CN116162853A - 一种12.9级非调质长杆螺栓用钢及其制备方法 - Google Patents

一种12.9级非调质长杆螺栓用钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种12.9级非调质长杆螺栓用钢及其制备方法，属于紧固件用钢及制造技术领域。本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢，按质量百分比计，包括以下化学成分：C：0.15～0.28％、Si：≤0.30％、Mn：1.2～2.0％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cr：0.1～0.6％，Ni：≤0.25％，Mo：≤0.30％，V：0.04～0.14％、Nb：0.02～0.07％、Ti：≤0.06％、Al：0.01～0.05％，O≤0.002％、N≤0.025％和余量的Fe。

Description

一种12.9级非调质长杆螺栓用钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及紧固件用钢及制造技术领域，尤其涉及一种12.9级非调质长杆螺栓用钢及其制备方法。
背景技术
非调质钢是在碳锰钢的基础上加入适量的V、Nb和Ti等合金元素而获得的一种结构钢，采用控轧控冷等工艺，即可无需进行调质处理使其在锻造或热轧后达到调质钢的力学性能，使制造成本相比调质钢降低20％以上。
目前一般8.8级及以上长螺栓一般需要调质处理，但存在两个主要问题：一是由于淬火将导致变形，需要矫直处理，直线度不能得到保证，废品率高；二是工作效率低下、能耗高，因此制造成本较大。而采用非调质钢制造长螺栓杆件时，避免了淬火变形问题，零件直线度高，优级成品率大大提高，具有良好的经济和社会效益。
申请号CN202110146484.0公开了一种非调质钢长杆螺栓及其制造方法，但由于其材料限制，强度等级只有8.8级水平。有公开文献报道了9.8级、10.9级非调质钢紧固件用原材料的开发，但未有其用于紧固件生产的报道，12.9级及更高强度非调质钢紧固件未见有公开的资料报道。
因此，提供一种12.9级非调质长杆螺栓用钢，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种12.9级非调质长杆螺栓用钢及其制备方法，采用本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢制备的长杆螺栓的强韧性满足现有12.9级调质型螺栓要求。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种12.9级非调质长杆螺栓用钢，按质量百分比计，包括以下化学成分：C：0.15～0.28％、Si：≤0.30％、Mn：1.2～2.0％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cr：0.1～0.6％，Ni：≤0.25％，Mo：≤0.30％，V：0.04～0.14％、Nb：0.02～0.07％、Ti：≤0.06％、Al：0.01～0.05％，O≤0.002％、N≤0.025％和余量的Fe；
所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足12.80＜G＜16.0；其中，G＝20*C％+1.3Si％+3.3Mn％+2.5(Cr％+Ni％+Mo％)+16V％+8.3Nb％+50Ti％+50N％。
优选地，按质量百分比计，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢包括以下化学成分：C：0.18～0.25％、Si：≤0.30％、Mn：1.4～1.9％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cr：0.15～0.45％，Ni：≤0.25％，Mo：≤0.30％，V：0.08～0.12％、Nb：0.02～0.07％、Ti：≤0.06％、Al：0.01～0.05％，O≤0.002％、N≤0.025％和余量的Fe。
优选地，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足碳当量Ceq＜0.7，其中Ceq＝C％+Mn％/6+(Cr％+V％+Mo％)/5+(Cu％+Ni％)/15。
优选地，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的基体金相组织为贝氏体组织。
本发明提供了上述技术方案所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料进行冶炼后，得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次进行热轧、拉拔和时效处理，得到12.9级非调质长杆螺栓用钢。
