专利名称：高强度螺栓用钢的制作方法
技术领域：
本发明属于合金钢领域。主要适用于抗拉强度为1400～1600MPa，同时要求具有良好延迟断裂抗力的高强度螺栓用钢。
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，目前使用的高强度螺栓的强度水平基本控制在1200MPa以下。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钢的研究开发。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含量较高(0.50％～1.50％，重量百分比，下同)，显著恶化钢的冷镦性能，同时较高的Cr含量(1.50％～3.50％)不仅对冷加工性能不利，而且会提高钢的成本。日本专利JP8-225845中的Cr-Ni-Mo-V高强度螺栓用钢，则含有较高含量的贵重元素Ni(0.8％～2.4％)，使得钢的成本较高。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％)，钢的韧性较差，同时螺栓的加工性能恶化。这些均在实际应用中受到了限制。
本发明的目的在于提出一种抗拉强度为1400～1600MPa、且具有良好耐延迟断裂性能的高强度螺栓用钢。
根据上述目的，本发明所采用的主要技术方案是(1)加入抗回火软化能力强的元素Mo、V等，提高回火温度和晶界强度；(2)降低杂质元素P、S的含量，同时降低Mn、Si含量，抑制淬火钢高温回火时Mn和P的共偏聚和改善钢的冷加工性能；(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韧性；(4)加入V、Nb等微合金元素，生成弥散细小的碳氮化物以细化奥氏体晶粒，提高钢的强度和韧性。
本发明钢的具体化学成分(重量％)如下C0.35～0.50，Si≤0.01-0.09，Mn≤0.30，P≤0.010，S≤0.008，Cr0.50～1.50，Mo0.70～1.50，V0.20～0.50，Nb0.01～0.08，RE0.002～0.040，Al0.005～0.05，N0.006～0.015，根据需求可加入0.01～0.15的Ti、Zr中的任意一种或两种，余为Fe及不可避免的杂质。
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0.35％以上，但过多的C含量会恶化钢的韧性和工艺性，并增加延迟断裂的敏感性，因而C含量控制为0.35～0.50％。
SiSi元素虽然可以脱氧，但它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元素还显著恶化高强度钢的冷镦性能，因而控制其含量不超过0.09％。
MnMn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，但淬火钢高温回火时，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0.30％以下。
PP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0.010％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。含量小于0.50％难以起到上述作用，但含量超过1.50％则会恶化钢的韧性和冷加工性。
MoMo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0.70％作用不明显，但含量超过1.50％则上述作用效果饱和，且成本较高。
VV能够细化晶粒，在较高温度回火时析出的碳氮化钒除可进一步提高钢的强度外，还由于碳氮化钒具有较强的陷阱能，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。V含量小于0.20％难以起到上述作用，但含量超过0.50％则作用饱和。
Nb细化晶粒，提高钢的韧性，含量小于0.01％起不到上述作用，但含量超过0.08％则作用饱和。
RE通过多年对RE元素在钢中作用的系统研究表明，RE元素除有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用外，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0.002％起不到上述作用，但含量超过0.040％，则由于夹杂物增多，反而恶化钢的耐延迟断裂性能。控制其含量在0.002～0.040％。
Al能够有效地脱氧和细化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.05％则易形成粗大的氧化铝夹杂，恶化钢的韧性。
NN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0.006～0.015％。
Ti除细化晶粒、析出强化和固定N、S的作用外，弥散析出的TiC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0.15％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850～950℃淬火和高于500℃的高温回火后再进行检测并交货。
本发明钢与现有技术相比较，不仅抗拉强度有所提高，而且耐延迟断裂性能优良，经济效果好。
实施例本发明实施例是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1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。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，随后加工成标准室温拉伸试样(L0＝5d0，d0＝5mm)WOL型试样(15mm×37.2mm×48mm)的毛坯。上述试样经淬火回火后加工至最终尺寸。热处理制度和相应的性能参数见表2。
试样在室温下进行拉伸性能试验。改进的WOL型试样预制1～2mm的疲劳裂纹后，用螺钉加载后浸入室温的3.5％NaCl水溶液中。用读数显微镜测量裂纹长度a，当裂纹扩展速率da/dt≤1.0×10-9m/s时终止实验。根据止裂后的裂纹长度和所加恒位移就可求出应力腐蚀临界应力强度因子KISCC。试验参照GB12445.3-90进行。所得结果列入了表2。
通过对比可以看出，本发明钢不仅强度高，而且在1400～1600MPa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。
在本发明实施例中，表1为本发明实施例与现有技术钢的成分对比表，表2为本发明实施例样品性能与现有技术钢性能的比较。
表1本发明实施例与对比钢的化学成分比较(重量％)
表2本发明实施例与对比钢的热处理制度、抗拉强度及耐延迟断裂性能的比较
权利要求
1.一种具有耐延迟断裂性能的高强度螺栓钢，其特征在于该钢的具体化学成份为(重量％)C0.35-0.5，Si0.01-0.09，Mn≤0.30，P≤0.010，S≤0.008，Cr0.5-1.5，Mo0.7-1.5，V0.20-0.50，Nb 0.01-0.08，RE0.002-0.04，Al0.005-0.05，N0.006-0.015，Ti和Zr中的任意一种或两种之和为0.01-0.15，其余为Fe及不可避免的杂质。
全文摘要
本发明属于合金钢领域。更适用于抗拉强度为1400－1600Mpa,同时具有良好耐延迟断裂性能的高强度螺栓钢。该钢的具体成分为(重量%)C 0.35－0.5,Si 0.01－0.09,Mn≤0.30,P≤0.010,S≤0.008,Cr 0.5－1.5,Mo 0.7－1.5,V0.20－0.50,Nb0.01－0.08,RE 0.002－0.04,Al 0.005－0.05,N0.006－0.015,Ti和Zr中的任意一种或两种之和为0.01－0.15,其余为Fe及不可避免的杂质。本发明钢与现有技术钢的性能比较;在1400－1600Mpa的强度下,本发明钢的耐延迟断裂性能明显提高,而且其他综合性能也比现有技术钢要好。
文档编号C22C38/28GK1329179SQ0112951
公开日2002年1月2日 申请日期2001年6月22日 优先权日2001年6月22日
发明者翁宇庆, 惠卫军, 董瀚, 王毛球, 陈思联, 时捷 申请人:钢铁研究总院