本发明属于高强度紧固件技术领域，尤其涉及一种螺栓用钢及其应用。
背景技术
紧固件是一种应用广泛的机械零件，在车辆、船舶、铁路、桥梁和建筑等领域都有广泛的应用。紧固件是机械工业基础件，需求量极大，紧固件包括各种螺栓、铆接头、螺母、铆钉等。依相关标准，螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓由低碳合金钢或中碳钢并经热处理后得到，通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。
由于螺栓用于各种结构材料的连接，需要承受很大的压力、剪切力，因此，螺栓需要保证其高强度、冷镦性能优异等高综合性能。现有的螺栓用材料，在强度、冷镦性能等方面难以平衡，影响使用安全。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种综合性能优异的螺栓用钢及其应用，该螺栓用钢强度高、冷镦性能优异，并且抗延迟断裂性也很优异。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括铁及以下组分(组分中还含有不可避免的杂质)：碳0.25-0.33％、硅0.1-0.6％、锰1.3-1.7％、磷≤0.035％、硫≤0.035％、钛0.04-0.10％、硼0.0008-0.0035％、铝0.02-0.2％、铜≤0.5％、镍≤0.5％。
上述螺栓用钢中，优选的，所述组分中还含有以下元素中的至少一种：铬0.02-1％、钼0.002-0.25％、钒0.1-0.3％、铌0.015-0.06％。
本发明中，主要组成成分在钢中的作用如下：碳用于形成固溶体组织，提高钢的强度，形成碳化物组织，可以提高钢的硬度及耐磨性，其含量越低，钢的塑性越好，利于冷镦加工，其含量越高，钢的塑性降低，硬度提高。锰能消除或减弱由于硫引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能，锰能与铁形成固溶性，提高钢中的铁素体和奥氏体的硬度与强度；锰同时又是碳化物形成的元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接的起到提高珠光体钢强度的作用。硅能提高钢的硬度，但含量过高会降低钢的塑性与韧性，由于冷镦的需要，硅含量不宜过高。钛是强铁氧体形成元素之一，强烈的提高钢的a1和a3温度，钛还有细化晶粒，提高钢强度的作用。硼在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，节约部分贵重金属的添加，但过多的硼会导致金属脆性。铝主要用于脱氧和细化晶粒，改善冷镦钢塑性。铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可以提高钢的硬度和耐磨性。铜、镍能提高钢的强度。钼能细化晶粒，能提高淬透性和热强度性，防止回火脆性，提高抗延迟断裂性、提高强度，但钼过量会使钢的塑性变差，不利于冷镦，同时还会增加成本。钒可以提高钢的强度，提高抗延迟断裂性，但钒过量会使钢的塑性变差，不利于冷镦。铌可细化晶粒，提高钢的强度与淬透性，但铌过量，钢的冷镦性和抗延迟断裂性会变差。本发明中，各元素之间相互影响较明显，通过各元素及其用量的优化，可以得到综合性能最佳的螺栓用钢，其强度、冷镦性、抗延迟断裂性均很优异。
上述螺栓用钢中，优选的，所述组分中同时含有铬0.02-1％、钼0.002-0.25％、钒0.1-0.3％、铌0.015-0.06％。实验研究表明，同时添加铬、钼、钒与铌，并通过控制其之间的配比，最终可以得到综合性能优异的螺栓用钢。
上述螺栓用钢中，优选的，所述钼、钒与铌的质量百分比分别为：钼0.15-0.25％、钒0.2-0.3％、铌0.04-0.06％。更优选的，所述钼、钒与铌的质量比为1：1.2：0.24。实验研究表明，钼、钒与铌对最终螺栓用钢的综合性能均有一定的影响，钼能提高抗延迟断裂性、提高强度，但钼过量会使钢的塑性变差，不利于冷镦。钒可以提高钢的强度，提高抗延迟断裂性，但钒过量会使钢的塑性变差，不利于冷镦。铌可提高钢的强度与淬透性，但铌过量，钢的冷镦性和抗延迟断裂性会变差。实验研究表明，不仅钼、钒与铌各自的用量对最终产品的性能会有影响，而且其之间的配比对最终产品的性能也有一定的影响，当钼、钒与铌的质量百分比分别为0.15-0.25％、0.2-0.3％、0.04-0.06％时，其与其他元素相互协同作用，可以得到综合性能较优的螺栓用钢，更优选的，当添加的钼、钒与铌的质量比为1：1.2：0.24时，螺栓用钢的综合性能更好。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述螺栓用钢的应用。
上述应用中，优选的，将所述螺栓用钢用于制备8.8级螺栓，所述制备的加工工序为首先将上述螺栓用钢组分通过炼铁、炼钢、热轧得到线材，再将线材通过拉丝、冷镦处理即到8.8级螺栓。本发明中通过配方的调整，通过炼铁、炼钢、热轧得到线材在制备螺栓时，可以直接进行拉丝、冷镦处理即可得到8.8级螺栓，整个工艺中无需进行球化及后续的热处理，可以大大缩短8.8级螺栓的加工工序。
上述应用中，优选的，将所述螺栓用钢用于制备12.9级螺栓，所述制备的加工工序为首先将上述螺栓用钢组分通过炼铁、炼钢、热轧得到线材，再将线材通过球化、去氧化皮、拉丝、冷镦、淬火、回火处理即到12.9级螺栓。
上述应用中，加工工序中的炼铁、炼钢、热轧、球化、去氧化皮、拉丝、冷镦、淬火、回火处理等过程中的工艺参数均依据螺栓等级、型号等相应改变即可。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过对螺栓的组成成分及各成分的用量进行调整，各成分之间相互协同作用，最终得到的螺栓具有强度高、冷镦性能优异、抗延迟断裂性优异等高综合性能。螺栓用钢制造得到的螺栓、螺钉等紧固件也具备优异的综合性能。
2、本发明螺栓用钢的制备方法简单，将其制备成紧固件的方法也很简单，无复杂繁琐的操作过程，适合于大规模生产制造，尤其是利用上述螺栓用钢制备8.8级螺栓时，可以不进行球化及后续的热处理工序，可大大缩短8.8级螺栓的加工工序。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.31％、硅0.25％、锰1.47％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.09％、硼0.0022％、铝0.04％、铬0.025％、铜0.02％、镍0.01％、钼0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。