优选地，所述步骤(1)中冶炼的方式为转炉/电炉+精炼+VD/RH三联工序。
优选地，所述步骤(2)中热轧的开轧温度为970～1100℃，热轧的吐丝温度为780～900℃。
优选地，所述步骤(2)中拉拔的减面率为18％～45％。
优选地，所述步骤(2)中拉拔结束后，还包括对拉拔的产物进行矫直、滚压、滚丝和表面处理。
优选地，所述步骤(2)中时效处理的温度为240～300℃，时效处理的保温时间为1～5h。
本发明提供了一种12.9级非调质长杆螺栓用钢，按质量百分比计，包括以下化学成分：C：0.15～0.28％、Si：≤0.30％、Mn：1.2～2.0％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cr：0.1～0.6％，Ni：≤0.25％，Mo：≤0.30％，V：0.04～0.14％、Nb：0.02～0.07％、Ti：≤0.06％、Al：0.01～0.05％，O≤0.002％、N≤0.025％和余量的Fe；所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足12.80＜G＜16.0；其中，G＝20*C％+1.3Si％+3.3Mn％+2.5(Cr％+Ni％+Mo％)+16V％+8.3Nb％+50Ti％+50N％。本发明中的C元素是非调质钢主要的强化元素，有助于提高基体强度和淬透性；Si元素是脱氧剂，能够固溶于铁素体中固溶强化，强化铁素体相，从而提高钢材的抗拉和屈服强度；Mn元素是脱氧和脱硫的有效元素，提高钢的硬度和强度，且Mn元素可以提高奥氏体组织的稳定性，同时还可以推迟珠光体相变，促进贝氏体相变；控制P元素和S元素的含量，能够降低其对钢材组织和性能均匀性的破坏，避免使钢产生热脆；Cr元素作为铁素体固溶强化元素与Si、Mn的作用类似，此外Cr能够有效地提高钢的淬透性和推迟贝氏体相变，以获得所需的高强度，并且通过固溶强化还能够显著提升贝氏体铁素体硬度，同时Cr还可降低C元素的活度，可降低加热、热轧、锻造过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能；Cr元素可大幅度降低Bs点，可以在空冷过程中获得一定量贝氏体，同时还可以防止因冷速过快而引起的开裂；C和Cr起到协同作用，进一步降低Bs点，保证在空冷过程中尽量避免出现粒状贝氏体和上贝氏体，得到下贝氏体组织并细化贝氏体尺寸，从而增加贝氏体铁素体基体的强度及韧性；Ni元素能有效提高钢的心部韧性，降低韧脆转变温度，提高低温冲击性能，对钢材料疲劳强度有益；Mo元素能明显提高钢的淬透性，促进贝氏体转变；Mo元素能够形成强碳化物，阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界迁移，有效阻止形变奥氏体再结晶，同时Mo元素的碳化物颗粒细小而不会造成微观组织结构的应力集中，有利于提高钢的冲击韧性；V元素为强化元素，V与C、N都有极强的亲和力，能够形成VC、V(CN)，在钢材的热轧阶段和螺栓镦制成型后的低温时效阶段形成弥散分布，具有较强的沉淀强化作用，从而提升强度，同时贝氏体转变时，固溶的V元素可显著抑制贝氏体相变过程中C元素的扩散，可起到细化贝氏体铁素体作用，可提高钢的强度和韧性；Nb元素和V元素类似，同样与C、N都有极强的亲和力，形成NbC、Nb(CN)，在钢材的热轧阶段和螺栓镦制成型后的低温时效阶段形成弥散分布，提升强度；Ti与C、O、N都有极强的亲和力，在钢的冶炼凝固和热轧过程中，其与C、N结合析出的TiN、TiC相减缓奥氏体晶粒度长大速率，起到细化晶粒的作用，而V-Ti复合加入时，对晶粒的细化效果更好；A1元素是有效的脱氧剂，且能形成A1N细化晶粒；N元素能与V、Ti和Al等形成化合物，N可促进V的析出，减少V的用量，在非调钢中主要起加强沉淀强化效果和细化晶粒的作用，降低成本；控制O元素的含量，能够降低氧化物夹杂的含量，避免破坏钢的基体的连续性，从而进一步提高钢的韧性、塑性、疲劳强度和抗腐蚀性能等；通过控制非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足12.80＜G＜16.0，能够提高各元素在钢中的含量，从而使其达到12.9级非调质长杆螺栓用钢。实施例的结果显示，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的抗拉强度可达到≥1240MPa，面缩率≥46％，性能满足现有12.9级调质型螺栓要求。
具体实施方式
