CN115404399B - 一种均质高强耐久螺栓用钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均质高强耐久螺栓用钢，其除了Fe和不可避免的杂质以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：C：0.37‑0.45％；Si：0.01‑0.08％；Mn：0.45‑0.80％；Cr：0.90‑1.30％；Mo：0.20‑0.45％；Ni：0.10‑0.30％；V：0.15‑0.30％；Al：0.015‑0.035％。此外，本发明还公开了一种均质高强耐久螺栓用钢的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼；(2)铸造；(3)高速线材轧制；(4)斯太尔摩控冷；(5)热处理：其中球化热处理的保温温度为760‑790℃，保温时间为4‑12h，保温后缓慢冷却，冷却速度低于40℃/h，控制盘条拉拔减面率为5‑30％，调质热处理加热温度为850‑950℃，回火温度为500‑600℃。本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢的组织、性能均匀，其生产升本较低，且具有较高的强度和良好的耐延迟断裂性能。

Description

一种均质高强耐久螺栓用钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料及其制备方法，尤其涉及一种钢种及其制备方法。
背景技术
紧固件是将两个或两个以上的零件(或构件)紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称，它是国民经济各部门应用范围最广、使用数量最多的机械基础件，素有“工业之米”之称。螺栓紧固件连接具有简单便捷、可以多次拆卸重新装配、标准化程度高、成本低等优点。在各种机械设备、车辆船舶、飞机卫星、铁路桥梁、建筑结构、工具器械、仪器仪表和生活用品等上面，都使用了各种各样、数量可观的紧固件。
目前，紧固件主要用于汽车工业、电子工业和建筑及维修工业中。其中，紧固件在汽车工业中的应用最为广泛，汽车紧固件常用材料有钛合金、钢、铜、铝、尼龙和其他金属、非金属等，汽车紧固件用钢按照产品特点可分为以下四类：(1)非热处理型；主要是低碳钢系列，加工的成品等级是3.6-5.8级；(2)调质型：主要是中碳钢、低合金钢、合金钢系列；(3)表面硬化型：以ML18Mn、ML22Mn、ML20Cr为代表，主要加工的成品为自攻螺钉、自攻自钻螺钉和其他要求表面渗碳型的产品；(4)非调质钢：也称为合金非调质钢，紧固件用非调质钢主要是冷作硬化型非调质钢，牌号前常冠以字母“LF”。
目前，市场广泛使用的汽车高强度紧固件共有四个性能等级，分别是8.8、9.8、10.9和12.9级，8.8级以上的高强度螺栓因为需要承受较大的载荷，又因受力状态非常复杂，所以这类螺栓多采用中碳或中碳合金钢制造，并需要经过调质处理操作以保证产品具有足够的强度和屈强比。
在汽车发动机中，常用的高强度紧固件通常可以包括：缸盖螺栓、连杆螺栓、飞轮螺栓、轴承盖螺栓、皮带轮螺栓等几大类，这几类同时也是汽车用紧固件中要求最高的产品。在汽车行驶过程中，随着发动机高速运转，发动机紧固螺栓经受拉伸循环应力，容易发生疲劳断裂失效。发动机紧固螺栓属于8.8级以上的高强度紧固件，近年来随着发动机紧凑型、小型化发展，螺栓强度不断提高，这种高强度螺栓极易发生氢脆延迟断裂，一旦发动机紧固螺栓出现问题，将会影响汽车发动机的正常工作，带来巨大的危害。由此可见，发动机缸盖螺栓等紧固螺栓的均匀性问题，将极大影响发动机可靠性和燃油效率。
因此，为了保证汽车发动机的可靠性和燃油效率，针对汽车发动机螺栓这类高强度螺栓进行抗氢脆延迟断裂性能增强、提升材料均匀性，从而保证螺栓性能一致性，一直都是发动机螺栓研究的重点。
例如：公开号为CN111621714A，公开日为2020年9月4日，名称为“一种耐蚀耐延迟断裂性能优异的螺栓用圆钢及其生产方法”的中国专利文献公开了一种耐蚀耐延迟断裂性能优异的螺栓用圆钢，其碳含量为0.55-0.60％，大量添加Si元素至1.80-2.00％，同时还需添加Cu元素为0.20-0.35％。采用该技术方案，在合金热轧及热处理过程中脱碳控制和开裂控制难度大，加工成型的螺栓性能不佳。
又例如：公开号为CN108754303A，公开日为2018年11月6日，名称为“一种耐大气腐蚀及耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢”的中国专利文献公开了一种耐大气腐蚀及耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，其不仅需要添加0.30-1.20％的Ni和0.20-0.60％的Cu，同时还需要填加0.005-0.030的Re稀土元素，合金成本很高，同时冶炼控制难度大。
