CN116426829B - 一种抗疲劳耐用紧固件材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗疲劳耐用紧固件材料及其制备方法,包括紧固件本体和保护涂层;所述紧固件本体是由如下重量百分比的成分制成:C 0.01~0.08%,Si 0.5~1.5%,Cr 10~15%,Ni 8~10%,Mn 0.8~1.8%,Mo 0.5~1.5%,Ga 0.01~0.06%,Sc 0.001~0.003%,Zr 0.03~0.05%,Nb 0.005~0.015%,稀土元素0.001~0.005%,Ir 0.005~0.01%,B 0.001~0.006%,N 0.001~0.003%,余量为Fe和其它不可避免的杂质。该抗疲劳耐用紧固件材料抗疲劳耐用性佳,强度高,耐腐蚀性能好。
Description
技术领域
本发明涉及紧固件材料技术领域,尤其涉及一种抗疲劳耐用紧固件材料及其制备方法。
背景技术
紧固件是用于紧固两个或两个以上零件或构件,使其紧固连接在一起的机械零件的总称,主要包括螺栓、螺母、垫圈、螺钉、销、铆钉等,广泛应用于能源、电子、电器、机械、化工、冶金、模具、液压等行业。紧固件产品质量对主体工作性能和结构安全性起着重要作用,被誉为“工业之米”。随着制造业技术的发展及人们对工程质量安全认识上的深入,对紧固件的机械强度、耐腐蚀性、加工性能、抗疲劳性能及耐用性提出了更高要求。
目前常用的紧固件材料以碳钢为主,这类紧固件材料存在重量较大,综合力学性能不高,耐腐蚀性能较差,具有低温脆性,容易发生断裂的缺陷。市面上的紧固件材料也还或多或少存在强度不够,耐腐蚀、耐磨性能不足,性能稳定性差,抗疲劳耐用不足,使用寿命短的技术问题。
为了解决上述问题,中国发明专利CN105543715B公开了一种高强度耐蚀高氮钢紧固件及其制造工艺。制造该紧固件的高氮钢材料以重量百分比计,含有以下元素:Mn 16-19%;Cr 22-32%;N 0.5-0.9%;Mo 0.5-1.5%;Ni≤0.2%;S≤0.03%;P≤0.03%;C≤0.03%;Si≤0.4%,余量为铁及不可避免杂质。该高氮钢材料以氮作为强化元素,能够极大提高材料的强度,并且具有很好的耐腐蚀性能。以该高氮钢材料制造的紧固件具有强度高、耐腐蚀性能好的特点,可以满足极端环境对紧固件性能的要求。然而,其抗疲劳耐用性有待进一步改善,耐延迟断裂性能有待进一步提升。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种抗疲劳耐用性佳,强度高,耐腐蚀性能好的抗疲劳耐用紧固件材料及其制备方法。
为达到以上目的,本发明提供一种抗疲劳耐用紧固件材料,包括紧固件本体和保护涂层;所述紧固件本体是由如下按重量百分比计的各成分制成:C 0.01~0.08%,Si 0.5~1.5%,Cr 10~15%,Ni 8~10%,Mn 0.8~1.8%,Mo 0.5~1.5%,Ga 0.01~0.06%,Sc0.001~0.003%,Zr 0.03~0.05%,Nb 0.005~0.015%,稀土元素0.001~0.005%,Ir0.005~0.01%,B 0.001~0.006%,N 0.001~0.003%,余量为Fe和其它不可避免的杂质;
所述保护涂层是由如下按重量份计的原料制成:带氨基的金属-有机框架材料10-20份、环氧基超支化聚硼硅氧烷40-50份、9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴4-6份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷5-8份、溶剂40-50份。
优选的,所述带氨基的金属-有机框架材料的来源无特殊要求,在本发明的一个实施例中,所述带氨基的金属-有机框架材料是按中国发明专利CN108927010B中实施例1的方法制成。
优选的,所述环氧基超支化聚硼硅氧烷的来源无特殊要求,在本发明的一个实施例中,所述环氧基超支化聚硼硅氧烷是按中国发明专利CN107868252B中实施例1的方法制成。
优选的,所述溶剂为二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
优选的,所述稀土元素为Ce、Pr、La按质量比(3-5):(1-2):1混合形成的混合物。
本发明的另一个目的,在于提供一种所述抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1、采用真空感应和真空自耗重熔的双真空工艺冶炼钢锭;
步骤S2、对钢锭进行热处理;
步骤S3、经过抛光、打磨、冲压、车加工、制牙工序,制成紧固件本体材料;
步骤S4、将保护涂层各原料按重量份混合均匀后,涂覆于经过S3处理得到的紧固件本体材料表面,在170-190℃下固化1-2小时。