本发明提供了一种12.9级非调质长杆螺栓用钢，按质量百分比计，包括以下化学成分：C：0.15～0.28％、Si：≤0.30％、Mn：1.2～2.0％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cr：0.1～0.6％，Ni：≤0.25％，Mo：≤0.30％，V：0.04～0.14％、Nb：0.02～0.07％、Ti：≤0.06％、Al：0.01～0.05％，O≤0.002％、N≤0.025％和余量的Fe；
所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足12.80＜G＜16.0；其中，G＝20*C％+1.3Si％+3.3Mn％+2.5(Cr％+Ni％+Mo％)+16V％+8.3Nb％+50Ti％+50N％。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括C：0.15～0.28％，优选为0.18～0.25％，更优选为0.20～0.23％。在本发明中，C元素是非调质钢主要的强化元素，C元素含量的提高，有助于提高基体强度和淬透性；通过控制C元素的含量，既能够避免C元素含量过低导致强度不够，同时避免C元素含量过高恶化钢的塑韧性和冷加工性能。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括Si：≤0.30％，优选为0.05～0.30％，更优选为0.06～0.15％。在本发明中，Si元素为脱氧剂，Si元素能够固溶于铁素体中固溶强化，强化铁素体相，从而提高钢材的抗拉和屈服强度；通过控制Si元素的含量，既能够避免Si元素含量过低导致添加效果不充分，又能够避免过高的Si含量导致钢的变形抗力急剧升高，大幅提高冷拔和冷镦时模具的消耗。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括Mn：1.2～2.0％，优选为1.4～1.9％，更优选为1.45～1.8％。在本发明中，Mn元素是脱氧和脱硫的有效元素，提高钢的硬度和强度，Mn元素可以提高奥氏体组织的稳定性，同时还可以推迟珠光体相变，促进贝氏体相变；通过控制Mn元素的含量，既能够使钢中非常容易产生贝氏体组织，又能够避免由于Mn元素含量过高，导致钢的塑韧性降低，并导致相变后过多残余奥氏体，恶化非调质钢疲劳和延迟断裂性能。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括P：≤0.020％，优选为≤0.018％，更优选为≤0.013％。在本发明中，P具有强烈偏析倾向，在高温加热时偏聚在晶界，增加钢的冷脆，降低塑性，对钢的组织和性能的均匀性有害；通过控制P元素的含量在0.020％以下，能够大幅度降低其对造成钢的冷脆和塑韧性造成的损害。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括S：≤0.020％，优选为≤0.015％，更优选为≤0.010％。在本发明中，S元素也是钢中不可避免的有害元素，硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，使钢产生热脆，同时，MnS夹杂对钢的韧性和疲劳性能有一定的损害，因此需要控制S元素的含量在0.020％以下。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括Cr：0.1～0.6％，优选为0.15～0.45％，更优选为0.20～0.30％。在本发明中，Cr元素作为铁素体固溶强化元素与Si、Mn的作用类似，此外Cr元素能够有效地提高钢的淬透性和推迟贝氏体相变，以获得所需的高强度，并且通过固溶强化还能够显著提升贝氏体铁素体硬度；同时Cr元素还可降低C的活度，可降低加热、热轧、锻造过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能；Cr元素还可大幅度降低Bs点，可以在空冷过程中获得一定量贝氏体，同时还可以防止因冷速过快而引起的开裂；C元素和Cr元素共同作用，进一步降低Bs点，保证在空冷过程中尽量避免出现粒状贝氏体和上贝氏体，得到下贝氏体组织并细化贝氏体尺寸，从而增加贝氏体铁素体基体的强度及韧性。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括Ni：≤0.25％，优选为≤0.20％，更优选为≤0.15％。在本发明中，Ni元素能有效提高钢的心部韧性，降低韧脆转变温度，提高低温冲击性能，对钢材料疲劳强度有益；通过控制Ni元素的含量，能够使其起到相应改性效果的情况下降低钢的成本。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括Mo：≤0.30％，优选为≤0.26％，更优选为≤0.15％。