再例如：公开号为CN110791715A，公开日为2020年2月14日，名称为“一种含铌钛耐大气腐蚀14.9级高强度螺栓用钢及其生产方法”的中国专利文献公开了一种含铌钛耐大气腐蚀14.9级高强度螺栓用钢，其需要添0.80-1.00％的Mo，同时还添加了大量V、Nb、Ti、Cr、Cu元素，该方案的合金生产难度大，成本高，加工螺栓性能稳定性无法保证。
由此可见，现有技术中的众多解决方案仍然存在不少缺陷，而近年来随着法律法规对于车辆节能减排效果的要求越来越高，市场和用户对于汽车也提出了更高的要求，其要求汽车在满足轻量化的同时还需要提高发动机的效率。为此，为了确保汽车发动机在满足轻量化、小型化的同时，具有良好的可靠性和燃油效率，亟需一种强度较高，材料均匀性和耐延迟断裂性能优异的均质高强耐久螺栓。
基于此，为了解决上述问题，本发明期望获得一种均质高强耐久螺栓用钢及其制备方法，该均质高强耐久螺栓用钢的组织、性能均匀，其具有良好的性能一致性和稳定性，其生产升本较低，且具有较高的强度和良好的耐延迟断裂性能。采用该均质高强耐久螺栓用钢可以加工制得均质高耐久螺栓，制得的均质高耐久螺栓有利于提高发动机紧固力值的稳定，从而实现发动机的小型化和高燃烧效率，达到节能减排的目的，具有十分良好的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种均质高强耐久螺栓用钢，该均质高强耐久螺栓用钢的组织、性能均匀，其具有良好的耐延迟断裂性能，采用该均质高强耐久螺栓用钢可以加工制得均质高耐久螺栓，并有效应用于汽车发动机、高端精密机械设备等对拧紧力要求较高的应用场景，可显著提高发动机效率及机械设备加工精度，其市场应用前景广阔，具有十分良好的经济效益和社会效益。
为了实现上述目的，本发明提出了一种均质高强耐久螺栓用钢，其含有Fe和不可避免的杂质，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
C：0.37-0.45％；
Si：0.01-0.08％；
Mn：0.45-0.80％；
Cr：0.90-1.30％；
Mo：0.20-0.45％；
Ni：0.10-0.30％；
V：0.15-0.30％；
Al：0.015-0.035％。
进一步地，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，其各化学元素质量百分含量为：
C：0.37-0.45％；
Si：0.01-0.08％；
Mn：0.45-0.80％；
Cr：0.90-1.30％；
Mo：0.20-0.45％；
Ni：0.10-0.30％；
V：0.15-0.30％；
Al：0.015-0.035％；
余量为Fe和不可避免的杂质。
在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，各化学元素的设计原理具体如下所述：
C：在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，C元素是保证螺栓用钢高强度所必需的化学成分，C元素含量决定了盘条及成品螺栓中经调质热处理后，析出碳化物的数量，极大影响合金硬度和强度。因此，为保证钢的质量，在本发明的钢中，C元素含量需控制在0.37％以上。但需要注意的是，钢种C元素含量不宜过高，过高的碳含量设计将导致材料中碳化物析出数量过多，尺寸长大，降低材料塑韧性，导致抗延迟断裂性能劣化，因此需控制C元素含量低于45％。基于此，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，将C元素的质量百分含量控制在0.37-0.45％之间。
Si：在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，Si元素在冶炼过程中常作为脱氧剂加入钢中，同时固溶于铁素体相中的Si元素将显著提高钢材的强度。但需要注意的是，钢种Si元素含量不宜过高，当钢中Si元素含量过高时，会降低材料冷镦成型性能，进而对材料抗延迟断裂性能不利。因此，为确保钢材的质量，在本发明的钢中，Si元素含量需控制在0.08％以下。同时为了降低钢中夹杂物熔点，去除大颗粒不可变形夹杂物，需将Si元素含量控制在0.01％以上。基于此，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，将Si元素的质量百分含量控制在0.01-0.08％之间。
