不能得到增加带来的效果。
磷与硫的总含量为0.03质量％以下，更优选为0.02％质量％以下。
当磷与硫的总含量大于0.03质量％时，由于促进晶界偏析，使得晶界结合力变小并且晶界强度降低，因此，使得耐延迟断裂性降低。
此外，就所述组成的螺栓而言，优选表面碳浓度为0.45质量％以上且0.6质量％以下。
由于在淬火时，热从表面传递至内部，因此，表面与内部之间产生温度差而从表面发生马氏体相变。
通过使表面碳浓度满足所述范围、表面碳浓度略低于内部碳浓度，而能够使在淬火时碳浓度差引起的马氏体相变的时间偏差减小，能够使热裂感受性降低。
在表面碳浓度小于0.45质量％的情况下，变得容易发生热裂，并且，当表面碳浓度大于0.6％时，存在于螺栓中的扩散性氢变得容易聚集在应力集中部而变得容易发生延迟断裂。
此外，优选所述螺栓满足下述式(2)，
-20(HV)≤H≤50(HV)···式(2)
其中，式(2)中，H表示内部硬度-表面硬度，
所述内部硬度是螺栓轴部的中心线的位置的维氏硬度，所述表面硬度是螺栓轴部的距最表面深度为0.05mm的位置的维氏硬度。
通过满足所述式(2)，而防止不完全淬火，使表面与内部的组织的不均匀减小，形成标准性的组织，因此，使拉伸强度、耐延迟断裂性等的物性的不均匀变小。
此外，就所述螺栓而言，优选表面硬度为420(HV)以上且600(HV)以下。表面硬度在所述范围内的高碳钢的螺栓形成有回火马氏体组织，使硬度与韧性的平衡提高。
此外，就所述螺栓而言，优选拉伸强度为1500MPa以上且1800MPa以下。如果拉伸强度在所述范围内，则例如，可以适宜用于具有多连杆机构的往复式发动机的下连杆。
<螺栓的制造方法>
所述螺栓可以通过本发明的螺栓的制造方法而制造，所述螺栓的制造方法具有淬火工序和回火工序。
所述淬火工序是使螺栓的硬度提高的工序，是抑制脱炭，同时将螺栓的金属组织加热直至变为奥氏体组织后，快速冷却而得到马氏体组织的热处理，满足下述式(3)和式(4)。
CP>0.45···式(3)
螺栓碳浓度×0.75≤CP<螺栓碳浓度×1···式(4)
其中，式(3)、式(4)中CP表示淬火时的氛围的碳势(质量％)，所述螺栓碳浓度是淬火前的螺栓的轴部的中心线的位置的碳浓度(质量％)。
具体而言，优选碳势大于0.45且为0.60以下，更优选为0.50以上且0.60以下，进一步优选为0.55以上且0.60以下。
碳浓度高的螺栓容易因加热而发生脱炭，容易发生热裂。
在本发明中，由于所述淬火工序满足所述式(3)和所述式(4)，因此，脱炭得到抑制并且表面与内部大致同时发生马氏体相变，能够防止热裂的发生，同时能够抑制硬度的降低。
淬火时的氛围的碳势可以通过下述方式调节：对由炉内气体分解生成的水蒸气的露点进行测量而管理淬火时的氛围的碳浓度，根据淬火时的氛围的碳浓度而将包含CO(一氧化碳)并且碳浓度高的气体导入炉内。
并且，通过使碳浓度高的气体与螺栓接触而使螺栓表面的碳浓度的降低得到抑制。
在所述式(3)的淬火时的氛围的碳势(CP)为0.45以下的情况下，由于易于发生脱炭，不能使淬火温度提高，因此，使得螺栓的硬度降低。
在所述式(4)的CP小于螺栓碳浓度×0.75的情况下，发生脱炭并且使得螺栓的强度降低，当大于螺栓碳浓度×1时，发生渗碳，使得韧性降低而变脆。
所述淬火通过加热至900℃～980℃并冷却至120℃以下而进行。通过在所述温度范围内进行淬火，而形成马氏体组织并使硬度变高。
作为进行所述淬火的热处理炉，如果能够调整至所述范围的碳势，则没有特别制限，但是由于连续炉式热处理炉难以提高碳势，因此，优选使用间歇式热处理炉。
就所述回火而言，例如，在580℃～625℃下进行。通过在该温度范围内进行回火，而能够使晶界渗碳体组织球状化并微细分散、提高晶界强度。
实施例
以下，通过实施例详细地说明本发明，但是本发明不限于下述实施例。
在对具有下述表1所示的组成的高强度螺栓用碳钢，进行冷锻、螺纹滚压后，在下述表2所示的条件下进行热处理，得到高强度螺栓。
[表1]
Figure BDA0002607664310000071