在本发明中，Mo元素能明显提高钢的淬透性，促进贝氏体转变；Mo元素能够形成强碳化物，阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界迁移，有效阻止形变奥氏体再结晶；Mo元素的碳化物颗粒细小而不会造成微观组织结构的应力集中，有利于提高钢的冲击韧性；通过控制Mo元素的含量，能够使其起到相应改性效果的情况下降低钢的成本。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括V：0.04～0.14％，优选为0.08～0.12％，更优选为0.09～0.11％。在本发明中，V元素是钢中的强化元素，V元素与C、N都有极强的亲和力，形成VC、V(CN)，在钢材的热轧阶段和螺栓镦制成型后的低温时效阶段形成弥散分布，具有较强的沉淀强化作用，从而提升强度；另一方面，贝氏体转变时，固溶的V元素可显著抑制贝氏体相变过程中C元素的扩散，可起到细化贝氏体铁素体作用，可提高钢的强度和韧性；通过控制V元素的含量，既能够避免含量过少导致作用不明显，同时避免V含量较高导致的成本增加。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括Nb：0.02～0.07％，优选为0.03～0.06％，更优选为0.04～0.05％。在本发明中，Nb元素和V元素类似，与C、N都有极强的亲和力，形成NbC、Nb(CN)，在钢材的热轧阶段和螺栓镦制成型后的低温时效阶段形成弥散分布，提升强度；通过控制Nb元素的含量，既能够避免含量过少导致作用不明显，同时避免Nb含量较高作用饱和后导致的成本增加。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括Ti：≤0.06％，优选≤0.04％。本发明通过控制Ti元素的含量，能够进一步提高钢的力学性能。在本发明中，Ti与C、O、N都有极强的亲和力，在钢的冶炼凝固和热轧过程中，其与C、N结合析出的TiN、TiC相减缓奥氏体晶粒度长大速率，起到细化晶粒的作用，而V-Ti复合加入时，对晶粒的细化效果更好；通过控制Ti元素的含量，能够避免Ti含量过高容易液析TiN点状夹杂，降低材料的冲击韧性和疲劳寿命。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括Al：0.01～0.05％，优选为0.02～0.04％，更优选为0.03％。在本发明中，A1元素是有效的脱氧剂，且能形成A1N细化晶粒；通过控制A1元素的含量，既能够避免含量过少导致作用不明显，同时避免A1元素含量过高时易形成粗大的夹杂物使钢的塑韧性恶化。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括O≤0.002％。在本发明中，O元素在钢中几乎全部以氧化物夹杂的形式存在，容易破坏钢的基体的连续性，在动载荷和静载荷的作用下，往往成为裂纹的起点，尤其对钢的韧性、塑性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大，因此控制氧含量≤0.002％。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括N≤0.025％，优选为≤0.02％，更优选为≤0.015％。在本发明中，N元素能与V、Ti和Al等形成化合物，N元素可促进V元素的析出，减少V元素的用量，在非调钢中主要起加强沉淀强化效果和细化晶粒的作用，降低成本；通过控制N元素的用量，可以避免过高的游离氮形成气泡等连铸缺陷，以及易与Ti结合形成液析TiN夹杂造成钢性能的降低。
按质量百分比计，本发明提供的12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分包括余量的Fe。在本发明中，Fe元素为基质元素。
在本发明中，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足12.80＜G＜16.0；其中，G＝20*C％+1.3Si％+3.3Mn％+2.5(Cr％+Ni％+Mo％)+16V％+8.3Nb％+50Ti％+50N％。本发明通过将钢的化学成分满足上述关系，可以提高各种合金元素的含量，从而使钢的性能得到进一步的提升，同时避免元素含量过高导致的负面影响，从而得到12.9级非调质长杆螺栓用钢。
在本发明中，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分优选满足碳当量Ceq＜0.7，其中Ceq＝C％+Mn％/6+(Cr％+V％+Mo％)/5+(Cu％+Ni％)/15。在本发明中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu均为钢中该元素质量百分含量。本发明通过控制碳当量的参数Ceq满足上述条件，可以避免材料加工过程难度增大、甚至出现断裂等问题。