Mn：在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，Mn元素在炼钢过程也常作为脱氧剂添加入钢中。同时，Mn元素易与钢中的有害元素S结合形成MnS，从而可以降低其危害。此外，Mn也是钢中常用的强化元素，其主要起到固溶强化的作用，形成的合金渗碳体具有更高的强度，因此需要控制合金中Mn元素含量高于0.45％。但需要注意的是，Mn元素含量不宜过高，当钢中Mn含量过高时，将增大材料加热过程中晶粒粗化倾向，增大控冷组织控制难度，Mn元素易促进残余元素的偏聚，因此需控制钢中Mn元素含量低于0.80％。基于此，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，将Mn元素的质量百分含量控制在0.45-0.80％之间。
Cr：在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，添加Cr元素有利于提高合金淬透性，螺栓调质处理过程中有利于细化组织，同时提高渗碳体强度，对材料强度和塑性均有改善。同时，Cr元素有利于提高材料抗腐蚀性能，降低氢脆敏感性，因此，为确保钢材的质量，需控制钢中Cr含量高于0.90％。此外，为了防止出现马氏体异常组织，降低盘条组织控制难度，钢中Cr元素含量同样也不宜过高，需控制Cr元素含量低于1.30％。因此，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，将Cr元素的质量百分含量控制在0.90-1.30％之间。
Mo：在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，Mo元素的添加有利于细化组织、提高材料回火稳定性，提高材料高温回火下的强度和硬度，有利于提高材料抗延迟断裂性能。但需要注意的是，钢中Mo元素含量不宜过高，当钢中Mo元素添加过多时，将会导致材料组织控制难度加大，同时合金成本上升。因此，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，将Mo元素的质量百分含量控制在0.20-0.45％之间。
Ni：在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，Ni元素是奥氏体形成元素，其可以固溶于铁素体相中并有利于提高材料强度。同时，Ni元素还可以有效提高材料淬透性，提高螺栓调质处理过程中的组织均匀性、细化组织。但需要注意的是，钢中Ni元素含量同样不宜过高，过高含量的Ni将会导致材料生产过程中易于出现马氏体异常组织，同时也会影响到合金成本。因此，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，将Ni元素的质量百分含量控制在0.10-0.30％之间。
V：在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，V元素极易与钢中的C、N元素反应析出碳氮化物，这些纳米级析出物对材料强塑性提升十分有力。同时，V的碳氮化可以作为氢陷阱，与钢中游离的氢元素结合，降低其危害，通过控制钢中V的碳氮化物数量和尺寸将实现材料抗延迟断裂性能的提升，同时也将改善材料性能一致性。为发挥V元素的有效作用，设计钢中V元素含量高于0.15％，但添加过量的V元素将会导致其碳氮化物尺寸增大，劣化材料塑韧性和成型性能，因此同时还需要控制钢中V元素含量低于0.30％。基于此，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，将V元素的质量百分含量控制在0.15-0.30％之间。
Al：在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，Al元素是炼钢过程中最有效的脱氧元素，其可以起到脱氧作用。但Al在脱氧过程中易于生产Al2O3颗粒，其具有尖锐的棱角，特别是钢中氧含量过高时，对成品螺栓疲劳寿命、耐久性、耐延迟断裂性能都会产生极大影响。因此，为保证高强度螺栓性能，防止产生大颗粒脆性夹杂物，提升钢质纯洁度，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，可以将Al元素的质量百分含量控制在0.015-0.035％之间。
进一步地，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，各杂质元素质量百分含量满足：Cu≤0.05％；P≤0.01％；S≤0.010％；O≤0.001％；N≤0.005％。