优选的,所述步骤S1所述真空感应和真空自耗重熔的真空度为0.01~2.2Pa,钢锭冶炼温度为1480~1580℃,钢锭出钢温度为1460~1500℃。
优选的,步骤S2中所述热处理包括依次进行的均匀化处理、退火处理和回火处理。
优选的,所述均匀化处理的温度为1180~1280℃,保温时间为10~18h。
优选的,所述退火处理为二段退火处理,第一段退火处理温度为700-760℃,保温时间1-3小时;第二段退火温度为1050-1100℃,保温时间0.8-1.2小时。
优选的,所述回火处理的温度为200-300℃,保温时间1-3小时。
优选的,步骤S4中所述保护涂层的厚度为60-200μm。
由于上述技术方案的运用,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明公开的抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,工艺简单,流程短,操作控制方便易行,制备效率和成品合格率高,无需专用设备,适于连续规模化生产。
(2)本发明公开的抗疲劳耐用紧固件材料,包括紧固件本体和保护涂层,两层配合,使得制成的紧固件材料内部不易与水和氧气接触,有效改善了耐腐蚀性、耐磨性和抗氧化性能,进而提高材料的耐用性,有效延长材料使用寿命。通过紧固件本体材料配方和保护涂层配方的合理选取,使得它们之间的粘着力强,在长期使用过程中不易脱层,进一步保证了材料较长的使用寿命。
(3)本发明公开的抗疲劳耐用紧固件材料,所述紧固件本体是由如下按重量百分比计的各成分制成:C 0.01~0.08%,Si 0.5~1.5%,Cr 10~15%,Ni 8~10%,Mn 0.8~1.8%,Mo 0.5~1.5%,Ga 0.01~0.06%,Sc 0.001~0.003%,Zr 0.03~0.05%,Nb0.005~0.015%,稀土元素0.001~0.005%,Ir 0.005~0.01%,B 0.001~0.006%,N 0.001~0.003%,余量为Fe和其它不可避免的杂质;通过各元素成分之间的相互配合,共同作用,能改善产品的显微组织,提高产品的晶粒度,使产品具有良好的机械性能、耐腐蚀性能、耐磨性和抗疲劳耐用性能,从而有效延长材料使用寿命。
(4)本发明公开的抗疲劳耐用紧固件材料,所述保护涂层是由如下按重量份计的原料制成:带氨基的金属-有机框架材料10-20份、环氧基超支化聚硼硅氧烷40-50份、9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴4-6份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷5-8份、溶剂40-50份;通过氨基和环氧基的环氧开环反应,使得这些组分形成互穿网络结构,在紧固件本体表面形成致密的保护层,阻止在恶劣环境下外界因素对紧固件本体的影响,提高了其抗氧化性能和耐蚀性,进而有效延长材料的使用寿命;另外,通过各原料种类及配方的合理选取,使得在保护涂层分子结构中同时含有金属有机框架、超支化聚硼硅氧烷、苯基酯、苯基芴、羟基苯基六氟丙烷结构,这些结构在电子效应、位阻效应和共轭效应的多重作用下,能改善产品耐用性,进一步延长其使用寿命。
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
一种抗疲劳耐用紧固件材料,包括紧固件本体和保护涂层;所述紧固件本体是由如下按重量百分比计的各成分制成:C 0.01%,Si 0.5%,Cr 10%,Ni 8%,Mn 0.8%,Mo0.5%,Ga 0.01%,Sc 0.001%,Zr 0.03%,Nb 0.005%,稀土元素0.001%,Ir 0.005%,B0.001%,N 0.001%,余量为Fe和其它不可避免的杂质;
所述保护涂层是由如下按重量份计的原料制成:带氨基的金属-有机框架材料10份、环氧基超支化聚硼硅氧烷40份、9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴4份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷5份、溶剂40份。
所述带氨基的金属-有机框架材料是按中国发明专利CN108927010B中实施例1的方法制成;所述环氧基超支化聚硼硅氧烷是按中国发明专利CN107868252B中实施例1的方法制成。
所述溶剂为二甲亚砜;所述稀土元素为Ce、Pr、La按质量比3:1:1混合形成的混合物。
一种所述抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1、采用真空感应和真空自耗重熔的双真空工艺冶炼钢锭;
步骤S2、对钢锭进行热处理;
