一种提高汽车用铬钼钢高强度螺栓断面收缩率的方法与流程

本发明涉及一种提高汽车用铬钼钢高强度螺栓断面收缩率的方法，尤其是汽车用10.9～12.9级高强度螺栓断面收缩率提高的方法。

背景技术：

10.9～12.9级汽车用高强度螺栓一般应用于汽车发动机缸盖和发动机基体的连接件，受力情况复杂，需承受紧固产生的预紧力、发动机工作的热应力和气缸内燃烧爆炸产生的气压间接作用。10.9～12.9级高强度螺栓力学性能除要求高强度外，还要求螺栓具有足够的塑性，要求塑性指标断面收缩率≥48%。

通过在汽车紧固件制造厂家调研中了解到，10.9～12.9级铬钼钢高强度螺栓力学性能中经常出现断面收缩率不达标问题，造成标准件直接降级和报废，给汽车标准件生产企业带来巨大经济损失，因此如何提高铬钼钢高强度螺栓的断面收缩率成为该行业急需解决的问题。

关于高强度螺栓断面收缩率问题，翟晓毅等作者在2018年《炼钢》第6期发表了论文《10.9级高强螺栓面缩率不合格原因分析及改进》，文中分析了螺栓断面收缩率偏低的原因及改进措施，虽然通过调整螺栓回火温度和回火时间，断面收缩率得到一定改善，在数值上达到了用户要求，但螺栓内部的微裂纹却始终不能得到解决，对于汽车用高强度螺栓的后续服役埋下了质量及安全隐患，难以满足汽车国产化对高档次专用紧固件的质量要求；另外，提高回火温度及回火时间虽然能在一定程度上改善螺栓断面收缩率，但却增加了用户的生产成本、降低了生产效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高汽车用铬钼钢高强度螺栓断面收缩率的方法，通过本发明所述方法，可在不改变用户调质工艺基础上，生产出较高断面收缩率的汽车用铬钼钢高强度螺栓，并且螺栓内部无显微裂纹，提高了汽车螺栓服役的安全性和工作寿命，不但杜绝了因断面收缩率不合格给用户造成的经济损失，而且不增加用户生产成本。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种提高汽车用铬钼钢高强度螺栓断面收缩率的方法，所述方法包括炼钢连铸、开坯、线材加热、线材控制轧制及控制冷却以及螺栓加工成型后的调质热处理工艺。

本发明所述炼钢连铸过程的过热度控制为15～40℃，拉钢速度0.65～0.75m/min，结晶器电磁搅拌i=360±10a，采用凝固末端动态轻压下技术，铸坯断面尺寸为280*（325～380）mm；

本发明所述开坯工艺为将上述连铸坯加热到1150～1220℃，保温180～240min后进行除鳞、轧制成为方形钢坯。

本发明所述线材加热工艺为：将方形钢坯加热到1100～1150℃，保温120～160min后进行除鳞、轧制。

本发明所述线材加热完成后依次经过粗轧、中轧、精轧、减定径，轧制结束后，达到所需要的尺寸，控制轧制及控制冷却工艺的终轧温度780℃～820℃，吐丝温度780～830℃，辊道速度9～14m/min，保温罩及风机全部关闭。

本发明所述生产完的线材，经两拉一退工艺生产成高强度螺栓，其具体主要加工工艺流程为：线材→酸洗磷化→粗抽→罐式球化退火→酸洗磷化→精抽→冷镦→搓丝→调质。

本发明所述螺栓加工成型后的调质热处理工艺为淬火加热温度860～880℃，淬火加热时间60～80分钟，淬火介质为油，回火温度500～540℃，回火时间80～90min。

本发明所述高强度螺栓的碳含量为0.33～0.43%。

本发明所述高强度螺栓的化学成分及其质量百分含量分别为：c：0.33～0.43%，si：0.15～0.35%，mn：0.60-0.90%，p≤0.020%，s≤0.015%，cr：0.90～1.20%，mo：0.15～0.30%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本发明成分配比及工艺调整的理论分析如下：

