CN114561587A - 一种高强长寿命螺柱材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强长寿命螺柱材料及其制备方法，包括以下重量百分比的组分：C 0.1‑0.3%、Si 0.1‑0.3%、Mo 2‑4%、Ni 3‑6%、Mn 1‑2%、Hf 0.05‑0.1%、Ga 1‑2%、Cu 3‑6%、Co 0.3‑0.8%、Zr 1‑3%、Zn 5‑8%、Ir 0.1‑0.2%、B 0.01‑0.03%，余量为Fe；所述高强长寿命螺柱材料还包括有机保护涂层；所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑40‑60份、2,2‑双(3‑氨基‑4‑羟基苯基)六氟丙烷5‑8份、缩水甘油醚8‑10份、溶剂50‑60份。本发明公开的高强长寿命螺柱材料机械强度和硬度高，耐腐蚀性、耐磨性和韧性足，使用寿命长。

Description

一种高强长寿命螺柱材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及螺柱材料技术领域，尤其涉及一种高强长寿命螺柱材料及其制备方法。
背景技术
在现在的工业生产和日常生活中，螺柱的使用非常普遍，其是机械设备重要的连接部件，配有螺母、垫片的圆柱形双头螺纹紧固件，可以安装和固定各机械部件，保证设备的完整性和稳定性。随着螺柱使用范围的进一步拓展，对其性能要求也越来越高。理想的螺柱材料不仅需要具有较高的机械强度，还需要具有优异的耐腐蚀性、耐磨性和较长的使用寿命。
传统螺柱是通过对中碳合金结构钢进行退火、酸洗、抽线、成型、碾牙、热处理等过程制备而成。这类材料普遍存在强度不够、韧性不足，硬度较低，耐磨性能差，工程应用过程中易出现螺柱疲劳断裂和螺纹变形等强度欠缺问题，无法满足高速发展的工业、建筑业的需求。除此之外，市面上的螺柱材料还或多或少存在不能满足高温和严寒要求，抗腐蚀性能不足等缺陷。
为了解决上述问题，中国发明专利CN110885953B提供了一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料及制备方法，包括以下重量百分比的组分：C 0.11-0.17%，Si 0.2-0.4%，Mn0.38-0.58%，Cr 1.45-1.75%，Ni 4.5-5.2%，W 0.9-1.3%，V 0.07-0.12%，稀土元素RE 0.03-0.04%，Ti 0.04-0.08%，Nb 0.01-0.02%，S≤0.02%，P≤0.02%，余量为铁。该发明采用酸洗、淬火、回火、滚丝碾牙、去应力处理和表面处理等工艺，对螺柱进行处理，采用碾牙处理，冷加工塑性变形不会对热处理后的组织产生影响，提高了材料的强度和韧性。然而其耐磨性、耐腐蚀性和耐用性有待进一步提高。
因此，开发一种机械强度和硬度高，耐腐蚀性、耐磨性和韧性足，使用寿命长的高强长寿命螺柱材料及其制备方法符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进螺柱材料领域的发展具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种机械强度和硬度高，耐腐蚀性、耐磨性和韧性足，使用寿命长的高强长寿命螺柱材料及其制备方法。
为达到以上目的，本发明提供一种高强长寿命螺柱材料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：C 0.1-0.3%、Si 0.1-0.3%、Mo 2-4%、Ni 3-6%、Mn 1-2%、Hf 0.05-0.1%、Ga1-2%、Cu 3-6%、Co 0.3-0.8%、Zr 1-3%、Zn 5-8%、Ir 0.1-0.2%、B 0.01-0.03%，余量为Fe。
本发明的另一个目的，在于提供一种所述高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、将各组分按重量百分比配料后，加入到熔炉中熔化，精炼，然后在惰性气体氛围下将合金熔液导入模具中进行冷却，脱模后得到螺柱毛坯；
步骤S102、螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；
步骤S103、对棒状粗坯依次进行磷化、皂化和热处理；
步骤S104、进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙。
优选的，步骤S101中所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的任意一种。
优选的，所述熔化温度为1050-1250℃。
优选的，所述精炼是在LF精炼炉中进行的，精炼过程中加入精炼剂，同时进行搅拌45-65min，造渣时间为15-25min。
优选的，所述精炼剂包括如下按重量份计的各成分：萤石10-15份、尖晶石8-12份、石灰13-16份、六氟铝酸钠2-4份、氯化钠15-20份。
优选的，所述精炼剂、合金熔液的质量比为(2-3):100。
优选的，所述热处理包括正火、回火和退火处理；所述磷化、皂化方法采用现有技术。
优选的，所述正火温度为560-700℃，保温时间为35-50分钟；所述回火温度为380-440℃，保温时间1-2小时。
优选的，所述退火温度为600-740℃，保温时间1-3小时。
优选的，所述高强长寿命螺柱材料还包括有机保护涂层。
优选的，所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑40-60份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷5-8份、缩水甘油醚8-10份、溶剂50-60份。
优选的，所述端基为氨基的超支化聚苯并咪唑的来源无特殊要求，在本发明的一个实施例中，所述端基为氨基的超支化聚苯并咪唑是按中国发明专利CN1331916C中实施例1的方法制成。
优选的，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