在本发明中，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的基体金相组织优选为贝氏体组织；所述贝氏体组织的含量优选为基体金相组织总面积的95％以上。本发明通过控制钢的金相组织，能够使其具有更高力学性能，从而满足12.9级非调质长杆螺栓用钢的技术要求。
本发明中的C元素是非调质钢主要的强化元素，有助于提高基体强度和淬透性；Si元素是脱氧剂，能够固溶于铁素体中固溶强化，强化铁素体相，从而提高钢材的抗拉和屈服强度；Mn元素是脱氧和脱硫的有效元素，提高钢的硬度和强度，且Mn元素可以提高奥氏体组织的稳定性，同时还可以推迟珠光体相变，促进贝氏体相变；控制P元素和S元素的含量，能够降低其对钢材组织和性能均匀性的破坏，避免使钢产生热脆；Cr元素作为铁素体固溶强化元素与Si、Mn的作用类似，此外Cr能够有效地提高钢的淬透性和推迟贝氏体相变，以获得所需的高强度，并且通过固溶强化还能够显著提升贝氏体铁素体硬度，同时Cr还可降低C元素的活度，可降低加热、热轧、锻造过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能；Cr元素可大幅度降低Bs点，可以在空冷过程中获得一定量贝氏体，同时还可以防止因冷速过快而引起的开裂；C和Cr起到协同作用，进一步降低Bs点，保证在空冷过程中尽量避免出现粒状贝氏体和上贝氏体，得到下贝氏体组织并细化贝氏体尺寸，从而增加贝氏体铁素体基体的强度及韧性；Ni元素能有效提高钢的心部韧性，降低韧脆转变温度，提高低温冲击性能，对钢材料疲劳强度有益；Mo元素能明显提高钢的淬透性，促进贝氏体转变；Mo元素能够形成强碳化物，阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界迁移，有效阻止形变奥氏体再结晶，同时Mo元素的碳化物颗粒细小而不会造成微观组织结构的应力集中，有利于提高钢的冲击韧性；V元素为强化元素，V与C、N都有极强的亲和力，能够形成VC、V(CN)，在钢材的热轧阶段和螺栓镦制成型后的低温时效阶段形成弥散分布，具有较强的沉淀强化作用，从而提升强度，同时贝氏体转变时，固溶的V元素可显著抑制贝氏体相变过程中C元素的扩散，可起到细化贝氏体铁素体作用，可提高钢的强度和韧性；Nb元素和V元素类似，同样与C、N都有极强的亲和力，形成VC、V(CN)，在钢材的热轧阶段和螺栓镦制成型后的低温时效阶段形成弥散分布，提升强度；A1元素是有效的脱氧剂，且能形成A1N细化晶粒；N元素能与V、Ti和Al等形成化合物，N可促进V的析出，减少V的用量，在非调钢中主要起加强沉淀强化效果和细化晶粒的作用，降低成本；控制O元素的含量，能够降低氧化物夹杂的含量，避免破坏钢的基体的连续性，从而进一步提高钢的韧性、塑性、疲劳强度和抗腐蚀性能等；通过控制非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足12.80＜G＜16.0，能够提高各元素在钢中的含量，从而使其达到12.9级非调质长杆螺栓用钢。
本发明提供了上述技术方案所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料进行冶炼后，得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次进行热轧、拉拔和时效处理，得到12.9级非调质长杆螺栓用钢。
本发明将原料进行冶炼后，得到铸锭。本发明对所述原料的具体种类和用量没有特殊的限定，能够使铸锭中的成分符合12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分要求即可。
在本发明中，所述冶炼的方式优选为转炉/电炉+精炼+VD/RH三联工序。本发明对所述冶炼过程中所使用的设备以及冶炼的参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员的技术常识确定，能够使12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分要求即可。
在本发明中，所述铸锭的状态优选为盘条。本发明对所述盘条的参数没有特殊的限定，根据本领域技术人员的技术需要确定即可。本发明通过将铸锭制备成盘条状，便于后续的热轧和拉拔等工艺，从而得到符合规格的钢材。
得到铸锭后，本发明将所述铸锭依次进行热轧、拉拔和时效处理，得到12.9级非调质长杆螺栓用钢。
本发明优选在热轧前对所述铸锭进行保温处理。在本发明中，所述保温处理的温度优选为1000～1200℃。本发明对所述保温处理的时间没有特殊的限定，根据本领域技术人员的技术常识确定即可。本发明通过对铸锭进行保温处理，能够使铸锭内外受热均匀，从而有利于后续的热轧。
