CN115572917A - 一种经济型紧固件用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经济型紧固件用钢，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：0.35～0.50wt.％、Mn：0.30～0.70wt.％、Cr：2.00～3.00wt.％、Mo：1.50～3.00wt.％、V：0.10～0.50wt.％、Ti：0.01～0.10wt.％；其中所述经济型紧固件用钢的微观组织为回火索氏体。此外，本发明还公开了上述经济型紧固件用钢的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和铸造；(2)轧制成盘条；(3)等温球化退火；(4)零件外形加工；(5)调质热处理：加热到奥氏体化温度860～940℃，保温30～90min，淬火冷却至室温；然后再次加热到450～600℃回火，保温60～120min。本发明所述的经济型紧固件用钢具有优良的力学性能，其可以有效应用于汽车、建筑结构、风电等领域的超高强度紧固件产品上。

Description

一种经济型紧固件用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料及其制造方法，尤其涉及一种钢材及其制造方法。

背景技术

近年来，随着汽车、机械、建筑、轻工等行业的飞速发展，各类紧固件开始广泛应用于各种场景之中，市场和用户也对制造各类紧固件的材料提出了更高的要求。

在汽车行业中，为了减轻汽车质量、降低能源消耗，研发人员期望获得一种高强度紧固件，高强度紧固件不仅能够减小自身尺寸、降低重量，同时还有利于汽车其他结构的小型化。此外，在建筑行业中，大型建筑网架结构不仅跨度大，而且大多是公共建筑，高强度紧固件是用于空间钢网架节点的重要零件，其质量的优劣直接涉及人民生命财产安全。另外，高强度紧固件具有良好的疲劳性能，其承载大，被广泛地应用于风电机组的连接结构，如叶片与轮毂、塔筒与基础、塔筒法兰之间。

因此，在现有技术中，高强度紧固件在汽车、建筑结构、风电机组等下游产品设计中的应用越来越广泛，市场和用户对相应的冷镦钢材料的强度级别要求也越来越高。

目前，市场广泛使用的高强度冷镦钢产品包括8.8级、9.8级、10.9级和12.9级四个级别，通常采用为调质处理的中碳钢或中碳合金钢，也有非调质钢、硼钢、F-M双相钢或低碳马氏体钢。而对于更高强度级别的冷镦钢的研究则屡受挫折，其最主要的原因是延迟断裂的问题难以解决，这是一个困扰了几十年的世界性难题。

高强度螺栓具有很高的缺口敏感性，其容易在应力集中部位如杆与头部的过渡处或螺纹根部发生延迟断裂，而且随着钢材强度的提高，特别是当强度超过1200MPa时，延迟断裂问题就变得十分突出。因此，开发出更高强度冷镦钢产品的技术难点之一在于如何获得良好的耐延迟断裂性能。

近三十年来，随着需求的增加，国外尤其是日本、韩国等对耐延迟断裂的高强度冷镦钢进行了广泛的研究，先后开发出一系列耐延迟断裂性能优良的高强度冷镦钢产品，它们的抗拉强度在1200-1500MPa范围内，耐延迟断裂性能超过通常使用的SCM435、SCM440、SCr440等。

现阶段，国内外实际应用的冷镦钢产品最高强度级别不超过1200MPa，虽陆续开发出强度满足14.9级螺栓要求的钢种，但由于高强钢存在氢致延迟开裂现象，而均未得到广泛应用，至于抗拉强度达到1500MPa以上的冷镦钢更是少见报道。因此，目前亟需开发出一种满足市场需求的，具有更高强度级别的优质冷镦钢产品。

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级高强度螺栓用钢的生产方法，其通过添加Ni、Cu等元素提高耐大气腐蚀能力，获得较高的缺口韧性，通过添加Nb、V、Ti等元素细化晶粒，以使抗拉强度达到1400MPa。

公开号为CN106795598A，公开日为2017年5月3日，名称为“高强度螺栓用钢及高强度螺栓”的中国专利文献，公开了一种一种高强度螺栓用钢及高强度螺栓，在920℃以上淬火、570℃以上回火的热处理使钢的强度达到1500MPa。但是该钢中C含量过高(C＝0.50～0.65％)，对其冷加工性能不利。

