一种含镍铜的高强紧固件用钢及其热处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钢铁行业中的微合金钢，具体涉及对高强度、高韧性紧固件用钢的钢 种设计。
【背景技术】
[0002] 紧固件是作紧固连接用，且应用极其广泛的一类机械零件，广泛应用于各种机械、 设备、车辆、铁路等上面，是很多核心设备中的关键性零部件之一。近年来，随着我国轨道交 通行业的高速蓬勃发展，对高性能紧固件的需求量越来越大。但受国内高强紧固件强韧性 不匹配问题的影响，大量轨道交通移动装备用高强紧固件仍需进口。
[0003] 传统用于制造紧固件的国产42CrMo钢，由于其化学成分配伍不合理，导致其力学 性能不能满足要求。现有技术为了改进材料力学性能的不足，采用改进材料的处理方法来 提高其力学性能和表面性能。
[0004] 如中国专利号ZL200710013633. 6,授权公告日为2008年12月24日，发明创造 名称为：一种提高42CrMo力学性能的热处理方法，该申请案采用以下步骤：第一步，正火： 840~860°C彡5h，出炉空冷至室温；第二步，回火：600~620°C彡6h，出炉空冷至室温；第 三步，调质：840~860°C多5h，油冷60~70分钟后空冷，淬火油添加8%的复合剂，零件温 度空冷至200°C左右时回火，回火温度460~480°C彡6h，出炉空冷至室温。该申请案能在 一定程度上提高42CrMo钢的力学性能，但是由于42CrMo钢本身化学成分的限制，其力学性 能特别是塑性和韧性尚无法达到高强度紧固件的要求。
[0005] 中国专利号ZL201210468094. 6,授权公告日为2015年2月18日，发明创造名称 为：一种高强度紧固件及其处理方法，该申请案在普通的42CrMo钢的基础上降低了硫（S)、 磷（P)、硅（Si)、锰（Μη)的含量，并增加了Mo的含量，且该申请案除了对42CrM〇钢的成分 进行了调整，还公开了一种新的钢处理方法，包括以下步骤：（1)热处理：将机械粗加工的 紧固件半成品先正火处理，温度为870-9KTC，保温时间为10-20小时，出炉空冷至室温； 然后回火处理，温度为680-700°C，保温时间为10-20小时；出炉空冷至室温；再调质处理： 在920-960°C条件下用淬火油进行淬火处理，油冷80-120分钟空冷，冷至200°C左右时回 火，回火温度600-650°C，保温时间6-15小时；出炉空冷至室温；（2)发黑处理：将上述经过 热处理后的紧固件粗品经过除油、酸洗除锈后在pH值为1. 5-3. 5的条件下常温发黑处理 10-20分钟，常温发黑处理后经过清洗，然后立即作脱水封闭处理后即得成品。该申请案在 对42CrMo钢的成分进行了调整之后，再进行热处理，强度和韧性都有了很大的提升，但是 其热处理过程要耗费35个小时以上，为工程化生产带来了很大的局限性。
【发明内容】
[0006] 1.发明要解决的技术问题
[0007] 本发明为了克服现有技术中紧固件用钢力学性能不能满足要求的不足，提供了一 种含镍铜的高强紧固件用钢及其热处理方法；本发明提供的高强紧固件用钢具有稳定的冲 击性能和较高的强度，可用来制作10. 9级耐延迟断裂高强度紧固件。
[0008] 2.技术方案
[0009] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0010] 本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢，包括如下质量百分比的组分：C:0. 38~ 0· 45 %;Si:0· 17 ~0· 30 %;Mn:0· 60 ~0· 80 %;P彡 0· 010 %;S彡 0· 010 %;Cr:0· 90 ~ 1. 20%;Mo:0· 15 ~0· 22%;Ni:0· 05 ~0· 15%;Cu:0· 10 ~0· 20% ;余量为Fe和不可避 免的杂质。
[0011] 更进一步地，Ni和Cu含量比例为1 :1~3。
[0012] 更进一步地，所述的高强紧固件用钢包括如下质量百分比的组分：C:0. 42%;Si: 0. 21%；Mn：0. 74%；P：0. 008%；S：0. 004%；Cr：0. 95%；Mo：0. 213%；Ni：0. 100%；Cu： 0. 200% ;余量为Fe和不可避免的杂质，Ni和Cu含量比例为1 :2。
