含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢及其热处理工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金钢领域，尤其12.9级轨道交通移动装备用紧固件用钢及其热处理 工艺。
【背景技术】
[0002] 紧固件在市场上也称为标准件，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。它的特点是品种规格繁多，性能用途各异，而 且标准化、系列化、通用化的程度极高。紧固件是应用最广泛的机械基础件，需求量很大。高 强度螺栓等高强度紧固件的强度水平一般分为8.8、9.8、10.9和12.9四个级别，通常为调质 处理的中碳钢或中碳合金钢。
[0003] 随着轨道交通的高速、重载化，关键零部件受冲击和震动显著增大，疲劳破坏成为 其失效的主要形式，对钢材的低温冲击韧性、疲劳性能要求显著提高，急需耐低温冲击、抗 疲劳性能优异的紧固件用钢。为确保紧固件的耐低温冲击、抗疲劳性能，目前，我国高速、重 载轨道交通移动装备用12.9级、12.9级紧固件用钢多采用4340、40CrNiMo和18Cr2Ni4WE等 高合金结构钢，生产难度大，Ni、Mo等贵合金消耗大，生产成本高，且大多进口。
【发明内容】
[0004] 为克服现有技术存在的问题，本发明提供含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件 用钢及其热处理工艺，在满足轨道交通移动装备用高强高韧紧固件耐低温冲击、抗疲劳性 能的同时，能够合理、均衡地利用资源，采用较少的合金元素加入量，降低生产成本和生产 难度。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件用 钢，主要包含以下质量百分含量（％)的化学元素<0.33~0.38%，310.05~0.10%，111 0.70~0.90%，Cr 0.70~0.90%，Ni 0.60~0·90%，Μ〇 0.20~0.30%，Als 0.015~ 0.045%，V 0.06~0· 10%，[N] 0.006~0.010%，P<0.010%，S<0.005%，T[0]< 0.0015%;采用所述紧固件用钢制备的紧固件热处理后钢的组织为回火索氏体基体上弥散 分布少量细小先共析铁素体，其中，先共析铁素体量< 3%，尺寸< 5μπι。为改善钢的韧性和 抗疲劳性能，还可添加〇. 001~〇. 005 %的Ca。
[0006] 本发明还提供一种含钒12.9级轨道交通移动装备用的紧固件用钢的乳制工艺:如 权利要求1所述化学成分的钢坯加热温度按1050-1250°C范围控制，在1000°C以上完成粗、 中乳机乳制，精乳机采用低温控制乳制，控冷采用缓冷工艺。
[0007] 本发明还提供一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件的热处理工艺，其特征 在于，化学成分如权利要求1所述含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件的热处理工艺为： 870~910°C淬火+670~740°C淬火+530~630°C回火。
[0008] 本发明提供的一种含钒12.9级轨道交通移动装备用紧固件，主要包含以下质量百 分含量（％)的化学元素 ：C 0.33~0.38%，Si 0.05~0·10%，Μη 0.70~0.90%，Cr 0.70~ 0.90%，Ni 0.60~0·90%，Μ〇 0.20~0.30%，Als 0.015~0.045%，V 0.06~0·10%，[Ν] 0.006~0.010%，Ρ< 0.010%，S< 0.005%，Τ[0] <0.0015% ;所述紧固件热处理后钢材的 奥氏体晶粒度大于10.0级;所述紧固件热处理后钢的组织为回火索氏体基体上弥散分布少 量细小先共析铁素体，其中，先共析铁素体量< 3%，尺寸< 5μηι;所述紧固件热处理后纵向 力学性能为:Rm: 1250MPa~1350MPa，RpQ.2 2 1100MPa，A 2 9%，Ζ 2 50%，-40°C纵向冲击吸收 功KUP 80J，在650MPa循环应力条件下疲劳寿命2 1000万次。
[0009] 本发明化学成分设计思想如下：
[0010] (1)在40CrNiMo钢基础上，适当降低紧固件用钢中的C元素含量，改善钢的韧性和 塑性；（2)适当添加镍元素并加入微量的钒、氮元素，以改善钢的淬透性并细化晶粒，提高钢 的韧性特别是低温韧性，并改善钢的强度和韧性配合，提高钢的抗疲劳性能；（3)加入适量 的Ca元素，对钢中的夹杂物进行变性处理，同时严格控制钢中杂质元素 T[0]、P、S等的含量， 以进一步提高钢的抗疲劳性能。本发明的关键之处在于将成分优化调整与冶金质量控制有 机地结合起来，在获得高强度的同时，获得优异的耐低温冲击、抗疲劳破坏性能和较低的成 本。
[0011] 本发明钢的包含化学元素（质量％ )如下:c:0.33~0.38，Si :0.05~0.10，Mn:0.70 ~0.90，Cr:0.70~0.90，Ni:0.60~0.90，Mo:0.20~0.30，Als:0.015~0.045，V:0.06~ 0.10，[^ :0.006~0.010，0&:0.001~0.005，？<0.010,5<0.005，1'[0]<0.0015，余为卩6和 其它不可避免的杂质。
[0012] 上述各元素的作用及配比依据如下：
[0013] C:C元素是高强度紧固件用钢获得高的强度所必需的。高的C含量虽然对钢的强度 等有利，但对钢的冷镦性能、塑性和韧性极为不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化 钢的抗疲劳性能和加工性能。因此适当降低钢中的C含量，将其控制在0.33~0.38%。
[0014] Si:Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但硅能显著提高钢的变 形抗力，对冷镦和冷挤压极为不利，且Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，恶化钢的抗疲 劳性能，故硅含量不宜太高，因此控制Si含量为0.05~0.10%。
[0015] Mn:Mn是脱氧的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度。含量小于0.70%时，难 以起到上述作用。但淬火钢回火时，Μη和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢 的韧性，因而控制Μη含量在0.90 %以下。
[0016] Cr: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；同时Cr还可 降低C的活度，可降低加热、乳制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗 疲劳性能，但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.70~0.90%。
[0017] Ni : Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性。考虑到经济性，控制 Ni含量为0.60~0.90 %。
[0018] M〇:M〇在钢中的作用主要为提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，Mo 元素与Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高。Mo含量过低则上述作用有 限，Mo含量过高，则上述作用饱和，且提高钢的成本。因此，控制Mo含量为0.20~0.30%。
[0019] V:V是强碳、氮化物形成元素，与C、N结合所形成的细小弥散碳化物可阻止加热时 晶粒长大，起细晶强化和沉淀强化的作用，从而可同时提高钢的强度、韧性和抗疲劳性能。V 含量低于0.06%，上述作用不明显;V含量高于0.10%，上述作用饱和，且提高钢的成本。因 而控制V含量为0.06~0.10 %。
[0020] [N]:含钒钢中增氮促进了碳氮化钒在奥氏体、铁素体中的析出，钒氮钢中不仅析 出相数量显著增加，而且析出相的尺寸也明显细化(析出相尺寸越细小，其析出强化作用就 越强）；同时，含钒钢中增氮有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到细化铁素体晶粒的作用。二 者共同作用，有效