公开号为CN1900343A，公开日为2007年1月24日，名称为“耐延迟断裂特性优良的抗拉强度为1600MPa级或以上的钢及其成型品的制造方法”的中国专利文献，公开了一种耐延迟断裂特性优良的抗拉强度为1600MPa级或以上的钢及其成型品的制造方法，通过添加3.0～10.0％的Mo来析出碳化物产生显著的二次硬化，从而提高钢的强度。虽然采用这种方法所制得的钢种的抗拉强度达到1600MPa，但合金成分设计不合理，Mo含量偏高，成本增加过多。

综上所述，为了克服现有技术中存在的强度偏低或者合金成分设计不合理等问题，本发明期望获得一种经济型紧固件用钢及其制造方法，该经济型紧固件用钢采用了合理的化学成分设计，其通过优化钢中Cr、Mo元素的添加量，可以在较低合金成本的前提下，确保钢材具有优良的强度；该经济型紧固件用钢的力学性能相当优异，可以有效应用于汽车、建筑结构、风电等领域的超高强度紧固件产品上，具有十分良好的推广前景和应用价值。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种经济型紧固件用钢，该经济型紧固件用钢采用了合理的化学成分设计，其通过优化钢中Cr、Mo元素的添加量，可以在较低合金成本的前提下，确保钢材具有优良的强度；该经济型紧固件用钢的力学性能相当优异，可以有效应用于汽车、建筑结构、风电等领域的超高强度紧固件产品上，具有十分良好的推广前景和应用价值。

为了实现上述目的，本发明提供了一种经济型紧固件用钢，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：0.35～0.50wt.％、Mn：0.30～0.70wt.％、Cr：2.00～3.00wt.％、Mo：1.50～3.00wt.％、V：0.10～0.50wt.％、Ti：0.01～0.10wt.％；

其中所述经济型紧固件用钢的微观组织为回火索氏体。

进一步地，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.35～0.50wt.％、Mn：0.30～0.70wt.％、Cr：2.00～3.00wt.％、Mo：1.50～3.00wt.％、V：0.10～0.50wt.％、Ti：0.01～0.10wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。

在本发明所述的经济型紧固件用钢中，本发明对钢材化学成分进行了优化设计，其通过优化钢中Cr、Mo元素的添加量，可以在较低合金成本的前提下，确保钢材具有优良的强度。

在本发明中，Cr、Mo两种元素在紧固件用钢的强度提升方面发挥至关重要的作用，钢中Cr、Mo元素含量过少时容易导致强度偏低，而钢中Cr、Mo元素含量过多时，则会增加钢的成本，造成资源浪费。因此，本发明在Cr、Mo两种元素含量添加上具有独创性，其通过采用Cr：2.00～3.00wt.％、Mo：1.50～3.00wt.％的合金设计方案，既可以确保钢材的抗拉强度超过1500MPa，又节约了合金成本。

在本发明所述的经济型紧固件用钢中，各化学元素的设计原理如下所述：

C：在本发明所述的经济型紧固件用钢中，C是获得强度有效的元素，钢中添加适量的C元素有益于钢材的强度。但需要注意的是，钢中C元素含量不宜过高，当钢中C元素含量过高时，会对钢材的冷镦性、韧性以及耐延迟断裂性能产生不利影响。基于此，从材料的强度与冷镦性、韧性、耐延迟断裂性能等综合考虑，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，将C元素的质量百分含量控制在0.35～0.50wt.％之间。

Mn：在本发明所述的经济型紧固件用钢中，Mn一方面是提高淬透性的有效元素，其另一方面可以通过形成MnS的形式固定钢中的S，从而具有防止热脆性的效果。需要注意的是，钢中Mn元素含量同样不宜过高，当钢中Mn元素含量过高时，容易造成晶界的偏析，降低晶界强度。基于此，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，将Mn元素的质量百分含量控制在0.30～0.70wt.％之间。