步骤S3、经过抛光、打磨、冲压、车加工、制牙工序,制成紧固件本体材料;
步骤S4、将保护涂层各原料按重量份混合均匀后,涂覆于经过S3处理得到的紧固件本体材料表面,在170℃下固化1小时。
所述步骤S1所述真空感应和真空自耗重熔的真空度为0.01Pa,钢锭冶炼温度为1480℃,钢锭出钢温度为1460℃。
步骤S2中所述热处理包括依次进行的均匀化处理、退火处理和回火处理;所述均匀化处理的温度为1180℃,保温时间为10h;所述退火处理为二段退火处理,第一段退火处理温度为700℃,保温时间1小时;第二段退火温度为1050℃,保温时间0.8小时;所述回火处理的温度为200℃,保温时间1小时。
步骤S4中所述保护涂层的厚度为120μm。
实施例2
一种抗疲劳耐用紧固件材料,包括紧固件本体和保护涂层;所述紧固件本体是由如下按重量百分比计的各成分制成:C 0.03%,Si 0.7%,Cr 12%,Ni 8.5%,Mn 1%,Mo0.7%,Ga 0.03%,Sc 0.0015%,Zr 0.035%,Nb 0.007%,稀土元素0.002%,Ir 0.006%,B0.002%,N 0.0015%,余量为Fe和其它不可避免的杂质;
所述保护涂层是由如下按重量份计的原料制成:带氨基的金属-有机框架材料13份、环氧基超支化聚硼硅氧烷42份、9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴4.5份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷6份、溶剂43份。
所述带氨基的金属-有机框架材料是按中国发明专利CN108927010B中实施例1的方法制成;所述环氧基超支化聚硼硅氧烷是按中国发明专利CN107868252B中实施例1的方法制成。
所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺;所述稀土元素为Ce、Pr、La按质量比3.5:1.2:1混合形成的混合物。
提供一种所述抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1、采用真空感应和真空自耗重熔的双真空工艺冶炼钢锭;
步骤S2、对钢锭进行热处理;
步骤S3、经过抛光、打磨、冲压、车加工、制牙工序,制成紧固件本体材料;
步骤S4、将保护涂层各原料按重量份混合均匀后,涂覆于经过S3处理得到的紧固件本体材料表面,在175℃下固化1.2小时。
所述步骤S1所述真空感应和真空自耗重熔的真空度为0.5Pa,钢锭冶炼温度为1500℃,钢锭出钢温度为1480℃。
步骤S2中所述热处理包括依次进行的均匀化处理、退火处理和回火处理;所述均匀化处理的温度为1210℃,保温时间为12h;所述退火处理为二段退火处理,第一段退火处理温度为720℃,保温时间1.5小时;第二段退火温度为1080℃,保温时间0.9小时;所述回火处理的温度为230℃,保温时间1.5小时。
步骤S4中所述保护涂层的厚度为120μm。
实施例3
一种抗疲劳耐用紧固件材料,包括紧固件本体和保护涂层;所述紧固件本体是由如下按重量百分比计的各成分制成:C 0.05%,Si 1%,Cr 13%,Ni 9%,Mn 1.3%,Mo1%,Ga 0.04%,Sc 0.002%,Zr 0.04%,Nb 0.01%,稀土元素0.003%,Ir 0.008%,B0.004%,N 0.002%,余量为Fe和其它不可避免的杂质;
所述保护涂层是由如下按重量份计的原料制成:带氨基的金属-有机框架材料15份、环氧基超支化聚硼硅氧烷45份、9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴5份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷6.5份、溶剂45份。
所述带氨基的金属-有机框架材料是按中国发明专利CN108927010B中实施例1的方法制成;所述环氧基超支化聚硼硅氧烷是按中国发明专利CN107868252B中实施例1的方法制成。
所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮;所述稀土元素为Ce、Pr、La按质量比4:1.5:1混合形成的混合物。
一种所述抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1、采用真空感应和真空自耗重熔的双真空工艺冶炼钢锭;
步骤S2、对钢锭进行热处理;
步骤S3、经过抛光、打磨、冲压、车加工、制牙工序,制成紧固件本体材料;
步骤S4、将保护涂层各原料按重量份混合均匀后,涂覆于经过S3处理得到的紧固件本体材料表面,在180℃下固化1.5小时。