在上述技术方案中，Cu、P、S、O和N元素均为钢中杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低钢中杂质元素的含量。
需要说明的是，在本发明中，杂质元素Cu易造成高强钢热脆性，同时过高的Cu元素在材料中的不均匀分布将会导致材料中残余奥氏体含量增多，性能稳定性降低，因此在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，需要将Cu元素含量控制为Cu≤0.05％。
相应地，在本发明中，钢中P、S元素含量过高将增加钢材的脆性，特别是当出现偏析时，因此在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，需要将P和S元素含量控制为P≤0.01％、S≤0.010％。
此外，在本发明中，N元素同样会导致材料增大，同时过高含量的N、C元素含量将会导致高强度螺栓用钢中微合金析出物尺寸增大，降低材料耐延迟断裂性能，因此在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，需要将N元素含量控制为N≤0.005％。
另外，在本发明中，作为杂质元素可以将O元素含量控制为O≤0.001％。
进一步地，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，其各化学元素的质量百分含量还满足：Al/O＞20。
在本发明所述的技术方案中，为了获得更优的实施效果，得到质量和性能更优的钢材，在控制单一化学元素质量百分含量的同时，本发明还可以进一步地控制Al元素和O元素的质量百分含量满足：Al/O＞20。式中元素均代入各元素对应的质量百分含量。
在本发明中，控制Al/O＞20既有利于降低钢中氧含量，同时又不会产生过多粗大的单颗粒夹杂物，其可以确保产生的大颗粒夹杂物尺寸小于38um，进而防止损害材料塑韧性和耐延迟断裂性能。
进一步地，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，其各化学元素的质量百分含量还满足：V×(C+N)≤1/8。
在本发明所述的技术方案中，在控制单一化学元素质量百分含量的同时，本发明还可以V元素、C元素和N元素的质量百分含量满足：V×(C+N)≤1/8。式中元素均代入各元素对应的质量百分含量百分号之前的数值。
在本发明中，可以进一步地控制V×(C+N)≤1/8，进而控制钢中V元素含量，以使成品螺栓中V的碳氮析出物尺寸为5-50nm占比高于90％。该类纳米级碳化物的存在有利于提高材料强度和塑韧性，同时可作为氢陷阱降低高强螺栓氢脆倾向。
进一步地，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，其微观组织包括回火索氏体。
进一步地，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，所述微观组织还具有V的碳氮析出物，其中尺寸为5-50nm的V的碳氮析出物的占比高于90％。
进一步地，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，其夹杂物尺寸＜38um。
进一步地，在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢中，其性能满足：抗拉强度≥1200MPa，屈强比＞0.9，充氢慢拉伸强度损失≤10％，螺栓拧紧扭住波动≤8％，螺栓疲劳寿命＞75000次。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种均质高强耐久螺栓用钢的制造方法，其操作简便，采用该制造方法制得的均质高强耐久螺栓用钢的组织及性能均匀，其抗拉强度≥1200MPa，屈强比＞0.9，充氢慢拉伸强度损失≤10％，螺栓拧紧扭住波动≤8％，螺栓疲劳寿命＞75000次，其可以用于制得均质高强耐久螺栓，并有效应用于汽车发动机、高端精密机械设备等对拧紧力要求较高的应用场景，具有十分良好的经济效益和社会效益。
为了实现上述目的，本发明提出了一种均质高强耐久螺栓用钢的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼；
(2)铸造；
(3)粗轧；
(4)高速线材轧制；
(5)斯太尔摩控冷；
(6)热处理：其中球化热处理的保温温度为760-790℃，保温时间为4-12h，保温后缓慢冷却，冷却速度低于40℃/h，控制盘条拉拔减面率为5-30％，调质热处理加热温度为850-950℃，回火温度为500-600℃。