Cr：在本发明所述的经济型紧固件用钢中，Cr具有提高钢的淬透性和耐腐蚀性的作用，其在回火时可析出碳化物提高钢的抗回火软化性能，进而在钢材的强度和耐延迟断裂性能方面发挥有效的作用。需要注意的是，钢中Cr元素含量同样不宜过高，当钢中Cr元素含量过高时，会导致钢材的冷加工性能降低并增加生产成本。基于此，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，将Cr元素的质量百分含量控制在2.00～3.00wt.％。

Mo：在本发明所述的经济型紧固件用钢中，Mo元素主要在回火阶段析出含Mo碳化物，进而产生显著的二次强化，提高钢的抗回火软化性能。但需要注意的是，钢中不宜添加过量的Mo，钢中添加过多的Mo会导致材料成本增加。因此，综合考虑成本因素，在本发明中，可以将Mo元素的质量百分含量控制在1.50～3.00wt.％之间。

V：在本发明所述的经济型紧固件用钢中，V元素能使奥氏体晶粒细化，其可以在回火阶段析出碳化物，进而产生二次硬化的效果。但需要注意的是，钢中V元素含量不宜过高，当钢中V元素含量过于饱和时，其对于钢材的提升性能效果并不明显，并且还会显著增加材料成本。因此，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，可以将V元素的质量百分含量控制在0.10～0.50wt.％之间。

Ti：在本发明所述的经济型紧固件用钢中，Ti是奥氏体晶粒细化元素，析出的含Ti碳化物具有提高耐延迟断裂性能的作用。但需要注意的是，钢中Ti元素含量同样不宜过高，当钢中Ti元素含量超过0.1wt％时，可能导致过饱和而析出大尺寸夹杂物。因此，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，可以将Ti元素的质量百分含量控制在0.01～0.10wt.％之间。

进一步地，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，其还含有下述各化学元素的至少其中之一：

0＜Si≤0.50wt.％；

0＜Ni≤1.00wt.％；

0＜Nb≤0.20wt.％。

在本发明上述的技术方案中，本发明所述的经济型紧固件用钢还可以添加有Si、Ni和Nb元素中的一种或几种。

需要说明的是，Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但是Si会显著提高钢的变形抗力，对冷镦和冷挤压极为不利，且Si能促进杂质元素的晶界偏聚，降低钢的耐延迟断裂性能，使钢的塑形和韧性下降。因此，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，可以将Si的质量百分比控制为0＜Si≤0.50wt.％。

相应地，Ni具有稳定奥氏体、增加淬透性、改善低温韧性等作用，另外Ni元素能改善氧化铁层结构，提高致密度，提高钢的耐蚀性能，抑制氢的吸附，其对于钢材的耐延迟断裂性能有积极作用。因此，综合考虑成本因素，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，可以将Ni的质量百分比控制为0＜Ni≤1.00wt.％。

此外，Nb元素可以起到细化晶粒的作用，其可以提高钢的强韧性，碳化铌的氢陷阱结合能低于碳化钒、碳化钛，其对于氢的捕捉能力较差，因此在本发明所述的经济型紧固件用钢中，可以将Nb的质量百分比控制为0＜Nb≤0.20wt.％。

需要说明的是，上述元素的加入会增加材料的成本，综合考虑到性能与成本控制，在本发明所述的技术方案中，可以优选地添加上述元素至少其中之一。

进一步地，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，在其他不可避免的杂质中：P≤0.015wt.％，并且/或者S≤0.015wt.％。

在本发明上述的技术方案中，P元素和S元素均是本发明所述经济型紧固件用钢中的杂质元素，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，应尽可能降低经济型紧固件用钢中杂质元素的含量。

需要说明的是，杂质元素P和S均易在晶界处产生偏析，降低钢的韧性，对钢的冷加工性能有较大影响，因此必须严格控制钢中P、S元素的含量，将P控制为P≤0.015wt.％，将S控制为S≤0.015wt.％。

进一步地，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，其晶粒度在8级以上。

进一步地，在本发明所述的经济型紧固件用钢中，其屈服强度≥1350MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≥0.9，伸长率≥9％，断面收缩率≥50％。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种经济型紧固件用钢的制造方法，该制造方法操作简便，采用该制造方法所获得的经济型紧固件用钢具有十分良好的力学性能，其可以有效应用于汽车、建筑结构、风电等领域的超高强度紧固件产品上，具有十分良好的推广前景和应用价值。

