專利名稱：耐延遲斷裂和冷加工性能優良的高強度螺栓鋼的制作方法

　　技術領域：

　　本發明屬于合金鋼領域，主要適用于抗拉強度1200MPa以上，同時要求具有良好的耐延遲斷裂和冷加工性能的高強度螺栓鋼。

　　背景技術：

　　高強度螺栓廣泛應用于機械、汽車、橋粱、建筑等行業。當用調質處理的低合金鋼制造的螺栓的抗拉強度超過約1200MPa時，延遲斷裂問題就變得十分突出。因此，目前實際使用的高強度螺栓的抗拉強度通常低于1200MPa。隨著各個生產部門的發展，對制造各類緊固件(如螺栓、螺釘、螺母等)使用的材料提出了愈來愈高的要求，一些汽車、建設機械用螺栓甚至要求強度在于1400MPa以上。近年來，國際上開展了耐延遲斷裂高強度螺栓用鋼的研究開發。但目前開發的一些耐延遲斷裂高強度螺栓用鋼，多采用提高碳含量、提高或添加合金元素含量的途徑來達到在強度提高的同時具有良好的耐延遲斷裂性能，這往往惡化鋼的冷加工性能。如日本專利JP1-96354中的Cr-Mo-V高強度螺栓用鋼，具有1400～1600MPa的抗拉強度，同時具有較好的耐延遲斷裂性能，但其Si(0.5～1.5％)含量較高，顯著惡化鋼的冷加工性能，同時較高的Cr(1.5～3.5％)含量不僅對冷加工性能不利，而且會提高鋼的成本。日本的住友金屬開發的1300MPa級耐延遲斷裂的高強度螺栓鋼ADS3，由于C含量較高(0.49％)，鋼的冷加工性能顯著惡化(Kushida，と，1996，82297)。這些均在實際應用中受到了限制。日本專利JP8-176747提出一種抗拉強度1400MPa以上的高強度螺栓用鋼，同時具有良好的冷鍛性和耐延遲斷裂性能，但其Ni含量高達7.0～10.0％，顯著提高了鋼的成本，限制了其大批量工業應用。

　　發明內容

　　本發明的目的在于提供一種抗拉強度1200MPa以上、且具有良好的耐延遲斷裂和冷加工性能，成本低的高強度螺栓鋼。

　　根據上述目的，本發明所采用的技術方案是(1)降低Si、P、S等元素含量，降低鋼中夾雜物數量和抑制回火時雜質元素的晶界偏聚，改善鋼的冷加工性能和耐延遲斷裂性能；(2)加入微量元素B，在提高鋼的淬透性的同時，抑制雜質元素特別是P的晶界偏聚，改善鋼的韌性和耐延遲斷裂性能；(3)加入適量的稀土元素，對夾雜物進行變性和對氫起陷阱作用，進一步降低氫在晶界的偏聚和改善冷加工性能。

　　本發明鋼的具體化學成分(重量％)如下C 0.25～0.4％，Si≤0.1％，Mn0.4～1.4％，P≤0.01％，S≤0.008％，Cr 0.1～0.5％，Mo 0.15～0.35％，B0.0005～0.003％，Ti 0.01～0.1％，RE 0.005～0.04％，Al 0.005～0.05％，N 0.004～0.01％，余為Fe。根據需要，該鋼的具體化學成分(重量％)中還可加入0.01～0.1％的Nb、Zr中的任一種或兩種之和。

　　各元素的作用及配比依據如下C淬火、回火后為了獲得所需的高強度，C含量須在0.25％以上，但過多的C含量會惡化鋼的韌性和冷加工性能，并增加延遲斷裂的敏感性，因而C含量控制為0.25～0.4％。

　　SiSi促進鋼高溫奧氏體化時晶界氧化和促進雜質元素P和S的晶界偏聚，因此惡化鋼的耐延遲斷裂性能。同時，Si元素還顯著惡化鋼的冷加工性能，因而控制其含量不超過0.1％。

　　MnMn是脫氧和脫硫的有效元素，還可以提高鋼的淬透性和強度，含量小于0.4％時，難以起到上述作用。但淬火鋼回火時，Mn和P有強烈的晶界共偏聚傾向，促進回火脆性，因而控制Mn含量在1.4％以下。

　　PP能在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而增加鋼的延遲斷裂敏感性，所以控制P的含量在0.01％以下。

　　S不可避免的不純物，形成MnS夾雜和在晶界偏聚會惡化鋼的冷加工性能和耐延遲斷裂性能，因而控制其含量在0.008％以下。

　　Cr能夠有效地提高鋼的淬透性和回火抗力，以獲得所需的高強度。但含量過高會惡化鋼的冷加工性能，因而控制其含量在0.1～0.5％。

　　MoMo在有效地提高鋼的淬透性和回火抗力的同時，還能夠強化晶界。含量小于0.15％難以起到上述作用，但含量超過0.35％則上述作用效果飽和，且提高鋼的成本。

　　BB除提高鋼的淬透性外，還能夠抑制雜質元素P的晶界偏聚，起凈化晶界的作用，提高晶界強度，同時還能夠抑制鋼在熱處理時的氧化脫碳，因而改善鋼的韌性和耐延遲斷裂性能。為了上述作用，B含量需在0.0005％以上，但B含量超過0.003％時，過剩的B會形成粗大的BN，反而惡化鋼的韌性和耐延遲斷裂性能。

　　TiTi固定鋼中的N，抑制粗大BN的生成，確保B的上述良好作用。此外，Ti含能夠細化晶粒，彌散析出的TiC和TiN是鋼中陷阱能最高的氫陷阱，能夠捕集氫使其均勻地分散在晶內，抑制氫的擴散，從而改善鋼的耐延遲斷裂性能。Ti含量小于0.01％起不到上述作用，但含量超過0.1％則作用飽和，且易形成粗大的TiN反而惡化鋼的冷加工性能和耐延遲斷裂性能。