[表2]
Figure BDA0002607664310000081
在以下的条件下对实施例1～7和比较例1～6的高强度螺栓进行评价。
评价结果示于表3。
<碳浓度的测定>
沿与轴的中心线垂直的面切断螺栓的轴，通过电子探针显微分析仪(ElectronProbe Micro Analyzer；EPMA)对截面的从表面向内部方向的碳浓度进行测定，得到表面碳量(质量％)和表面碳浓度/内部碳浓度。
<拉伸强度的测定>
螺栓的拉伸强度，根据JIS B1051(2009)对拉伸强度(MPa)进行测定。
<硬度的测定>
沿与轴的中心线垂直的面切断螺栓的颈部附近的轴部，以试验负载2.94N，对距表面为0.05mm的位置的维氏硬度(HV)和轴部的中心线的位置的维氏硬度(HV)进行测定。
<热裂试验>
观察进行了热处理的螺栓，确认有无热裂发生。
○：不存在发生了热裂的螺栓
×：发生了热裂的螺栓为1％以上
<延迟断裂试验>
将在常温下在盐酸水溶液中浸渍给定时间设为1个循环，观察并评价螺栓是否破损。
○：即使重复20个循环也无破损。
▲：在10个循环～20个循环后破损。
×：小于10循环后破损。
[表3]
Figure BDA0002607664310000091
由表1～3可知，通过在淬火时的氛围的碳势满足式(3)和式(4)的条件下进行热处理，而能够制造满足式(1)的螺栓。
此外，可知，满足式(1)的本发明的螺栓是具有1500MPa以上的拉伸强度、耐延迟断裂性和耐热处理裂纹性优异的螺栓。

Claims (6)

1.一种螺栓，其是具有回火马氏体组织的螺栓，所述螺栓具有下述组成：
含有0.50质量％以上且0.65质量％以下的碳(C)、1.5质量％以上且2.5质量％以下的硅(Si)、1.0质量％以上且2.0质量％以下的铬(Cr)、0.2质量％以上且1.0质量％以下的锰(Mn)和1.5质量％以上且5.0质量％以下的钼(Mo)；
作为杂质的磷(P)与硫(S)的总含量为0.03质量％以下；
余部为铁(Fe)，并且
所述螺栓的碳浓度满足下述式(1)，
0.75≤X<1···式(1)
其中，式(1)中，X表示表面碳浓度/内部碳浓度，
所述表面碳浓度是螺栓轴部的距最表面深度为0.025mm的位置的碳浓度(质量％)，所述内部碳浓度是螺栓轴部的中心线的位置的碳浓度(质量％)。
2.根据权利要求1所述的螺栓，其中，
所述表面碳浓度为0.45质量％以上且0.6质量％以下。
3.根据权利要求1或2所述的螺栓，其满足下述式(2)，
-20(HV)≤H≤50(HV)···式(2)
其中，式(2)中，H表示内部硬度-表面硬度，
所述内部硬度是螺栓轴部的中心线的位置的维氏硬度，所述表面硬度是螺栓轴部的距最表面深度为0.05mm的位置的维氏硬度。
4.根据权利要求3所述的螺栓，其中，
所述表面硬度为420(HV)以上且600(HV)以下。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的螺栓，其中，
拉伸强度为1500MPa以上且1800MPa以下。
6.一种螺栓的制造方法，其是具有淬火工序、回火工序的螺栓的制造方法，
所述螺栓具有下述组成：
含有0.50质量％以上且0.65质量％以下的碳(C)、1.5质量％以上且2.5质量％以下的硅(Si)、1.0质量％以上且2.0质量％以下的铬(Cr)、0.2质量％以上且1.0质量％以下的锰(Mn)和1.5质量％以上且5.0质量％以下的钼(Mo)；
作为杂质的磷(P)与硫(S)的总含量为0.03质量％以下；
余部为铁(Fe)，并且
所述制造方法的所述淬火工序满足下述式(3)和式(4)，
CP>0.45···式(3)
螺栓碳浓度×0.75≤CP<螺栓碳浓度×1···式(4)
其中，式(3)、式(4)中CP表示淬火时的氛围的碳势(质量％)，所述螺栓碳浓度是淬火前的螺栓的轴部的中心线的位置的碳浓度(质量％)。
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