在本发明中，所述热轧的开轧温度优选为970～1100℃，更优选为1000～1050℃；所述热轧的吐丝温度优选为780～900℃，更优选为800～850℃。在本发明中，所述热轧的线径优选为7～12，更优选为8～10。本发明对所述热轧的变形量没有特殊的限定，根据本领域技术常识确定即可。本发明通过热轧工序能够使非调质钢盘条获得基体为贝氏体的微观组织，且使贝氏体组织占整个基体表面积的95％以上。
热轧结束后，本发明优选将热轧的产物先以0.3～2℃/s的冷却速度冷却至500～670℃收集打捆，然后空气中冷却到室温。
在本发明中，所述拉拔的减面率优选为18％～45％，更优选为20～40％，进一步优选为25～35％。本发明通过控制拉拔的减面率，使得拉拔后线材强度为最终成品强度的86％～94％。
拉拔结束后，本发明优选还包括对拉拔的产物进行矫直、滚压、滚丝和表面处理。本发明对所述矫直、滚压、滚丝和表面处理的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。本发明通过上述工艺，能够提高钢丝的表面质量。
在本发明中，所述时效处理的温度优选为240～300℃，更优选为250～280℃；所述时效处理的保温时间优选为1～5h，更优选为2～4h。在本发明中，时效处理前，钢材的基体组织是经过拉拔加工硬化的局部高密度位错贝氏体组织，此时的高密度位错使材料具备较高的强度，但塑性较差；而经过时效处理后，一方面，贝氏体基体内弥散析出纳米级碳、氮化合物，析出物钉扎位错，产生二次硬化和强化作用，另一方面，局部高密度位错处的位错密度降低，形成亚晶，从而改善了塑性和韧性；通过控制时效处理的温度，既能够避免加热温度过低时，析出弥散纳米级碳、氮化合物速率低、析出数量较少，起不到强化作用，又能够避免加热温度过高时，析出的碳、氮化合物速率快、析出物容易聚集长大，起不到钉扎位错的作用，强化作用反而减弱；控制时效处理的时间，既能够避免保温时间短，析出物数量少，起不到强化作用，又能够避免保温时间过长，析出物长大，强化作用反而减弱。
本发明采用多元合金设计思想，综合贝氏体组织强化的成分设计，Nb、V、Al细晶强化作用，Nb、V沉淀强化元素在热轧和螺栓镦制成型后的低温时效析出强化等多种强韧化机制，从而获得更高强度和韧性。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1～9和对比例1～8
实施例1～9和对比例1～8制备的非调质长杆螺栓用钢的化学成分如表1和表2所示：
表1实施例1～9和对比例1～8制备的非调质长杆螺栓用钢的化学成分
Figure BDA0004082454000000111
Figure BDA0004082454000000121
表2实施例1～9和对比例1～8制备的非调质长杆螺栓用钢的化学成分
Mo％ V％ Nb％ Ti N％ G 碳当量Ceq
实施例1 0.3 0.14 0.03 0.013 0.02 15.97 0.65
实施例2 0.29 0.12 0.06 0.02 0.01 15.10 0.61
实施例3 0.26 0.11 0.1 0 0.005 13.26 0.57
实施例4 0.05 0.08 0.06 0.01 0.005 14.80 0.63
实施例5 0.09 0.08 0.06 0 0.005 14.00 0.62
实施例6 0.15 0.09 0.04 0.04 0.005 14.64 0.56
实施例7 0.13 0.08 0.02 0.01 0.0046 12.80 0.56
实施例8 0.18 0.04 0.06 0.0012 0.005 14.06 0.67
实施例9 0.3 0.08 0.06 0 0.005 14.60 0.69
对比例1 - 0.06 0.03 0.013 0.005 13.17 0.54
对比例2 - 0.06 0.03 0.013 0.005 12.71 0.53
对比例3 - 0.07 0.04 0.013 0.0045 14.42 0.61
对比例4 - 0.05 0.03 0.013 0.005 14.63 0.68
对比例5 0.3 0.07 0.04 0.013 0.0045 15.26 0.71
对比例6 0.09 0.09 0.06 0.013 0.005 12.76 0.58
对比例7 0.29 0.08 0.06 0.013 0.005 16.16 0.73
对比例8 - 0.10 0.03 0.013 0.02 15.64 0.61
实施例1～9和对比例1～8提供的非调质长杆螺栓用钢的制备方法，由以下步骤组成：
(1)将原料经过转炉+精炼+VD三联工序进行冶炼后，得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭在1100℃保温后进行热轧后先以1℃/s的冷却速度冷却至600℃收集打捆，然后空气中冷却到室温，接着依次进行拉拔、矫直、滚压、滚丝、表面处理和时效处理，得到非调质长杆螺栓；所述时效处理的温度为300℃，时效处理的保温时间为4h。