在本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢的制造方法中，利用该制造方法，可以有效制得本发明所述均质高强耐久螺栓用钢的盘条，其具体可以包括：合金冶炼、大方坯连铸、粗轧、高速线材轧制、斯太尔摩控冷、球化、拉拔、冷镦、调质热处理等关键步骤。
在本发明所述的技术方案中，在步骤(1)的冶炼过程中，可以经电炉或转炉进行冶炼，而后再进行炉外精炼。其中，在炉外精炼时，可以采用LF炉加VD或RH脱气处理工艺；在冶炼过程中调整合成渣的成分和加入量，控制钢中杂质元素含量，控制真空脱气时间＞15min。其中，在冶炼过程中可以控制钢中杂质元素P、S含量均低于0.010％，高真空脱气时间需大于15分钟，控制终点O含量低于0.0010％，N含量低于0.0050％，H含量低于2ppm。
相应地，在本发明所述制造方法的步骤(2)中，在铸造过程中可以采用大方坯连铸机浇注方坯，其在浇铸过程中可以采用氩气保护，大方坯尺寸可以控制为300-450mm，通过调整连铸过程中拉速、冷却及末端轻压下参数达到控制坯料心部碳偏析低于1.10。
在本发明所述制造方法步骤(3)的粗轧步骤中，可以采用二火成材工艺，将连铸坯于1050-1250℃温度下初轧开坯为150-250mm方坯料。方坯料经涡流探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，进入加热炉加热，在坯料加热过程中，可以控制加热温度为960-1150℃，控制保温时间为1.5-3.0h。
此外，在本发明所述制造方法的步骤(4)中，在高速线材轧制过程中，可以控制轧制速度为8-90m/s。当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更好的实施效果，可以优选地控制在线温度中的精轧机组进口温度为850-970℃，控制减定径机组进口温度为800-950℃，控制吐丝温度为750-900℃。
另外，在本发明中，轧制得到的盘条尺寸规格可以为Ф6-26mm，在本发明所述步骤(5)的斯太尔摩控冷过程中，可以通过调整斯太尔摩线风机分量，从而控制盘条组织转变，以优化盘条组织。
相应地，在本发明所述制造方法的步骤(6)中，在热处理步骤中，可以对制得的盘条进行球化热处理，其中球化热处理保温温度可以控制在760-790℃之间，保温时间可以控制为4-12小时，保温后缓慢冷却，速度低于40℃/h，盘条拉拔减面率可以控制在5-30％之间，调质热处理加热温度可以控制为850-950℃，回火温度可以控制为500-600℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，在冶炼过程中控制真空脱气时间＞15min。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在铸造过程中控制坯料心部碳偏析低于1.10。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，在坯料加热过程中，控制加热温度为960-1150℃，保温时间为1.5-3.0h。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，控制轧制速度为8-90m/s。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，控制精轧机组进口温度为850-970℃，减定径机组进口温度为800-950℃，吐丝温度为750-900℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(5)中，斯太尔摩控冷采用至少14台风机，其中风机F1-F5的风量为≤80％，风机F6-F12的风量≤50％，风机F13-F14的风量≤45％。
在本发明的上述技术方案中，利用至少14台风机进行斯太尔摩控冷，经斯太尔摩冷却后制得的均质高强耐久螺栓用钢的盘条可以获得良好的塑韧性。
本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢及其制备方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢的组织、性能均匀，其具有良好的性能一致性和稳定性，其生产升本较低，且具有较高的强度和良好的耐延迟断裂性能。采用该均质高强耐久螺栓用钢可以加工制得均质高耐久螺栓，制得的均质高耐久螺栓能够有效应用于汽车发动机、高端精密机械设备等对拧紧力要求较高的应用场景，可显著提高发动机效率及机械设备加工精度，其市场应用前景广阔，具有十分良好的经济效益和社会效益。
本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢经调质热处理后具有细化回火索氏体组织，其组织及性能均匀。在一些优选的实施方式中，V的碳氮析出物尺寸为5-50nm占比高于90％，夹杂物尺寸小于38um，抗拉强度可达到1200MPa以上。
