一种高强度紧固件钢的制作方法

本发明涉及冶金领域合金钢，特别是强度、低温韧性、淬透性、性价比、疲劳性好一种高强度紧固件钢。
背景技术：
：高强度紧固件是一种用量极大、应用面极广的重要基础件。不仅在机械、汽车、火车等行业，而且在公路、铁路、桥梁、建筑基础设施工程中越来越广泛应用。随着我国及世界产品向高质量的需求发展，对高强度紧固件，不仅强度要求提高，而且对低温冲击韧性也有了前所未有的新要求。与此要求相配合，国际、我国相应的标准陆续发布。此外，对高强度紧固件的直径要求也不断扩大。已有的用量最大的紧固件用钢，在直径要求更大时，其淬透性、性价比上不能满足国际与我国新标准及特殊用户的要求。本钢就是在这种背景下研究发明的。“高强度紧固件”国际、我国标准和我国风电设备特殊用户技术要求新标准仍有四种高强度性能等级：8.8级、9.8级、10.9级、12.9级，与老标准不同的是，增加了对低温冲击韧性的要求。本发明只针对标准中一种用量最大的10.9级。12.9级由于目前标准没有低温韧性的具体技术要求，而且用量少得多，该钢不做研究。高强度紧固件国际(ISO)、我国和风电设备用户要求如下表。m：数值尚在调查研究中。基于高强度紧固件在2009年就发布的国际标准，我国2010年将国际标准全部移植过来发布。但在生产实践中发现，使用时仍存在有强度、低温韧性、淬透性、抗疲劳性达不到要求，性价比差，成本高的问题；特别是直径大时，常用钢淬透性、性价比差，达不到现实生产国内外标准及特殊用户对钢种的要求，满足不了新时代下对特殊钢的需要问题。技术实现要素：针对上述情况，为克服现有钢技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种高强度紧固件钢，可有效解决现有钢直径大时，强度、低温韧性、淬透性达不到要求，性价比差，成本高，达不到现实生产中特殊情况下对钢种的要求问题。本发明解决的技术方案是，一种高强度紧固件钢，由以下重量百分比的组分组成：C(碳)0.38-0.45％、Si(硅)0.22-0.48％、Mn(锰)0.81-1.48％、P(磷)≤0.018％、S(硫)≤0.010％、V(钒)≥0.10％、B(硼)0.0009-0.0024％、O(氧)≤0.0015％，余量为Fe(铁)，-40℃低温冲击吸收能量Kv不小于27J(焦耳)。本发明组分科学合理，易生产，生产时按组分要求采用常规方法，如真空精炼方法，即将按组份要求配制的炉料在通用炼钢的电炉中进行冶炼，之后在炉外钢包中加热、抽真空、吹氩及喂丝工艺条件下进行精炼，轧成钢材。新钢种材料通过加工、热处理后制成不仅符合10.9级紧固件-20℃低温冲击吸收能量Kv不小于27J；而且-40℃低温冲击吸收能量Kv也不小于27J的要求。特别是在直径大时，也能满足新标准和特殊用户使用的需要。本发明采用了在研究、申请专利时，本领域低级、中级、高级层次技术人员都不采用，只有国家最高层次专家、教授、甚至院士带研究生才采用，并在申请专利极少公布的、测试出钢的奥氏体连续冷却曲线的方法，取得了意想不到的、具有显著技术、经济和社会效益的效果。附图说明图1为本发明钢的奥氏体连续冷却曲线图(42SiMnVBE)。图2为常用35CrMo贵重钢的奥氏体连续冷却曲线图。图3为用量最大42CrMo贵重钢的奥氏体连续冷却曲线图。图中A.奥氏体，B.贝氏体，F.铁素体，P.珠光体，M.马氏体，Ms马氏体转变开始线，Ac3.奥氏体转变成铁素体开始线,Ac1奥氏体转变成珠光体线。具体实施方式以下结合实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。本发明在具体实施时，可由以下实施例给出。实施例1本发明在具体实施中，一种高强度紧固件钢，由以下重量百分比的组分组成：C0.42％、Si0.37％、Mn1.08％、P0.007％、S0.006％、V0.10％、B0.0020％、O0.0010％，余量为Fe。实施例2本发明在具体实施中，一种高强度紧固件钢，由以下重量百分比的组分组成：C0.38-0.45％、Si0.22-0.36％、Mn0.81-1.48％、P≤0.018％、S≤0.010％、V≥0.10％、B0.0009-0.0024％、O≤0.0015％，余量为Fe。