CN1266298C - 耐延迟断裂和冷加工性能优良的高强度螺栓钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金钢领域，主要适用于抗拉强度1200MPa以上，具有良好的耐延迟断裂和冷加工性能的高强度螺栓钢。该钢的具体化学成分(重量%)为：C 0.25～0.4%，Si≤0.1%，Mn 0.4～1.4%，P≤0.01%，S≤0.008%，Cr0.1-0.5%，Mo 0.15～0.35%，B 0.0005～0.003%，Ti 0.01～0.1%，RE 0.005～0.04%，Al 0.005～0.05%，N 0.004～0.01%，余为Fe。该钢的具体化学成分(重量%)中还可加入0.01～0.1%的Nb、Zr中的任一种或两种之和。本发明与现有技术相比，该钢不仅抗拉强度很高，而且耐延迟断裂和冷加工性能优良，成本低。
Description
技术领域
本发明属于合金钢领域，主要适用于抗拉强度1200MPa以上，同时要求具有良好的耐延迟断裂和冷加工性能的高强度螺栓钢。
背景技术
高强度螺栓广泛应用于机械、汽车、桥粱、建筑等行业。当用调质处理的低合金钢制造的螺栓的抗拉强度超过约1200MPa时，延迟断裂问题就变得十分突出。因此，目前实际使用的高强度螺栓的抗拉强度通常低于1200MPa。随着各个生产部门的发展，对制造各类紧固件(如螺栓、螺钉、螺母等)使用的材料提出了愈来愈高的要求，一些汽车、建设机械用螺栓甚至要求强度在于1400MPa以上。近年来，国际上开展了耐延迟断裂高强度螺栓用钢的研究开发。但目前开发的一些耐延迟断裂高强度螺栓用钢，多采用提高碳含量、提高或添加合金元素含量的途径来达到在强度提高的同时具有良好的耐延迟断裂性能，这往往恶化钢的冷加工性能。如日本专利JP1-96354中的Cr-Mo-V高强度螺栓用钢，具有1400～1600MPa的抗拉强度，同时具有较好的耐延迟断裂性能，但其Si(0.5～1.5％)含量较高，显著恶化钢的冷加工性能，同时较高的Cr(1.5～3.5％)含量不仅对冷加工性能不利，而且会提高钢的成本。日本的住友金属开发的1300MPa级耐延迟断裂的高强度螺栓钢ADS3，由于C含量较高(0.49％)，钢的冷加工性能显著恶化(Kushida，と，1996，82：297)。这些均在实际应用中受到了限制。日本专利JP8-176747提出一种抗拉强度1400MPa以上的高强度螺栓用钢，同时具有良好的冷锻性和耐延迟断裂性能，但其Ni含量高达7.0～10.0％，显著提高了钢的成本，限制了其大批量工业应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗拉强度1200MPa以上、且具有良好的耐延迟断裂和冷加工性能，成本低的高强度螺栓钢。
根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：(1)降低Si、P、S等元素含量，降低钢中夹杂物数量和抑制回火时杂质元素的晶界偏聚，改善钢的冷加工性能和耐延迟断裂性能；(2)加入微量元素B，在提高钢的淬透性的同时，抑制杂质元素特别是P的晶界偏聚，改善钢的韧性和耐延迟断裂性能；(3)加入适量的稀土元素，对夹杂物进行变性和对氢起陷阱作用，进一步降低氢在晶界的偏聚和改善冷加工性能。
本发明钢的具体化学成分(重量％)如下：C 0.25～0.4％，Si≤0.1％，Mn0.4～1.4％，P≤0.01％，S≤0.008％，Cr 0.1～0.5％，Mo 0.15～0.35％，B0.0005～0.003％，Ti 0.01～0.1％，RE 0.005～0.04％，Al 0.005～0.05％，N 0.004～0.01％，余为Fe。根据需要，该钢的具体化学成分(重量％)中还可加入0.01～0.1％的Nb、Zr中的任一种或两种之和。
各元素的作用及配比依据如下：
C：淬火、回火后为了获得所需的高强度，C含量须在0.25％以上，但过多的C含量会恶化钢的韧性和冷加工性能，并增加延迟断裂的敏感性，因而C含量控制为0.25～0.4％。
Si：Si促进钢高温奥氏体化时晶界氧化和促进杂质元素P和S的晶界偏聚，因此恶化钢的耐延迟断裂性能。同时，Si元素还显著恶化钢的冷加工性能，因而控制其含量不超过0.1％。
Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，含量小于0.4％时，难以起到上述作用。但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，因而控制Mn含量在1.4％以下。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，从而增加钢的延迟断裂敏感性，所以控制P的含量在0.01％以下。