采用本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢加工制得的成品高强度螺栓的疲劳寿命、耐延迟断裂性能均较常用材料提高一倍以上，同时螺栓拧紧扭住波动≤8％，可显著提高螺栓紧固力的均匀性，从而实现发动机的小型化和高燃烧效率，达到节能减排的目的。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明所述的均质高强耐久螺栓用钢及其制备方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-10以及对比例1-4
实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢均采用以下步骤制得：
(1)按照表1-1和表1-2所示的化学成分进行冶炼：经电炉或转炉冶炼后进行炉外精炼，炉外精炼采用LF炉加VD或RH脱气处理工艺，冶炼过程中调整合成渣成分和加入量，其中在冶炼过程中控制真空脱气时间＞15min。
(2)铸造：采用大方坯连铸机浇注方坯，在铸造过程中，可以采用氩气保护，大方坯尺寸可以控制为300-450mm，通过调整连铸过程中拉速、冷却及末端轻压下参数达到坯料心部碳偏析低于1.10。
(3)粗轧：采用二火成材工艺，将连铸坯于1100-1250℃温度下初轧开坯为150-250mm方坯料。方坯料经超声波探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，进入加热炉加热，在坯料加热过程中，控制加热温度为960-1150℃，保温时间为1.5-3.0h。
(4)高速线材轧制：控制轧制速度为8-90m/s，控制精轧机组进口温度为850-970℃，减定径机组进口温度为800-950℃，吐丝温度为750-900℃。
(5)斯太尔摩控冷：轧制得到的盘条尺寸规格为Ф6-26mm，盘条轧制后通过调整斯太尔摩线风机分量控制盘条组织转变，优化盘条组织。斯太尔摩14台风机分量调整范围为：风机F1-F5的风量为≤80％，风机F6-F12的风量≤50％，风机F13-F14的风量≤45％。
(6)热处理：对盘条进行热处理，其中控制球化热处理的保温温度为760-790℃，保温时间为4-12h，保温后缓慢冷却，冷却速度低于40℃/h，控制盘条拉拔减面率为5-30％，控制调质热处理加热温度为850-950℃，回火温度为500-600℃。
需要说明的是，本发明所述的实施例1-11的盘条均采用以上步骤制得，且其化学成分及相关工艺参数均满足本发明设计规范控制要求。而对比例1-4的对比盘条同样采用：冶炼、铸造、粗轧、高速线材轧制、斯太尔摩控冷和热处理的工艺流程制得，但其化学成分及相关工艺参数均存在未能满足本发明设计要求的参数。
表1列出了实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢以及对比例1-4的对比钢的各化学元素的质量百分配比。
表1-1.(wt％，余量为Fe和除了Cu、P、S、O以及N以外的其他不可避免的杂质)
Figure BDA0003089147600000111
表1-2.
Figure BDA0003089147600000112
Figure BDA0003089147600000121
表2-1和表2-2列出了实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢以及对比例1-4的对比盘条在上述步骤中的具体工艺参数。
表2-1.
Figure BDA0003089147600000122
表2-2.
Figure BDA0003089147600000123
Figure BDA0003089147600000131
将最终制得的实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢以及对比例1-4的对比钢材分别取样，并对各实施例和对比例钢材的样本进行观察分析，以得到各实施例和对比例钢材的组织。观察完成后对各实施例和对比例钢材样本分别进行力学性能测试，将所得的观察结果和力学性能测试结果分别列于表3和表4中。
相关力学性能测试方法，如下所述：
拉伸试验：在室温条件下，按照GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验方法进行检测。
表3列出了实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢以及对比例1-4的对比钢材的组织观察结果。
表3.