为了实现上述目的，本发明提出了上述的经济型紧固件用钢的制造方法，其包括步骤：

(1)冶炼和铸造；

(2)轧制成盘条；

(3)等温球化退火；

(4)零件外形加工；

(5)调质热处理：加热到奥氏体化温度860～940℃，保温30～90min，淬火冷却至室温；然后再次加热到450～600℃回火，保温60～120min。

在本发明上述的制造方法中，本发明以科学、合理的合金成分设计为基础，通过冶炼、二次精炼、连铸、轧制成线材盘条，采用等温球化退火处理优化线材的组织性能，可以提高材料塑性，防止零件加工成型过程中出现开裂、表面粗糙等质量问题。

需要说明的是，在本发明中，在零件外形加工完成后，还需要配合优化设计的调质热处理方可得到屈服强度≥1350MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≥0.9，伸长率≥9％，断面收缩率≥50％的经济型紧固件用钢。

在上述步骤(2)中，在某些实施方式中，轧制成盘条后，可以通过斯太尔摩风冷线；在通过斯太尔摩风冷线时可以采取缓冷措施，其具体操作可以为：通过斯太尔摩风冷线，关闭所有风机并盖上保温罩，降低盘条冷却速率。这样操作是因为：盘条淬透性较高，若冷却速率较快则易产生异常马氏体组织。

相应地，在本发明上述步骤(5)的调质热处理工艺中，需要控制冷却速率，并且宜采用淬火油作为冷却介质，以降低零件开裂倾向。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，将盘条加热到740～780℃，保温3～6h，以10～50℃/h降温至680～720℃，保温3～6h，以10～50℃/h的速度冷却至500℃以下。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(5)中，淬火冷却介质采用油。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在轧制成盘条后，进行缓冷，控制缓冷的冷却速度＜5℃/s。

本发明所述的经济型紧固件用钢及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

相较于现有技术中的紧固件用钢，本发明所述的经济型紧固件用钢在合金成分设计、力学性能方面具有十分显著的优势，其具有较低的合金成本及优良的抗拉强度，其强度满足15.9级(即抗拉强度≥1500MPa)。

本发明通过合理设计合金成分，尤其精确控制Mo、V、Ti等昂贵合金的含量，配合优化的调质热处理工艺，可得到一种经济型紧固件用钢，其生产成本较低，且制造工艺简便，其显微晶粒度8.0级以上、屈服强度≥1350MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≥0.9，伸长率≥9％，断面收缩率≥50％。

由此可见，相较于现有技术中的紧固件用钢，本发明所述的经济型紧固件用钢在合金成本控制、力学性能方面有着十分显著的优势，其可以有效应用于汽车、建筑结构、风电等领域的高强度轻量化紧固件产品上，具有十分良好的推广前景和应用价值。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的经济型紧固件用钢及其制造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1-6

本发明所述实施例1-6的经济型紧固件用钢均采用以下步骤制得：

(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼、二次精炼和铸造。

(2)轧制成盘条：盘条规格为φ5.5～20mm，轧后盘条通过斯太尔摩风冷线时采取缓冷措施，通过斯太尔摩风冷线时，关闭所有风机并盖上保温罩，降低盘条冷却速率，进行缓冷，控制缓冷的冷却速度＜5℃/s。

(3)等温球化退火：将盘条随炉加热升温到740～780℃，保温3～6h，以10～50℃/h降温至680～720℃，保温3～6h，以10～50℃/h的速度冷却至500℃以下出炉。

(4)对退火盘条经拉拔、车、铣等工序进行零件外形加工。

(5)调质热处理：先加热到奥氏体化温度860～940℃，保温30～90min，而后以大于5℃/s的速度淬火冷却至室温；然后再次加热到450～600℃回火，保温60～120min。其中，在上述淬火操作中，淬火冷却介质采用油，以防止零件开裂。

需要说明的是，在本发明中，实施例1-6的经济型紧固件用钢的化学成分设计以及相关工艺均满足本发明设计规范要求。

表1列出了实施例1-6的经济型紧固件用钢的各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和除P、S以外其他不可避免的杂质)

表2-1和表2-2列出了实施例1-6的经济型紧固件用钢在上述工艺步骤中的具体工艺参数。

表2-1.