S：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的冷加工性能和耐延迟断裂性能，因而控制其含量在0.008％以下。
Cr：能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度。但含量过高会恶化钢的冷加工性能，因而控制其含量在0.1～0.5％。
Mo：Mo在有效地提高钢的淬透性和回火抗力的同时，还能够强化晶界。含量小于0.15％难以起到上述作用，但含量超过0.35％则上述作用效果饱和，且提高钢的成本。
B：B除提高钢的淬透性外，还能够抑制杂质元素P的晶界偏聚，起净化晶界的作用，提高晶界强度，同时还能够抑制钢在热处理时的氧化脱碳，因而改善钢的韧性和耐延迟断裂性能。为了上述作用，B含量需在0.0005％以上，但B含量超过0.003％时，过剩的B会形成粗大的BN，反而恶化钢的韧性和耐延迟断裂性能。
Ti：Ti固定钢中的N，抑制粗大BN的生成，确保B的上述良好作用。此外，Ti含能够细化晶粒，弥散析出的TiC和TiN是钢中陷阱能最高的氢陷阱，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，从而改善钢的耐延迟断裂性能。Ti含量小于0.01％起不到上述作用，但含量超过0.1％则作用饱和，且易形成粗大的TiN反而恶化钢的冷加工性能和耐延迟断裂性能。
RE：RE具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用，改善钢的冷加工性能外。此外，还能够有效地捕集氢，减少氢和其它有害元素在晶界上的偏聚，降低氢的渗透扩散，可进一步降低高强度钢延迟断裂的敏感性。RE含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.04％，则由于夹杂物增多，反而恶化钢的冷加工性能和耐延迟断裂性能。控制其含量在0.005～0.04％。
Al：能够有效地脱氧、固定N和细化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.05％则作用饱和，且形成的粗大AlN夹杂会恶化钢的韧性和冷加工性能。
N：N能够和Al、Nb、V等形成细小的氮化物细化晶粒，但过量的N会偏聚于晶界和形成粗大的夹杂物，所以其含量应控制在0.004～0.01％。
Nb：细化晶粒，提高钢的韧性，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.1％则作用饱和。
Zr：其作用和Ti类似。
本发明钢可采用电弧炉+炉外精炼冶炼，浇铸成钢锭或连铸成坯，然后轧制成棒线材等产品。本发明钢的热处理制度与现有技术相似，本发明钢经900℃，30分钟的正火处理，加工成半成品，然后经850℃～950℃淬火和高温回火后对产品进行了检测后交货。
本发明与现有技术相比，本发明钢不仅抗拉强度很高，而且耐延迟断裂和冷加工性能优良，成本低。
具体实施方式
根据上述所设计的化学成分范围，在50kg真空感应炉上冶炼了4炉本发明钢和3炉对比钢，此外还有1炉商业钢42CrMo作为对比钢，其具体化学成分如表1所示。其中炉号1～4#为本发明钢，炉号5～8#为对比钢。钢水浇铸成锭，并经锻造制成棒材。试样加工前经900℃、30分钟正火处理，随后试样由热轧棒材加工成标准室温拉伸试样(L0＝5d0，d0＝5mm)、缺口拉伸延迟断裂试样(直径d＝5mm，缺口处dN＝3mm，缺口60°±2°/0.15R±0.025)和冷变形试样(直径d＝10mm，高度h＝20mm)的毛坯。上述拉伸和延迟断裂试样经850℃～950℃淬火和回火后加工至最终尺寸。冷变形试样经软化退火处理后加工至最终尺寸。
试样在室温下进行拉伸、冲击、缺口拉伸延迟断裂和冷变形等试验。延迟断裂实验溶液为pH＝3.5±0.5的Walpole缓蚀液(16.4克无水醋酸钠+15.4毫升一级品浓盐酸+1000毫升脱离子水或蒸馏水)。如σf为发生断裂的最小应力，σn为在规定的截止时间200小时内不发生断裂的最大应力，则定义缺口拉伸临界应力σc为：σc＝1/2(σf+σn)，为使测得的与实际值相差小于10％，要求σf-σn≤0.2σc。将一系列冷变形试样进行冷镦实验，求出不发生开裂的临界变形量。所得结果列入了表2。
从表2可以看出，本发明钢在1200MPa以上的强度水平下较对比钢在相同强度水平下的耐延迟断裂性能显著提高，呈现出优良的耐延迟断裂性能；并且具有良好的冷加工性能。