所述步骤S1所述真空感应和真空自耗重熔的真空度为1.7Pa,钢锭冶炼温度为1530℃,钢锭出钢温度为1480℃。
骤S2中所述热处理包括依次进行的均匀化处理、退火处理和回火处理;所述均匀化处理的温度为1230℃,保温时间为14h;所述退火处理为二段退火处理,第一段退火处理温度为730℃,保温时间2小时;第二段退火温度为1080℃,保温时间1小时;所述回火处理的温度为250℃,保温时间2小时。
步骤S4中所述保护涂层的厚度为120μm。
实施例4
一种抗疲劳耐用紧固件材料,包括紧固件本体和保护涂层;所述紧固件本体是由如下按重量百分比计的各成分制成:C 0.07%,Si 1.3%,Cr 14%,Ni 9.5%,Mn 1.6%,Mo1.3%,Ga 0.05%,Sc 0.0025%,Zr 0.045%,Nb 0.013%,稀土元素0.004%,Ir 0.009%,B0.005%,N 0.0025%,余量为Fe和其它不可避免的杂质;
所述保护涂层是由如下按重量份计的原料制成:带氨基的金属-有机框架材料18份、环氧基超支化聚硼硅氧烷48份、9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴5.5份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷7.5份、溶剂48份。
所述带氨基的金属-有机框架材料是按中国发明专利CN108927010B中实施例1的方法制成;所述环氧基超支化聚硼硅氧烷是按中国发明专利CN107868252B中实施例1的方法制成。
所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮;所述稀土元素为Ce、Pr、La按质量比4.5:1.8:1混合形成的混合物。
一种所述抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1、采用真空感应和真空自耗重熔的双真空工艺冶炼钢锭;
步骤S2、对钢锭进行热处理;
步骤S3、经过抛光、打磨、冲压、车加工、制牙工序,制成紧固件本体材料;
步骤S4、将保护涂层各原料按重量份混合均匀后,涂覆于经过S3处理得到的紧固件本体材料表面,在185℃下固化1.8小时。
所述步骤S1所述真空感应和真空自耗重熔的真空度为2.0Pa,钢锭冶炼温度为1560℃,钢锭出钢温度为1490℃。
步骤S2中所述热处理包括依次进行的均匀化处理、退火处理和回火处理;所述均匀化处理的温度为1270℃,保温时间为17h;所述退火处理为二段退火处理,第一段退火处理温度为750℃,保温时间2.5小时;第二段退火温度为1090℃,保温时间1.1小时;所述回火处理的温度为290℃,保温时间2.5小时。
步骤S4中所述保护涂层的厚度为120μm。
实施例5
一种抗疲劳耐用紧固件材料,包括紧固件本体和保护涂层;所述紧固件本体是由如下按重量百分比计的各成分制成:C 0.08%,Si 1.5%,Cr 15%,Ni 10%,Mn 1.8%,Mo1.5%,Ga 0.06%,Sc 0.003%,Zr 0.05%,Nb 0.015%,稀土元素0.005%,Ir 0.01%,B0.006%,N 0.003%,余量为Fe和其它不可避免的杂质;
所述保护涂层是由如下按重量份计的原料制成:带氨基的金属-有机框架材料20份、环氧基超支化聚硼硅氧烷50份、9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴6份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷8份、溶剂50份。
所述带氨基的金属-有机框架材料是按中国发明专利CN108927010B中实施例1的方法制成;所述环氧基超支化聚硼硅氧烷是按中国发明专利CN107868252B中实施例1的方法制成。
所述溶剂为二甲亚砜;所述稀土元素为Ce、Pr、La按质量比5:2:1混合形成的混合物。
一种所述抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1、采用真空感应和真空自耗重熔的双真空工艺冶炼钢锭;
步骤S2、对钢锭进行热处理;
步骤S3、经过抛光、打磨、冲压、车加工、制牙工序,制成紧固件本体材料;
步骤S4、将保护涂层各原料按重量份混合均匀后,涂覆于经过S3处理得到的紧固件本体材料表面,在190℃下固化2小时。
所述步骤S1所述真空感应和真空自耗重熔的真空度为2.2Pa,钢锭冶炼温度为1580℃,钢锭出钢温度为1500℃。
步骤S2中所述热处理包括依次进行的均匀化处理、退火处理和回火处理;所述均匀化处理的温度为1280℃,保温时间为18h;所述退火处理为二段退火处理,第一段退火处理温度为760℃,保温时间3小时;第二段退火温度为1100℃,保温时间1.2小时;所述回火处理的温度为300℃,保温时间3小时。