实施例3本发明在具体实施中，一种高强度紧固件钢，由以下重量百分比的组分组成：C0.39-0.45％、Si0.39-0.48％、Mn0.81-1.48％、P≤0.018％、S≤0.010％、V≥0.10％、B0.0009-0.0024％、O≤0.0015％，余量为Fe。本发明组份、用量科学合理，本发明研制的试验钢是按应用量最大、应用面最广的10.9级要求进行的，经试验效果非常好，是现有常用贵重钢种在淬透性、直径要求大，性价比要求高时所达不到的；开拓了新钢种，满足了新时代对特种钢的需要，有关资料如下：本发明在实施中，给出的7种成分的钢，具体成分如表1。表1成分CSiMnPSVBO10.380.331.220.00650.00350.130.00090.001520.390.431.080.00930.00550.100.00220.001330.400.481.120.00500.00320.100.00090.001440.400.440.860.00790.00340.130.00220.001250.410.390.810.00620.00500.130.00240.001360.420.371.080.00700.00600.100.00200.001070.450.221.480.00700.00700.100.00240.0014上述7种钢经10组热处理后，机械性能如表2。表2注：新紧固件标准中没有室温冲击吸收能量Ku2，为便于与贵重的合金钢对比，专门列入此性能并测试。本发明钢主要说明如下：1.从上述表2可看出，本发明钢测试的机械性能，特别是低温冲击韧性与国内外紧固件标准相比，完全达到并显著超过10.9级、-20℃低温冲击吸收能量不小于27J的技术要求。对特殊用户，如风电设备用户要求的-40℃、KV也能完全达到并超过不小于27J的要求。2、本发明钢与10.9级紧固件用量最大的贵重钢成分、力学性能、奥氏体连续冷却曲线(CCT曲线)比较。2.1本钢号成分与现在应用量最大的贵重合金钢号成分对比如表3。表3从成分对比中可看出，上述两种现用钢号分别含贵重合金元素Cr、Mo，而本钢含贵重合金V很少，只含最便宜的Si，Mn。炼钢时，所用的原料炼钢生铁和废钢都有较多的Si、Mn含量，两元素常常需氧化燃烧除去，所以本钢冶炼时，不必都用含Si、Mn的铁合金补充调整这两种成分。我国按化学成分分类的钢规定，含Si＜0.5％，属非合金钢。Si成分可以不编在钢号上，本发明钢含Si≤0.48％，因此42SiMnVBE，也可写成42MnVBE，由于做CCT曲线时，已这样写了，现在仍采用这种写法。2.2本发明钢(见表2中4-1、4-2钢号直径30mm试样)与贵重钢(直径25mm试样)力学性能比较见表4。表4b.当屈服现象不明显时，可用塑性延伸强度或规定非比例延伸强度RPO.2代替。从性能对比中可以看出，尽管本发明钢试样直径30mm,比对比的钢试样直径25mm大，但力学性能都能达到对比贵重钢要求的力学性能。2.3本发明钢(图1)与贵重钢号(图2、图3)奥氏体连续冷却曲线(CCT曲线)淬透性比较。。由于冷却时间横坐标是对数坐标，冷却10秒与冷却10-100秒(102)的长度相等，从3种钢号曲线最左面的曲线拐弯的“鼻尖”处，与该处下面对应的冷却时间坐标比较常短，从而比较钢的淬透性；由于长度按对数加大，冷却时间按对数显著加长，淬透性也按对数显著加大。这可以明显的比较出3种钢号淬透性大小，从大→小是42SiMVBE＞42CrMo＞35CrMo。做奥氏体连接冷却转变曲线成分本钢的成分见权利要求2或表1中6号钢表535CrMo对应成分CSiMnCrMo0.380.230.640.990.16奥氏体化温度：860℃表642CrMo对应成分CSiMnCrMo0.460.230.501.000.21奥氏体化温度：860℃3、本发明钢冶炼了7种钢，测试了不同直径共10组力学性能，做到每种成分、每组力学性能，都能达到国内外标准及特殊用户的要求，这是意想不到的显著效果。特别要说明的是，紧固件试样的热处理是在常用生产线上进行的，淬火冷却剂是三硝水溶液，其冷却速度不是很快。如果采用冷却速度快的淬火冷却剂，淬透深度增加，直径达到36mm或更大直径的性能，特别是低温冲击韧性也会象小直径试样一样有合格的强度与低温韧性。