1、铬钼钢高强度螺栓中含有较高含量的铬（cr）、钼（mo）元素，cr、mo均属于钢中不易扩散元素，富集主要来自于连铸过程，若不能采取有效措施控制合金元素均匀化，则轧制后在偏析带易出现马氏体、贝氏体硬相组织，在用户拉拔过程中，易出现拉拔冷裂纹，很难适应用户“两拉一退”工艺，裂纹最终遗传至螺栓零件，且成分带状偏析的存在使回火组织不均匀，最终导致螺栓断面收缩率塑性指标的下降。因此，必须设计合理的生产工艺流程及工艺参数来改善合金元素的富集。采用大方坯连铸、开坯及线材轧制工艺流程，合理设计大方坯连铸参数及开坯加热温度，可使铬钼钢合金元素偏析得到较好改善，为最终提高螺栓断面收缩率提供重要前提和保障。

2、铬钼钢高强度螺栓所用的线材原料由于合金含量较多，生产过程中易出现贝氏体、马氏体硬相组织，在用户拉拔冷加工过程中易出现内部裂纹，进而对产品后续调质处理埋下隐患，影响断面收缩率的提高。为了适应用户“两拉一退”工艺，必须保证盘条为铁素体和珠光体易变形软相组织。采用低温轧制和缓慢冷却相结合的工艺，终轧温度控制在780～820℃，吐丝温度780～830℃，辊道速度9～14m/min，保温罩全部关闭。该工艺使钢在接近相变区变形，加快过冷奥氏体向铁素体和珠光体的转变速率，有利于得到易变形的铁素体和珠光体组织，利于用户拉拔冷加工。

3、螺栓经调质热处理后，得到回火索氏体组织，通过优化热处理制度，增强原子活动能力，使铁、碳和其他合金元素的原子较快的进行扩散，回火过程中析出的合金化合物不断聚集长大，使析出物与基体脱离共格关系，基体的内应力减少，从而提高螺栓塑性。

本发明的有益效果：

通过本发明所述方法，可在不改变用户调质工艺基础上，生产出较高断面收缩率的汽车用铬钼钢高强度螺栓，螺栓断面收缩率≥50%，并且螺栓内部无显微裂纹，提高了汽车螺栓服役的安全性和工作寿命，满足汽车高端使用领域对螺栓断面收缩率及其安全性的需要。不但杜绝了因断面收缩率不合格给用户造成的经济损失，而且不增加用户生产成本。

附图说明

图1为实施例1制备的螺栓金相图（1500×）。

图2为实施例1制备的螺栓金相图（3000×）。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例高强度螺栓的化学组成及其质量百分含量为：c：0.33%，si：0.20%，mn：0.60%，p：0.012%，s：0.006%，cr：1.0%，mo：0.25%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本实施例高强度螺栓的生产过程如下：

（1）炼钢连铸：过热度15℃，拉钢速度0.70m/min，结晶器电磁搅拌i=365a，采用凝固末端动态轻压下技术，连铸坯为矩形钢坯，断面尺寸为380*280mm；

（2）开坯：连铸工序完成后，将断面尺寸为380*280mm的矩形钢坯加热到1180℃，保温200min后进行除鳞、轧制成为方形钢坯，方形钢坯的尺寸为150*150mm；

（3）线材加热、轧制及控冷：将方形钢坯加热到1140℃，保温120min，将方坯进行轧制和控冷，终轧温度800℃，吐丝温度780℃，控冷中辊道速度12m/min，保温罩及风机全部关闭。

（4）螺栓热处理：线材经两拉一退工艺生产成高强度螺栓，其具体主要加工工艺流程为：线材→酸洗磷化→粗抽→罐式球化退火→酸洗磷化→精抽→冷镦→搓丝→调质。螺栓加工成型进行调质热处理，淬火加热温度860℃，淬火加热时间67分钟，淬火介质为油，回火温度500℃，回火时间80min。