Figure BDA0003089147600000132
Figure BDA0003089147600000141
如表3所示，需要说明的是，本发明中，在实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢的微观组织包括回火索氏体。
此外，需要说明的是，在本发明所述的实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢中，其微观组织还具有V的碳氮析出物，其尺寸在5-50nm之间，钢中V的碳氮析出物的占比高于90％。
另外，在本发明所述的实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢中，钢中的夹杂物尺寸＜38um。
表4列出了实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢以及对比例1-4的对比钢材的力学性能测试结果。
表4.
Figure BDA0003089147600000142
需要说明的是，上述取样的实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢以及对比例1-4的对比钢材在加工生产后，可以获得对应的均质高强耐久螺栓用钢。对得到的实施例1-10的均质高强耐久螺栓和对比例1-4的对比钢材，进行相关各项性能的测试，将所得的性能测试结果列于表5之中。
表5列出了采用实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢以及对比例1-4的对比钢加工制得的螺栓的性能测试结果。
表5.
Figure BDA0003089147600000151
结合表4和表5可以看出，对比例1-4的对比螺栓在性能上均明显逊色于实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢。在本发明中，实施例1-10的均质高强耐久螺栓用钢均具有良好的性能，其抗拉强度≥1200MPa，屈强比＞0.9，充氢慢拉伸强度损失≤10％，螺栓拧紧扭住波动≤8％，螺栓疲劳寿命＞75000次。
采用该均质高强耐久螺栓用钢可以加工制得均质高耐久螺栓，制得的均质高耐久螺栓能够有效应用于汽车发动机、高端精密机械设备等对拧紧力要求较高的应用场景，可显著提高发动机效率及机械设备加工精度，其市场应用前景广阔，具有十分良好的经济效益和社会效益。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种均质高强耐久螺栓用钢，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：C：0.37-0.45％；
Si：0.01-0.08％；
Mn：0.45-0.80％；
Cr：0.90-1.30％；
Mo：0.20-0.45％；
Ni：0.10-0.30％；
V：0.15-0.30％；
Al：0.015-0.035％；
余量为Fe和不可避免的杂质；其中各杂质元素质量百分含量满足：
Cu≤0.05％；P≤0.01％；S≤0.010％；O≤0.001％；N≤0.005％；
其各化学元素的质量百分含量还满足：Al/O＞20，V×(C+N)≤1/8；
其微观组织具有V的碳氮析出物，其中尺寸为5-50nm的V的碳氮析出物的占比高于90％。
2.如权利要求1所述的均质高强耐久螺栓用钢，其特征在于，其微观组织包括回火索氏体。
3.如权利要求1所述的均质高强耐久螺栓用钢，其特征在于，其夹杂物尺寸＜38um。
4.如权利要求1所述的均质高强耐久螺栓用钢，其特征在于，其性能满足：抗拉强度≥1200MPa，屈强比＞0.9，充氢慢拉伸强度损失≤10％，螺栓拧紧扭住波动≤8％，螺栓疲劳寿命＞75000次。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的均质高强耐久螺栓用钢的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)冶炼；
(2)铸造；
(3)粗轧；
(4)高速线材轧制；
(5)斯太尔摩控冷；
(6)热处理：其中球化热处理的保温温度为760-790℃，保温时间为4-12h，保温后缓慢冷却，冷却速度低于40℃/h，控制盘条拉拔减面率为5-30％，调质热处理加热温度为850-950℃，回火温度为500-600℃。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，在冶炼过程中控制真空脱气时间＞15min。
7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，在铸造过程中控制坯料心部碳偏析低于1.10。
8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤(3)中，在坯料加热过程中，控制加热温度为960-1150℃，保温时间为1.5-3.0h。
9.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，控制轧制速度为8-90m/s。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，控制精轧机组进口温度为850-970℃，减定径机组进口温度为800-950℃，吐丝温度为750-900℃。
11.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤(5)中，斯太尔摩控冷采用至少14台风机，其中风机F1-F5的风量为≤80％，风机F6-F12的风量≤50％，风机F13-F14的风量≤45％。
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