由于上述技术方案的运用，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明公开的高强长寿命螺柱材料的制备方法，采用常规生产线和工艺即可实现，资金投入少，操作控制方便，制备效率高，适合连续规模化生产需要。
（2）本发明公开的高强长寿命螺柱材料，包括以下重量百分比的组分：C 0.1-0.3%、Si 0.1-0.3%、Mo 2-4%、Ni 3-6%、Mn 1-2%、Hf 0.05-0.1%、Ga 1-2%、Cu 3-6%、Co 0.3-0.8%、Zr 1-3%、Zn 5-8%、Ir 0.1-0.2%、B 0.01-0.03%，余量为Fe。通过各元素成分的相互配合共同作用，使得制成的产品机械强度和硬度高，耐腐蚀性、耐磨性和韧性足，使用寿命长。
（3）本发明公开的高强长寿命螺柱材料，热处理包括正火、回火和退火处理，通过温度的合理选取，协同作用，使得制成的材料裂纹率低，良品率高，机械强度和韧性足。所述精炼剂包括如下按重量份计的各成分：萤石10-15份、尖晶石8-12份、石灰13-16份、六氟铝酸钠2-4份、氯化钠15-20份。它们相互配合使得精炼效果更好，合金熔液纯度更高。
（4）本发明公开的高强长寿命螺柱材料，还包括有机保护涂层，所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑40-60份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷5-8份、缩水甘油醚8-10份、溶剂50-60份。端基为氨基的超支化聚苯并咪唑上的氨基和2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷上的氨基能与缩水甘油醚发生环氧开环反应，形成互穿网络结构，有效增强了材料的耐腐蚀性和耐用性，从而延长了材料的使用寿命；其引入的含氟、超支化苯并咪唑结构，在电子效应、位阻效应和共轭效应的多重作用下使得材料使用寿命更长。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例1
一种高强长寿命螺柱材料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：C 0.1%、Si0.1%、Mo 2%、Ni 3%、Mn 1%、Hf 0.05%、Ga 1%、Cu 3%、Co 0.3%、Zr 1%、Zn 5%、Ir 0.1%、B0.01%，余量为Fe。
一种所述高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、将各组分按重量百分比配料后，加入到熔炉中熔化，精炼，然后在惰性气体氛围下将合金熔液导入模具中进行冷却，脱模后得到螺柱毛坯；
步骤S102、螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；
步骤S103、对棒状粗坯依次进行磷化、皂化和热处理；
步骤S104、进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙。
步骤S101中所述惰性气体为氮气；所述熔化温度为1050℃；所述精炼是在LF精炼炉中进行的，精炼过程中加入精炼剂，同时进行搅拌45min，造渣时间为15min；所述精炼剂包括如下按重量份计的各成分：萤石10份、尖晶石8份、石灰13份、六氟铝酸钠2份、氯化钠15份；所述精炼剂、合金熔液的质量比为2:100。
所述热处理包括正火、回火和退火处理；所述磷化、皂化方法采用现有技术；所述正火温度为560℃，保温时间为35分钟；所述回火温度为380℃，保温时间1小时；所述退火温度为600℃，保温时间1小时。
所述高强长寿命螺柱材料还包括有机保护涂层；所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑40份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷5份、缩水甘油醚8份、溶剂50份；所述端基为氨基的超支化聚苯并咪唑是按中国发明专利CN1331916C中实施例1的方法制成；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
实施例2
一种高强长寿命螺柱材料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：C 0.15%、Si0.15%、Mo 2.5%、Ni 4%、Mn 1.2%、Hf 0.07%、Ga 1.2%、Cu 4%、Co 0.4%、Zr 1.5%、Zn 6%、Ir0.12%、B 0.015%，余量为Fe。
一种所述高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、将各组分按重量百分比配料后，加入到熔炉中熔化，精炼，然后在惰性气体氛围下将合金熔液导入模具中进行冷却，脱模后得到螺柱毛坯；
步骤S102、螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；
步骤S103、对棒状粗坯依次进行磷化、皂化和热处理；
步骤S104、进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙。
步骤S101中所述惰性气体为氦气；所述熔化温度为1100℃；所述精炼是在LF精炼炉中进行的，精炼过程中加入精炼剂，同时进行搅拌50min，造渣时间为17min；所述精炼剂包括如下按重量份计的各成分：萤石12份、尖晶石9份、石灰14份、六氟铝酸钠2.5份、氯化钠17份；所述精炼剂、合金熔液的质量比为2.3:100。
所述热处理包括正火、回火和退火处理；所述磷化、皂化方法采用现有技术；所述正火温度为600℃，保温时间为40分钟；所述回火温度为400℃，保温时间1.2小时；所述退火温度为640℃，保温时间1.5小时。