　　RERE具有脫氧脫硫和對非金屬夾雜物變性處理的作用，改善鋼的冷加工性能外。此外，還能夠有效地捕集氫，減少氫和其它有害元素在晶界上的偏聚，降低氫的滲透擴散，可進一步降低高強度鋼延遲斷裂的敏感性。RE含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過0.04％，則由于夾雜物增多，反而惡化鋼的冷加工性能和耐延遲斷裂性能。控制其含量在0.005～0.04％。

　　Al能夠有效地脫氧、固定N和細化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過0.05％則作用飽和，且形成的粗大AlN夾雜會惡化鋼的韌性和冷加工性能。

　　NN能夠和Al、Nb、V等形成細小的氮化物細化晶粒，但過量的N會偏聚于晶界和形成粗大的夾雜物，所以其含量應控制在0.004～0.01％。

　　Nb細化晶粒，提高鋼的韌性，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過0.1％則作用飽和。

　　Zr其作用和Ti類似。

　　本發明鋼可采用電弧爐+爐外精煉冶煉，澆鑄成鋼錠或連鑄成坯，然后軋制成棒線材等產品。本發明鋼的熱處理制度與現有技術相似，本發明鋼經900℃，30分鐘的正火處理，加工成半成品，然后經850℃～950℃淬火和高溫回火后對產品進行了檢測后交貨。

　　本發明與現有技術相比，本發明鋼不僅抗拉強度很高，而且耐延遲斷裂和冷加工性能優良，成本低。

　　具體實施例方式

　　根據上述所設計的化學成分范圍，在50kg真空感應爐上冶煉了4爐本發明鋼和3爐對比鋼，此外還有1爐商業鋼42CrMo作為對比鋼，其具體化學成分如表1所示。其中爐號1～4#為本發明鋼，爐號5～8#為對比鋼。鋼水澆鑄成錠，并經鍛造制成棒材。試樣加工前經900℃、30分鐘正火處理，隨后試樣由熱軋棒材加工成標準室溫拉伸試樣(L0＝5d0，d0＝5mm)、缺口拉伸延遲斷裂試樣(直徑d＝5mm，缺口處dN＝3mm，缺口60°±2°/0.15R±0.025)和冷變形試樣(直徑d＝10mm，高度h＝20mm)的毛坯。上述拉伸和延遲斷裂試樣經850℃～950℃淬火和回火后加工至最終尺寸。冷變形試樣經軟化退火處理后加工至最終尺寸。

　　試樣在室溫下進行拉伸、沖擊、缺口拉伸延遲斷裂和冷變形等試驗。延遲斷裂實驗溶液為pH＝3.5±0.5的Walpole緩蝕液(16.4克無水醋酸鈉+15.4毫升一級品濃鹽酸+1000毫升脫離子水或蒸餾水)。如σf為發生斷裂的最小應力，σn為在規定的截止時間200小時內不發生斷裂的最大應力，則定義缺口拉伸臨界應力σc為σc＝1/2(σf+σn)，為使測得的與實際值相差小于10％，要求σf-σn≤0.2σc。將一系列冷變形試樣進行冷鐓實驗，求出不發生開裂的臨界變形量。所得結果列入了表2。

　　從表2可以看出，本發明鋼在1200MPa以上的強度水平下較對比鋼在相同強度水平下的耐延遲斷裂性能顯著提高，呈現出優良的耐延遲斷裂性能；并且具有良好的冷加工性能。

　　表1本發明實施例和對比鋼的化學成分比較(重量％)

　　表2本發明實施例和對比鋼的強度、耐延遲斷裂性能及冷加工性能的比較

　　權利要求

　　1.耐延遲斷裂和冷加工性能優良的高強度螺栓鋼，其特征在于該鋼的具體化學成分(重量％)為C 0.25～0.4％，Si≤0.1％，Mn 0.4～1.4％，P≤0.01％，S≤0.008％，Cr 0.1～0.5％，Mo 0.15～0.35％，B 0.0005～0.003％，Ti0.01～0.1％，RE 0.005～0.04％，Al 0.005～0.05％，N 0.004～0.01％，余為Fe。

　　2.根據權利要求1所述的耐延遲斷裂和冷加工性能優良的高強度螺栓鋼，其特征在于該鋼的具體化學成分(重量％)中還可加入0.01～0.1％的Nb、Zr中的任一種或兩種之和。

　　全文摘要

　　本發明屬于合金鋼領域，主要適用于抗拉強度1200MPa以上，具有良好的耐延遲斷裂和冷加工性能的高強度螺栓鋼。該鋼的具體化學成分(重量％)為C 0.25～0.4％，Si≤0.1％，Mn 0.4～1.4％，P≤0.01％，S≤0.008％，Cr0.1－0.5％，Mo 0.15～0.35％，B 0.0005～0.003％，Ti 0.01～0.1％，RE 0.005～0.04％，Al 0.005～0.05％，N 0.004～0.01％，余為Fe。該鋼的具體化學成分(重量％)中還可加入0.01～0.1％的Nb、Zr中的任一種或兩種之和。本發明與現有技術相比，該鋼不僅抗拉強度很高，而且耐延遲斷裂和冷加工性能優良，成本低。

　　文檔編號C22C38/32GK1603447SQ200410074410

　　公開日2005年4月6日 申請日期2004年9月14日 優先權日2004年9月14日

　　發明者惠衛軍, 董瀚, 時捷, 翁宇慶 申請人:鋼鐵研究總院