对调质完的螺栓进行力学性能检测，断面收缩率55%；对螺栓进行金相检测，结果显示螺栓内部无显微裂纹，见图1。

实施例2

本实施例高强度螺栓的化学组成及其质量百分含量为：c：0.34%，si：0.20%，mn：0.90%，p：0.016%，s：0.011%，cr：0.95%，mo：0.25%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本实施例高强度螺栓的生产过程如下：

（1）炼钢连铸：过热度38℃，拉钢速度0.75m/min，结晶器电磁搅拌i=360a，采用凝固末端动态轻压下技术，连铸坯为矩形钢坯，断面尺寸为380*280mm；

（2）开坯：连铸工序完成后，将断面尺寸为380*280mm的矩形钢坯加热到1150℃，保温220min后进行除鳞、轧制成为方形钢坯，方形钢坯的尺寸为150*150mm；

（3）线材加热、轧制及控冷：将方形钢坯加热到1140℃，保温130min，将方坯进行轧制和控冷，终轧温度780℃，吐丝温度800℃，控冷中辊道速度10m/min，保温罩及风机全部关闭。

（4）螺栓热处理：线材经两拉一退工艺生产成高强度螺栓，其具体主要加工工艺流程为：线材→酸洗磷化→粗抽→罐式球化退火→酸洗磷化→精抽→冷镦→搓丝→调质。螺栓加工成型进行调质热处理，淬火加热温度880℃，淬火加热时间70分钟，淬火介质为油，回火温度530℃，回火时间85min。

对调质完的螺栓进行力学性能检测，断面收缩率56%；对螺栓进行金相检测，结果显示螺栓内部无显微裂纹。

实施例3

本实施例高强度螺栓的化学组成及其质量百分含量为：c：0.35%，si：0.35%，mn：0.65%，p：0.018%，s：0.008%，cr：1.2%，mo：0.18%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本实施例高强度螺栓的生产过程如下：

（1）炼钢连铸：过热度40℃，拉钢速度0.69m/min，结晶器电磁搅拌i=370a，采用凝固末端动态轻压下技术，连铸坯为矩形钢坯，断面尺寸为325*280mm；

（2）开坯：连铸工序完成后，将断面尺寸为325*280mm的矩形钢坯加热到1190℃，保温200min后进行除鳞、轧制成为方形钢坯，方形钢坯的尺寸为150*150mm；

（3）线材加热、轧制及控冷：将方形钢坯加热到1130℃，保温160min，将方坯进行轧制和控冷，终轧温度810℃，吐丝温度780℃，控冷中辊道速度12m/min，保温罩及风机全部关闭。

（4）螺栓热处理：线材经两拉一退工艺生产成高强度螺栓，其具体主要加工工艺流程为：线材→酸洗磷化→粗抽→罐式球化退火→酸洗磷化→精抽→冷镦→搓丝→调质。螺栓加工成型进行调质热处理，淬火加热温度870℃，淬火加热时间75分钟，淬火介质为油，回火温度510℃，回火时间80min。

对调质完的螺栓进行力学性能检测，断面收缩率54%；对螺栓进行金相检测，结果显示螺栓内部无显微裂纹。

实施例4

本实施例高强度螺栓的化学组成及其质量百分含量为：c：0.34%，si：0.17%，mn：0.68%，p：0.014%，s：0.006%，cr：0.95%，mo：0.30%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本实施例高强度螺栓的生产过程如下：

（1）炼钢连铸：过热度34℃，拉钢速度0.72m/min，结晶器电磁搅拌i=370a，采用凝固末端动态轻压下技术，连铸坯为矩形钢坯，断面尺寸为350*280mm；

（2）开坯：连铸工序完成后，将断面尺寸为350*280mm的矩形钢坯加热到1210℃，保温220min后进行除鳞、轧制成为方形钢坯，方形钢坯的尺寸为150*150mm；