所述高强长寿命螺柱材料还包括有机保护涂层；所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑45份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷6份、缩水甘油醚8.5份、溶剂53份；所述端基为氨基的超支化聚苯并咪唑是按中国发明专利CN1331916C中实施例1的方法制成；所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
实施例3
一种高强长寿命螺柱材料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：C 0.2%、Si0.2%、Mo 3%、Ni 4.5%、Mn 1.5%、Hf 0.08%、Ga 1.5%、Cu 4.5%、Co 0.6%、Zr 2%、Zn 6.5%、Ir0.15%、B 0.02%，余量为Fe。
一种所述高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、将各组分按重量百分比配料后，加入到熔炉中熔化，精炼，然后在惰性气体氛围下将合金熔液导入模具中进行冷却，脱模后得到螺柱毛坯；
步骤S102、螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；
步骤S103、对棒状粗坯依次进行磷化、皂化和热处理；
步骤S104、进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙。
步骤S101中所述惰性气体为氖气；所述熔化温度为1150℃；所述精炼是在LF精炼炉中进行的，精炼过程中加入精炼剂，同时进行搅拌55min，造渣时间为20min；所述精炼剂包括如下按重量份计的各成分：萤石13份、尖晶石10份、石灰14.5份、六氟铝酸钠3份、氯化钠18份；所述精炼剂、合金熔液的质量比为2.5:100。
所述热处理包括正火、回火和退火处理；所述磷化、皂化方法采用现有技术；所述正火温度为670℃，保温时间为44分钟；所述回火温度为415℃，保温时间1.5小时；所述退火温度为710℃，保温时间2小时。
所述高强长寿命螺柱材料还包括有机保护涂层；所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑50份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷6.5份、缩水甘油醚9份、溶剂55份；所述端基为氨基的超支化聚苯并咪唑是按中国发明专利CN1331916C中实施例1的方法制成；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
实施例4
一种高强长寿命螺柱材料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：C 0.25%、Si0.25%、Mo 3.5%、Ni 5.5%、Mn 1.8%、Hf 0.09%、Ga 1.9%、Cu 5.5%、Co 0.7%、Zr 2.5%、Zn7.5%、Ir 0.18%、B 0.025%，余量为Fe。
一种所述高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、将各组分按重量百分比配料后，加入到熔炉中熔化，精炼，然后在惰性气体氛围下将合金熔液导入模具中进行冷却，脱模后得到螺柱毛坯；
步骤S102、螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；
步骤S103、对棒状粗坯依次进行磷化、皂化和热处理；
步骤S104、进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙。
步骤S101中所述惰性气体为氩气；所述熔化温度为1220℃；所述精炼是在LF精炼炉中进行的，精炼过程中加入精炼剂，同时进行搅拌62min，造渣时间为23min；所述精炼剂包括如下按重量份计的各成分：萤石14份、尖晶石11份、石灰15份、六氟铝酸钠3.5份、氯化钠19份；所述精炼剂、合金熔液的质量比为2.8:100。
所述热处理包括正火、回火和退火处理；所述磷化、皂化方法采用现有技术；所述正火温度为680℃，保温时间为48分钟；所述回火温度为430℃，保温时间1.8小时；所述退火温度为730℃，保温时间2.5小时。
所述高强长寿命螺柱材料还包括有机保护涂层；所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑55份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷7.5份、缩水甘油醚9.5份、溶剂58份；所述端基为氨基的超支化聚苯并咪唑是按中国发明专利CN1331916C中实施例1的方法制成；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮按质量比3:5混合形成的混合物。
实施例5
一种高强长寿命螺柱材料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：C 0.3%、Si0.3%、Mo 4%、Ni 6%、Mn 2%、Hf 0.1%、Ga 2%、Cu 6%、Co 0.8%、Zr 3%、Zn 8%、Ir 0.2%、B0.03%，余量为Fe。
一种所述高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、将各组分按重量百分比配料后，加入到熔炉中熔化，精炼，然后在惰性气体氛围下将合金熔液导入模具中进行冷却，脱模后得到螺柱毛坯；
步骤S102、螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；
步骤S103、对棒状粗坯依次进行磷化、皂化和热处理；
步骤S104、进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙。