利用上述螺栓用钢制备12.9级螺栓时，先将上述螺栓用钢通过炼铁、炼钢、热轧处理得到线材后，再经过球化、去氧化皮、拉丝、冷镦、淬火、回火、上油处理即可得到。其中，球化处理为在750℃下处理5h，去氧化皮为在酸液中处理，淬火处理为890℃下处理60min，淬火介质为超速淬火油，回火处理为在450℃下处理60min。
本实施例中制备得到的线材的直径为6.5mm、8mm、10mm、12mm，利用上述线材制备得到的螺栓的规格为m6*20mm(直径*长度)、m8*30mm、m10*40mm、m12*50mm。
本实施例中得到的线材的物理性能如下：抗拉强度为1165mpa，屈服强度为1058mpa，伸长率为13.5％，冷顶锻：1/2合格，总脱碳层：0.07，完全脱碳层：0。
本实施列中螺栓的性能参数如下表1所示。
表1：实施例1中螺栓的性能参数
本实施例中螺栓产品符合gb70.1-200012.9级各项技术要求，原材料性能达到12.9级螺栓所需要的性能要求。
利用上述螺栓用钢制备8.8级螺栓时，先将上述螺栓用钢通过炼铁、炼钢、热轧处理得到线材后，再经过拉丝、冷镦、上油处理即可得到，无需经过球化、淬火、回火等热处理过程。
实施例2：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.28％、硅0.11％、锰1.3％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.06％、硼0.0012％、铝0.1％、铜0.01％、镍0.01％、钼0.17％、钒0.25％、铌0.048％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例中螺栓用钢制备12.9级螺栓的制备方法与实施例1相同。
实施例3：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.31％、硅0.25％、锰1.47％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.09％、硼0.0022％、铝0.04％、铬0.025％、铜0.02％、镍0.01％、钼0.01％、钒0.30％、铌0.05％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例中螺栓用钢制备12.9级螺栓的制备方法与实施例1相同。
实施例4：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.31％、硅0.25％、锰1.47％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.09％、硼0.0022％、铝0.04％、铬0.025％、铜0.02％、镍0.01％、钼0.012％、钒0.30％、铌0.04％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例中螺栓用钢制备12.9级螺栓的制备方法与实施例1相同。
实施例5：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.31％、硅0.25％、锰1.47％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.09％、硼0.0022％、铝0.04％、铬0.025％、铜0.02％、镍0.01％、钼0.2％、钒0.24％、铌0.048％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例中螺栓用钢制备12.9级螺栓的制备方法与实施例1相同。
实施例6：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.31％、硅0.25％、锰1.47％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.09％、硼0.0022％、铝0.04％、铬0.025％、铜0.02％、镍0.01％、钒0.24％、铌0.048％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例中螺栓用钢制备12.9级螺栓的制备方法与实施例1相同。
实施例7：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.31％、硅0.25％、锰1.47％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.09％、硼0.0022％、铝0.04％、铬0.03％、铜0.02％、镍0.01％、钼0.1％、钒0.1％、铌0.02％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例中螺栓用钢制备12.9级螺栓的制备方法与实施例1相同。
对比例1：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.31％、硅0.25％、锰1.47％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.09％、硼0.0022％、铝0.04％、铬0.02％、铜0.02％、镍0.01％、钼0.40％、钒0.30％、铌0.10％，余量为铁及不可避免的杂质。
对比例2：
一种螺栓用钢，以质量百分比计，包括以下组分：碳0.31％、硅1.25％、锰1.47％、磷≤0.015％、硫≤0.003％、钛0.09％、硼0.0022％、铝0.04％、铬0.025％、铜0.02％、镍0.01％、钼0.35％、钒0.5％、铌0.048％，余量为铁及不可避免的杂质。
经测试，实施例1-7及对比例1-2中线材及螺栓的相关性能数据如下表2所示。
表2：实施例1-7及对比例1-2中线材及螺栓的相关性能数据