在实际生产中如果需要对大直径的紧固件进行热处理，首选的是采用比三硝水溶液冷却速度更快的冷却剂(比如水、盐水、碱水，)，增强42CrMo的淬透性。不得已的情况下，目前最常采用的是40CrNiMo钢。该钢除含铬0.6-0.9％、钼0.15-0.25％外，还含有贵重镍1.25-1.65％，比42CrMo贵得多。该钢淬透性虽然比42SiMnVBE好，直径不是太大用它，有些大材小用。42SiMnVBE正好填补上述两钢之间的许多空白大直径，量材选用，具有优良的性价比。4、本发明采用钢奥氏体连续冷却曲线(CCT曲线，即图1所示曲线)在于：4.1依据该图可以确定淬火临界冷却速度，这个冷却速度可得到完全的马氏体组织(包括少量残余奥氏体)的最低冷却速度，代替钢接受淬火的能力，是决定钢件淬透层深度的主要因素。4.2依据该图所示曲线能预测热处理的产物金相组织及力学性能(见下表)，知道了硬度，就可根据国家标准黑色金属硬度强度对照表，查出钢的主要性能抗拉强度。依据该图不同退火(如完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火等)，不同淬火(如直接淬火、双重冷却淬火、分级淬火、等温淬火等)要求，可编写不同的热处理工艺，获得需要的金相组织与力学性能。热处理的产物金相组织及力学性能本发明采用图1所示奥氏体连续冷却曲线，对于今后选择设计、应用该钢的用户，特别是对于直接用该钢生产产品的用户，都能体现节省人力、物力、财力、节能、减排，增加经济与社会效益的效果。利用奥氏体连续冷却曲线方法研究钢的淬透性、不同冷却速度条件下的工艺、金相组织、性能，几十年来本人只在我国钢铁研究总院申请“一种低成本高强塑积汽车用钢及其制备方法”发明专利公开说明书中看到过，这是具有世界领先水平的第三代高强塑积钢。5.42SiMnVBE钢号最后含有E的意义。按照GB/T3077-2015合金结构钢规定，每个钢号有3个质量等级：优质钢号后不加英文字母，高级优质钢号后加A,特级优质钢号后加E。该国标质量分级的主要依据是，钢的P、S含量。特级优质钢含P不大于0.020％，含S不大于0.010％。本钢符合这个要求，在钢号后加E。本发明钢号后加E，还有一项具有重大发展意义的原因。就是本钢严格要求对有害元素O的限制，必需不大于0.0015％，以便大大减少非金属夹杂物，提高钢的纯净度，显著提高钢制产品的疲劳寿命。钢制产品失效或损坏，大多数是因为产品疲劳寿命不好造成的。我国首先在轴承钢国标中提出对O含量的限制，后来铁道部运输局对转向架弹簧钢提出了对O、H、N的严格限制。GB/T1222-2016弹簧钢新国标提出，所有钢号都要控制含O不大于0.0025％的要求。不断提高钢的纯净度是研究、生产、应用高质量新钢制产品的发展大趋势，采用42SiMnVBE钢制作的紧固件和其它产品，符合这个大趋势。在P、S含量符合国标要求的基础上，可以增加按含O量不同分成三个质量等级：含O不大于0.0025％的是优质钢，含O不大于0.0020％的是高级优质钢，含O不大于0.0015％的是特级优质钢；以便适应不同用户对紧固件不同质量、不同疲劳寿命的需要。这里特别指出，不同质量等级的本钢，都在本发明权利的覆盖范围。6.用途由于本钢对照研究的钢是35CrMo、42CrMo,因此，凡能应用这两种钢可制造的产品，都可采用本钢；特别是直径、厚度更大，抗疲劳性要求高的产品，应用本钢更能获得好的经济与社会效益。本钢用途如表7表7。本发明与现有典型技术，如最常用的35CrMo、42CrMo等钢号相比，具有淬透性大，可作更大直径的紧固件，性价比、抗疲劳性好。低温冲击韧性不仅符合国内外新标准，而且符对特殊用户要求在更低温度也有良好的冲击韧性。特别是能够采用所属领域的技术人员研究与申请专利时不测试，不公布，具有重大创新与应用价值的，钢的奥氏体连续冷却曲线(CCT曲线)，对所属领域技术人员是非显而易见的。解决了直径更大、应用量大、应用面最广的10.9级紧固件用钢淬透性、性价比、抗疲劳性好，成本低以及能正确编写热处理工艺进行生产与应用问题，符合新技术发展趋势，其技术、经济和社会效益巨大，是发明钢的又一项创新。当前第1页1 2 3