步骤S101中所述惰性气体为氮气；所述熔化温度为1250℃；所述精炼是在LF精炼炉中进行的，精炼过程中加入精炼剂，同时进行搅拌65min，造渣时间为25min；所述精炼剂包括如下按重量份计的各成分：萤石15份、尖晶石12份、石灰16份、六氟铝酸钠4份、氯化钠20份；所述精炼剂、合金熔液的质量比为3:100。
所述热处理包括正火、回火和退火处理；所述磷化、皂化方法采用现有技术；所述正火温度为700℃，保温时间为50分钟；所述回火温度为440℃，保温时间2小时；所述退火温度为740℃，保温时间3小时。
所述高强长寿命螺柱材料还包括有机保护涂层；所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑60份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷8份、缩水甘油醚10份、溶剂60份；所述端基为氨基的超支化聚苯并咪唑是按中国发明专利CN1331916C中实施例1的方法制成；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
对比例1
一种高强长寿命螺柱材料，其配方和制备方法与实施例1相似，不同的是没有添加Hf和Ga。
对比例2
一种高强长寿命螺柱材料，其配方和制备方法与实施例1相似，不同的是没有添加Ir和Co。
分别对本发明实施例制备的高强长寿命螺柱材料和对比例高强长寿命螺柱材料的性能进行测试，并以CN110885953B实施例1产品为对照产品，按照GB/T230 .1-2009《金属洛氏硬度试验》测试硬度，测试五次取平均值，计算统计各例产品较对照产品硬度的提升率；通过裂纹检测仪，测量各例产品的的裂纹率，计算统计各例产品较对照产品裂纹率降低率；通过我国相应现行国标测试各例拉伸强度，统计计算各例产品较对照产品拉伸强度提升率结果见表1。
表1
项目 硬度提升率（%） 裂纹率降低率（%） 拉伸强度提高率（%）
实施例1 43 20 45
实施例2 46 23 47
实施例3 51 25 50
实施例4 53 26 54
实施例5 56 28 56
对比例1 28 12 32
对比例2 33 10 28
从表1可以看出，本发明实施例制成的高强长寿命螺柱材料较对比例具有更高的拉伸强度和硬度，且裂纹率更低；Hf、Ga、Ir和Co的加入对上述性能的改善均有益。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种高强长寿命螺柱材料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：C 0.1-0.3%、Si 0.1-0.3%、Mo 2-4%、Ni 3-6%、Mn 1-2%、Hf 0.05-0.1%、Ga 1-2%、Cu 3-6%、Co 0.3-0.8%、Zr 1-3%、Zn 5-8%、Ir 0.1-0.2%、B 0.01-0.03%，余量为Fe。
2.一种根据权利要求1所述高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、将各组分按重量百分比配料后，加入到熔炉中熔化，精炼，然后在惰性气体氛围下将合金熔液导入模具中进行冷却，脱模后得到螺柱毛坯；
步骤S102、螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；
步骤S103、对棒状粗坯依次进行磷化、皂化和热处理；
步骤S104、进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙。
3.根据权利要求2所述的高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，步骤S101中所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的任意一种；所述熔化温度为1050-1250℃。
4.根据权利要求2所述的高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述精炼是在LF精炼炉中进行的，精炼过程中加入精炼剂，同时进行搅拌45-65min，造渣时间为15-25min。
5.根据权利要求4所述的高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述精炼剂包括如下按重量份计的各成分：萤石10-15份、尖晶石8-12份、石灰13-16份、六氟铝酸钠2-4份、氯化钠15-20份。
6.根据权利要求4所述的高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述精炼剂、合金熔液的质量比为(2-3):100。
7.根据权利要求2所述的高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述热处理包括正火、回火和退火处理；所述磷化、皂化方法采用现有技术。
8.根据权利要求2所述的高强长寿命螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述正火温度为560-700℃，保温时间为35-50分钟；所述回火温度为380-440℃，保温时间1-2小时；所述退火温度为600-740℃，保温时间1-3小时。
9.根据权利要求1所述的高强长寿命螺柱材料，其特征在于，所述高强长寿命螺柱材料还包括有机保护涂层；所述有机保护涂层是由如下按重量份计的各原料制成：端基为氨基的超支化聚苯并咪唑40-60份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷5-8份、缩水甘油醚8-10份、溶剂50-60份。
10.根据权利要求9所述的高强长寿命螺柱材料，其特征在于，所述端基为氨基的超支化聚苯并咪唑是按中国发明专利CN1331916C中实施例1的方法制成；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
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