步骤S4中所述保护涂层的厚度为120μm。
对比例1
一种抗疲劳耐用紧固件材料,其与实施例1基本相同,不同的是没有添加Ga、Nb和带氨基的金属-有机框架材料。
对比例2
一种抗疲劳耐用紧固件材料,其与实施例1基本相同,不同的是没有添加Sc、Zr、Ir和2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷。
为了进一步说明本发明各实施例制成的抗疲劳耐用紧固件材料的有益技术效果,对实施例1-5及对比例1-2制成的抗疲劳耐用紧固件材料进行相关性能测试,测试结果见表1,测试方法如下:
(1)抗拉强度:根据国家标准GB/T 228-2002以及GB/T 3098.1-2000测试样品的抗拉强度;
(2)抗疲劳性能:在Amsler HFP-422高频疲劳实验机上对试件进行等幅疲劳实验(最大载荷100MPa,最小载荷20MPa),记录并统计疲劳寿命。
(3)耐腐蚀性:对制得的抗疲劳耐用紧固件材料进行盐雾耐腐蚀试验测试,试验温度为35℃,用5%质量浓度的氯化钠水溶液在试验箱内喷雾,用以模拟环境的加速腐蚀,紧固件材料的耐受时间(即保持未生锈的时间)长短决定其耐腐蚀性能的好坏。
表1
从表1可见,本发明实施例公开的抗疲劳耐用紧固件材料,与对比例产品相比,强度、抗疲劳性能和耐腐蚀性更优异,Ga、Nb、带氨基的金属-有机框架材料、Sc、Zr、Ir和2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的加入对改善上述性能有益。
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 (5)
1.一种抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1、采用真空感应和真空自耗重熔的双真空工艺冶炼钢锭;
步骤S2、对钢锭进行热处理;所述热处理包括依次进行的均匀化处理、退火处理和回火处理;所述均匀化处理的温度为1180~1280℃,保温时间为10~18h;所述退火处理为二段退火处理,第一段退火处理温度为700-760℃,保温时间1-3小时;第二段退火温度为1050-1100℃,保温时间0.8-1.2小时;所述回火处理的温度为200-300℃,保温时间1-3小时;
步骤S3、经过抛光、打磨、冲压、车加工、制牙工序,制成紧固件本体材料;
步骤S4、将保护涂层各原料按重量份混合均匀后,涂覆于经过S3处理得到的紧固件本体材料表面,在170-190℃下固化1-2小时;
所述紧固件本体材料是由如下按重量百分比计的各成分制成:C 0.01~0.08%,Si0.5~1.5%,Cr 10~15%,Ni 8~10%,Mn 0.8~1.8%,Mo 0.5~1.5%,Ga 0.01~0.06%,Sc 0.001~0.003%,Zr 0.03~0.05%,Nb 0.005~0.015%,稀土元素0.001~0.005%,Ir 0.005~0.01%,B 0.001~0.006%,N 0.001~0.003%,余量为Fe和其它不可避免的杂质;
所述保护涂层是由如下按重量份计的原料制成:带氨基的金属-有机框架材料10-20份、环氧基超支化聚硼硅氧烷40-50份、9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴4-6份、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷5-8份、溶剂40-50份。
2.根据权利要求1所述的抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,其特征在于,所述溶剂为二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,其特征在于,所述稀土元素为Ce、Pr、La按质量比(3-5):(1-2):1混合形成的混合物。
4.根据权利要求1所述的抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,其特征在于,步骤S1所述真空感应和真空自耗重熔的真空度为0.01~2.2Pa,钢锭冶炼温度为1480~1580℃,钢锭出钢温度为1460~1500℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的抗疲劳耐用紧固件材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中所述保护涂层的厚度为60-200μm。
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