（3）线材加热、轧制及控冷：将方形钢坯加热到1100℃，保温150min，将方坯进行轧制和控冷，终轧温度800℃，吐丝温度780℃，控冷中辊道速度10m/min，保温罩及风机全部关闭。

（4）螺栓热处理：线材经两拉一退工艺生产成高强度螺栓，其具体主要加工工艺流程为：线材→酸洗磷化→粗抽→罐式球化退火→酸洗磷化→精抽→冷镦→搓丝→调质。螺栓加工成型进行调质热处理，淬火加热温度870℃，淬火加热时间60分钟，淬火介质为油，回火温度530℃，回火时间85min。

对调质完的螺栓进行力学性能检测，断面收缩率57%；对螺栓进行金相检测，结果显示螺栓内部无显微裂纹。

实施例5

本实施例高强度螺栓的化学组成及其质量百分含量为：c：0.38%，si：0.15%，mn：0.75%，p：0.011%，s：0.008%，cr：0.98%，mo：0.15%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本实施例高强度螺栓的生产过程如下：

（1）炼钢连铸：过热度30℃，拉钢速度0.65m/min，结晶器电磁搅拌i=350a，采用凝固末端动态轻压下技术，连铸坯为矩形钢坯，断面尺寸为380*280mm；

（2）开坯：连铸工序完成后，将断面尺寸为380*280mm的矩形钢坯加热到1200℃，保温180min后进行除鳞、轧制成为方形钢坯，方形钢坯的尺寸为150*150mm；

（3）线材加热、轧制及控冷：将方形钢坯加热到1150℃，保温140min，将方坯进行轧制和控冷，终轧温度820℃，吐丝温度830℃，控冷中辊道速度9m/min，保温罩及风机全部关闭。

（4）螺栓热处理：线材经两拉一退工艺生产成高强度螺栓，其具体主要加工工艺流程为：线材→酸洗磷化→粗抽→罐式球化退火→酸洗磷化→精抽→冷镦→搓丝→调质。螺栓加工成型进行调质热处理，淬火加热温度880℃，淬火加热时间80分钟，淬火介质为油，回火温度520℃，回火时间90min。

对调质完的螺栓进行力学性能检测，断面收缩率53%；对螺栓进行金相检测，结果显示螺栓内部无显微裂纹。

实施例6

本实施例高强度螺栓的化学组成及其质量百分含量为：c：0.43%，si：0.15%，mn：0.70%，p：0.015%，s：0.010%，cr：0.90%，mo：0.20%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本实施例高强度螺栓的生产过程如下：

（1）炼钢连铸：过热度35℃，拉钢速度0.65m/min，结晶器电磁搅拌i=360a，采用凝固末端动态轻压下技术，连铸坯为矩形钢坯，断面尺寸为380*280mm；

（2）开坯：连铸工序完成后，将断面尺寸为380*280mm的矩形钢坯加热到1220℃，保温240min后进行除鳞、轧制成为方形钢坯，方形钢坯的尺寸为150*150mm；

（3）线材加热、轧制及控冷：将方形钢坯加热到1130℃，保温150min，将方坯进行轧制和控冷，终轧温度810℃，吐丝温度830℃，控冷中辊道速度14m/min，保温罩及风机全部关闭。

（4）螺栓热处理：线材经两拉一退工艺生产成高强度螺栓，其具体主要加工工艺流程为：线材→酸洗磷化→粗抽→罐式球化退火→酸洗磷化→精抽→冷镦→搓丝→调质。螺栓加工成型进行调质热处理，淬火加热温度880℃，淬火加热时间80分钟，淬火介质为油，回火温度540℃，回火时间90min。

对调质完的螺栓进行力学性能检测，断面收缩率52%；对螺栓进行金相检测，结果显示螺栓内部无显微裂纹。