表1本发明实施例和对比钢的化学成分比较(重量％)
| 炉号 | 钢种 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | B | Ti | RE | Al | N | Nb | Zr | Fe |
| 1 | 发明钢 | 0.37 | 0.09 | 0.51 | 0.006 | 0.004 | 0.26 | 0.15 | 0.0011 | 0.030 | 0.008 | 0.01 | 0.008 | - | - | 余 |
| 2 | 发明钢 | 0.31 | 0.08 | 0.80 | 0.009 | 0.003 | 0.31 | 0.21 | 0.0008 | 0.015 | 0.010 | 0.03 | 0.005 | - | 0.04 | 余 |
| 3 | 发明钢 | 0.28 | 0.09 | 1.23 | 0.006 | 0.007 | 0.16 | 0.33 | 0.0025 | 0.071 | 0.011 | 0.01 | 0.007 | 0.03 | - | 余 |
| 4 | 发明钢 | 0.30 | 0.07 | 0.75 | 0.004 | 0.003 | 0.41 | 0.20 | 0.0007 | 0.043 | 0.009 | 0.04 | 0.006 | - | - | 余 |
| 5 | 对比钢 | 0.35 | 0.08 | 0.62 | 0.010 | 0.007 | 0.35 | 0.29 | - | - | 0.012 | 0.01 | 0.006 | - | - | 余 |
| 6 | 对比钢 | 0.29 | 0.32 | 0.76 | 0.020 | 0.017 | 0.35 | 0.24 | 0.0007 | 0.011 | 0.015 | 0.02 | 0.007 | - | - | 余 |
| 7 | 对比钢 | 0.32 | 0.21 | 0.68 | 0.021 | 0.016 | 0.28 | 0.25 | - | - | - | 0.02 | 0.005 | - | - | 余 |
| 8 | 商业钢 | 0.39 | 0.30 | 0.80 | 0.025 | 0.019 | 1.08 | 0.22 | - | - | - | 0.02 | 0.008 | - | - | 余 |
表2本发明实施例和对比钢的强度、耐延迟断裂性能及冷加工性能的比较
| 炉号 | 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 延伸率δ5％ | 缺口拉伸临界应力σcMPa | 冷变形时的临界压缩变形量℃ | |
| 本发明钢 | 1 | 1410 | 1270 | 13.5 | 1500 | 77 |
| 2 | 1340 | 1210 | 14.0 | 1550 | 81 | |
| 3 | 1250 | 1130 | 16.0 | 1650 | 80 | |
| 4 | 1260 | 1110 | 15.5 | 1610 | 79 | |
| 1370 | 1230 | 14.0 | 1540 | |||
| 对比钢 | 5 | 1380 | 1240 | 13.5 | 1380 | 74 |
| 6 | 1320 | 1180 | 12.5 | 1450 | 75 | |
| 7 | 1230 | 1100 | 14.5 | 1350 | 71 | |
| 1380 | 1230 | 12.5 | 1040 | |||
| 8 | 1260 | 1140 | 12.0 | 1270 | 67 | |
| 1420 | 1280 | 11.0 | 990 |
Claims (2)
1、耐延迟断裂和冷加工性能优良的高强度螺栓钢，其特征在于该钢的具体化学成分重量％为：C 0.25～0.4％，Si≤0.1％，Mn 0.4～1.4％，P≤0.01％，S≤0.008％，Cr 0.1～0.5％，Mo 0.15～0.35％，B 0.0005～0.003％，Ti 0.01～0.1％，RE 0.005～0.04％，Al 0.005～0.05％，N 0.004～0.01％，余为Fe。
2、根据权利要求1所述的耐延迟断裂和冷加工性能优良的高强度螺栓钢，其特征在于该钢的具体化学成分重量％中还加入0.01～0.1％的Nb、Zr中的任一种或两种之和。
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