[0013] 本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢的热处理方法，将所述的高强紧固件用钢 在920°C~930°C温度下，用淬火油进行淬火处理；油冷至低于200°C时回火，回火温度为 550°C~580°C，保温时间为2. 5~3. 5h，出炉空冷至室温。
[0014] 更进一步地，将所述的高强紧固件用钢在930°C温度下，用淬火油进行淬火处理； 油冷至室温时回火，回火温度为570°C，保温时间为3h，出炉空冷至室温。
[0015] 3.有益效果
[0016] 采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
[0017] (1)本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢，对传统钢材中各个元素配比进行调 整以及优化，控制硫（S)、磷（P)的含量，并适量增加微量合金元素镍（Ni)和铜（Cu)的含 量，调整钢中镍（Ni)和铜（Cu)的比例为1 :1~3,来解决铜含量提高带来的韧性下降的问 题，从根本上解决了使用国产42CrMo钢制造紧固件的强韧性不能和使用要求很好匹配的 问题；
[0018] (2)本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢的热处理方法，对高强紧固件用钢进 行简单的920°C~930°C油淬+550°C~580°C高温回火热处理工艺，即可获得回火索氏体组 织，并且有明显的碳化物析出，使钢具有较好的强度和韧性，整个热处理过程只需7个小时 左右，节约了大量的时间成本，便于在工业中推广。
【附图说明】
[0019] 图1~图4为本发明中实例1~4获得的含镍铜的高强紧固件用钢显微组织观察 图。
【具体实施方式】
[0020] 为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0021] 本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢，由以下质量百分比的化学成分组成：C: 0· 38 ~0· 45 %;Si:0· 17 ~0· 30 %;Mn:0· 60 ~0· 80 %;P彡 0· 010 %;S彡 0· 010 %;Cr: 0· 90 ~1. 20%;Mo:0· 15 ~0· 22%;Ni:0· 05 ~0· 15%;Cu:0· 10 ~0· 20%，Ni和Cu含量 比例为1 :1~3 ;余量为Fe和不可避免的杂质。
[0022] 本发明钢种成分特点是控制硫（S)、磷（P)的含量，并适量增加微量合金元素镍 (Ni)和铜（Cu)的含量。镍在钢中可以使铁素体强化同时使珠光体增加和细化，如此可在不 影响钢的塑性的前提下使钢的强度提高。以镍为非碳化物形成元素，也能适当减少C的质 量百分比含量。此外，镍与铁可以形成α和γ固溶体，同时可以增加γ相区的区域，还是 使奥氏体形成和稳定的元素之一；镍使钢的等温转变曲线移向右下方，本实施例通过增加 Ni的质量百分比含量，使得钢孕育期的时间加长，降低相变的速度，从而来使临界淬火速度 降低，细化转变组织，可使韧性和塑性有所改善。
[0023] 铜在钢中主要通过固溶强化和析出强化的方式来使钢的强度提高，铜还是使奥氏 体相的区域扩大的元素。在钢中添加质量百分比高于1.0%的Cu，利用细小的ε-Cu析出 相产生沉淀强化，可以保证钢的高强度。本发明适当增加钢中铜含量，提高钢的强度，同时 调整钢中镍（Ni)和铜（Cu)的比例为1:1~3,来解决铜含量提高带来的韧性下降的问题。 降低硫含量可提高钢的变形能力；降低磷含量会使钢的变形抗力减小。因此，降低磷、硫含 量不仅可以改善钢的塑韧性和耐延迟断裂性能，还可以改善钢的加工性能。
[0024] 本发明的另一个目的在于提供一种含镍铜的高强紧固件用钢的热处理方法，即 将所述的高强紧固件用钢在920°C~930°C温度下，用淬火油进行淬火处理；油冷至低于 200°C时回火，回火温度为550°C~580°C，保温时间为2. 5~3. 5h，出炉空冷至室温。温度 在920°C~930°C时对钢材用淬火油进行油淬处理，可以很容易的获得马氏体，而马氏体钢 在550°C~580°C再进行高温回火后，马氏体分解，碳化物析出，颗粒状的碳化物析出与基 体铁素体复合后形成回火索氏体，解决了板条马氏体组织的强度高但韧性低的问题，使钢 具有较好的强度和韧性。
[0025] 本发明对高强紧固件用钢进行简单的热处理工艺，即可获得回火索氏体组织，其 仍保留着马氏