表2-2.

将通过上述工艺步骤得到的成品实施例1-6的经济型紧固件用钢分别取样，并对各实施例的经济型紧固件用钢进行力学性能检测，将所得的力学性能检测结果列于表3中。具体检测方法如下所述：

拉伸试验：按照国家标准GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行测试，加工成ASTM美制M18螺纹拉伸试样，控制测试环境为室温10～35℃，以得到各实施例的经济型紧固件用钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率和屈强比。

断面收缩率测试：将拉伸试验断裂试样配接在一起，使其轴线处于同一直线上，原始横截面积与断后最小横截面积之差除以原始横截面积的百分率以得到各实施例对应的断面收缩率。

表3列出了实施例1-6的经济型紧固件用钢的相关性能检测结果。

表3.

从表3中可以看出，本发明所述实施例1-6的经济型紧固件用钢在力学性能方面均具有显著优势。实施例1-6的经济型紧固件用钢的屈服强度均在1405～1508MPa之间，抗拉强度均在1527-1614MPa之间，其伸长率在9.76-15.45％之间，断面收缩率在53-56％之间，屈强比均≥0.910.

由此可见，在本发明中，各实施例的经济型紧固件用钢具有十分优异的力学性能，其在控制较低合金成本的同时还可以获得及优良的抗拉强度，各实施例钢材的强度满足15.9级。

综上所述可以看出，本发明通过合理设计合金成分，尤其精确控制Mo、V、Ti等昂贵合金的含量，配合优化的调质热处理工艺，可得到一种经济型紧固件用钢，其生产成本较低，且制造工艺简便，其显微晶粒度8.0级以上、抗拉强度1500MPa以上。

相较于现有技术中的紧固件用钢，本发明所述的经济型紧固件用钢在合金成本控制、力学性能方面有着十分显著的优势，其可以有效应用于汽车、建筑结构、风电等领域的高强度轻量化紧固件产品上，具有十分良好的推广前景和应用价值。

需要说明的是，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 (10)

1.一种经济型紧固件用钢，其含有Fe和不可避免的杂质，其特征在于，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

C：0.35～0.50wt.％、Mn：0.30～0.70wt.％、Cr：2.00～3.00wt.％、Mo：1.50～3.00wt.％、V：0.10～0.50wt.％、Ti：0.01～0.10wt.％；

其中所述经济型紧固件用钢的微观组织为回火索氏体。

2.如权利要求1所述的经济型紧固件用钢，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.35～0.50wt.％、Mn：0.30～0.70wt.％、Cr：2.00～3.00wt.％、Mo：1.50～3.00wt.％、V：0.10～0.50wt.％、Ti：0.01～0.10wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的经济型紧固件用钢，其特征在于，其还含有下述各化学元素的至少其中之一：

0＜Si≤0.50wt.％；

0＜Ni≤1.00wt.％；

0＜Nb≤0.20wt.％。

4.如权利要求1或2所述的经济型紧固件用钢，其特征在于，在其他不可避免的杂质中：P≤0.015wt.％，并且/或者S≤0.015wt.％。

5.如权利要求1或2所述的经济型紧固件用钢，其特征在于，其晶粒度在8级以上。

6.如权利要求1或2所述的经济型紧固件用钢，其特征在于，其屈服强度≥1350MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≥0.9，伸长率≥9％，断面收缩率≥50％。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的经济型紧固件用钢的制造方法，其特征在于，其包括步骤：

(1)冶炼和铸造；

(2)轧制成盘条；

(3)等温球化退火；

(4)零件外形加工；

(5)调质热处理：加热到奥氏体化温度860～940℃，保温30～90min，淬火冷却至室温；然后再次加热到450～600℃回火，保温60～120min。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤(3)中，将盘条加热到740～780℃，保温3～6h，以10～50℃/h降温至680～720℃，保温3～6h，以10～50℃/h的速度冷却至500℃以下。

9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤(5)中，淬火冷却介质采用油。

10.如权利要求6-9中任意一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，在轧制成盘条后，进行缓冷，控制缓冷的冷却速度＜5℃/s。