对实施例1～9和对比例1～8制备的非调质长杆螺栓性能进行测试，测试标准为：GB/T228.1-2021，其结果如表3所示：
表3实施例1～9和对比例1～8制备的非调质长杆螺栓性能
Figure BDA0004082454000000131
由表3中的实施例1～9可以看出，本发明提供的非调质长杆螺栓用钢制备的长杆螺栓，其抗拉强度可达到≥1220MPa，面缩率≥46％，性能满足现有12.9级调质型螺栓要求。
由表3中的对比例1～8可以看出，对比例1中，G值和碳当量适中，力学性能满足要求，但是硅含量超过行业相关标准；对比例2中，G值偏小，碳当量适中，成品强度低于12.9级螺栓标准；对比例3中，G值和碳当量适中，力学性能虽满足要求，但Mn超标，冷加工开裂率高；对比例4中，G值和碳当量适中，力学性能虽满足要求，但S超标，冷加工开裂率高；对比例5中，G值适中，碳当量过大，力学性能虽满足要求，但拉拔过程材料断丝率偏高；对比例6中，G值偏小，碳当量适中，成品强度低于标准下限；对比例7中，G值和碳当量偏大，材料加工过程难度大，甚至出现断裂；对比例8中，G值和碳当量适中，但碳含量超过设计范围，拉拔过程材料断丝率偏高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种12.9级非调质长杆螺栓用钢，按质量百分比计，包括以下化学成分：C：0.15～0.28％、Si：≤0.30％、Mn：1.2～2.0％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cr：0.1～0.6％，Ni：≤0.25％，Mo：≤0.30％，V：0.04～0.14％、Nb：0.02～0.07％、Ti：≤0.06％、Al：0.01～0.05％，O≤0.002％、N≤0.025％和余量的Fe；
所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足12.80＜G＜16.0；其中，G＝20*C％+1.3Si％+3.3Mn％+2.5(Cr％+Ni％+Mo％)+16V％+8.3Nb％+50Ti％+50N％。
2.根据权利要求1所述的12.9级非调质长杆螺栓用钢，其特征在于，按质量百分比计，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢包括以下化学成分：C：0.18～0.25％、Si：≤0.30％、Mn：1.4～1.9％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cr：0.15～0.45％，Ni：≤0.25％，Mo：≤0.30％，V：0.08～0.12％、Nb：0.02～0.07％、Ti：≤0.06％、Al：0.01～0.05％，O≤0.002％、N≤0.025％和余量的Fe。
3.根据权利要求1或2所述的12.9级非调质长杆螺栓用钢，其特征在于，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的化学成分满足碳当量Ceq＜0.7，其中Ceq＝C％+Mn％/6+(Cr％+V％+Mo％)/5+(Cu％+Ni％)/15。
4.根据权利要求1或2所述的12.9级非调质长杆螺栓用钢，其特征在于，所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的基体金相组织为贝氏体组织。
5.权利要求1～4任意一项所述12.9级非调质长杆螺栓用钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料进行冶炼后，得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次进行热轧、拉拔和时效处理，得到12.9级非调质长杆螺栓用钢。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中冶炼的方式为转炉/电炉+精炼+VD/RH三联工序。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中热轧的开轧温度为970～1100℃，热轧的吐丝温度为780～900℃。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中拉拔的减面率为18％～45％。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中拉拔结束后，还包括对拉拔的产物进行矫直、滚压、滚丝和表面处理。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中时效处理的温度为240～300℃，时效处理的保温时间为1～5h。
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