一种螺栓及其加工方法与流程

本发明涉及一种螺栓及其加工方法，尤其涉及一种汽车用引擎盖支架固定螺栓，属于螺栓加工技术领域。

背景技术：

螺栓是一种应用非常广泛的配件，从航空航天到日常生活都离不开它。正由于螺栓在机械构件中起着连接、紧固、定位、密封等作用，除了简单作定位的螺栓之外，螺栓在安装时都需要拧紧，因此，都承受静拉伸载荷。如连杆螺栓，缸盖螺栓等，除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸(交变)载荷，横向剪切(交变)载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还有冲击载荷。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂,而在环境介质的作用下，轴向拉抻载荷则会引起螺栓的延迟断裂。根据强度的不同，螺栓可以分为普通螺栓和高强度螺栓。与普通螺栓相比，高强度螺栓有许多优点：现场组装用时短，对生产影响小，使用寿命长，适用构件范围广，连接安全可靠，具有较好的工艺性和经济性。正是因为高强度螺栓的这些优点，工业发达国家近年来出现了对高强度螺栓钢和高强度螺栓集中研究的现象，并开发出了一系列超高强度螺栓钢及超高强度螺栓。

超高强度螺栓钢及超高强度螺栓，尤其是汽车用引擎盖支架固定螺栓应满足高的抗拉强度，以便抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损；有较高的塑性和韧性，以减少对偏斜、缺口应力集中的表面质量的敏感性；对在潮湿大气或腐蚀气氛环境下工作的螺栓，要求具有足够低的延迟断裂敏感性；对承受交变载荷和冲击载荷的螺栓，要求有较高的疲劳抗力和多次冲击拉伸抗力，以抵抗疲劳、多冲断裂；当汽车用引擎盖支架固定螺栓在严寒地区使用时，还要求螺栓具有低的韧—脆转化温度。

技术实现要素：

本发明针对现有技术所存在的缺陷，提供一种不仅强度、硬度较高，塑性、韧性较好，而且还具有较好的耐蚀性及韧—脆转化温度的螺栓，特别适合用于固定汽车引擎盖支架的螺栓。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案得以实施：一种螺栓，自上而下顺次包括头部、固定区段、负荷作用区段且三者一体成型，所述负荷作用区段的外缘设有螺纹，所述头部的下半部分呈圆柱形，上半部分为圆锥形且置于下半部分的上端，所述螺栓由高强度螺栓钢加工而成，所述螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.18％-0.23％；mn：0.70％-1.00％；si≤0.10％，al：0.02％-0.20％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

现有普通的螺栓钢42crmo的化学成分是c：0.38-0.45％；mn：0.50-0.80％；cr：0.80-1.20％；mo：0.15-0.25％；si：0.17-0.37％；s≤0.0035％；p≤0.0035％；ni≤0.030％；cu≤0.030％；其余为fe。首先，本发明在普通的高强度螺栓钢42crmo的基础上降低了碳(c)，从而改善钢的冷变形能力，提高螺栓钢的塑性和韧性，并在42crmo的基础上提高锰(mn)含量，以弥补因降碳和省略铬(cr)而造成的强度和淬透性的损失，进一步提高螺栓钢的淬透性，进而提高螺栓钢的硬度和强度。其次，尽管硅(si)有轻微的强化作用，也轻微能改善钢的韧性，与合金钢中的钼一起作用时，效果更好，但是过量的硅会严重影响钢的焊接性能，因此，本发明螺栓钢适当降低了硅的含量，将硅的含量控制在0.10％以内。再者，本发明螺栓钢在42crmo的基础上不仅省略了cr以及杂质中的ni、cu，还额外添加了al，用以细化晶粒，与硅产生协同作用，进一步提高螺栓钢的冲击韧性。最后，本发明螺栓钢通过降低s含量进而减少螺栓钢中的非金属夹杂物，改善钢的韧塑性，提高螺栓钢变形能力的效果，通过降低p含量进而降低螺栓钢的变形抗力，同时减少p、s在晶界的偏聚而减轻晶界脆化。因此，降低钢中的p、s含量不仅可以改善钢的冷镦性能，还可以改善钢的耐延迟断裂性能。

由于化学成分的改变，其显微组织也发生改变，本发明的螺栓不仅在强度和硬度上能够达到高强度螺栓钢应有的要求，还极大地提高了螺栓的塑性和韧性，且显著提高了螺栓的耐蚀性及韧-脆转化温度，使其及其适合用于固定汽车引擎盖支架。

在上述的螺栓中，作为优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.20％-0.22％；mn：0.80％-1.0％；si≤0.10％，al：0.02％-0.10％，s≤0.035％；p≤0.03％，其余为fe。

进一步优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.20％；mn：0.80％；si≤0.10％，al：0.15％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

进一步优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.22％；mn：0.90％；si≤0.10％，al：0.12％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

进一步优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.18％；mn：1.00％；si≤0.10％，al：0.02％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

进一步优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.23％；mn：0.70％；si≤0.10％，al：0.20％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

本发明的另一个目的在于提供一种上述螺栓的加工方法，所述加工方法包括如下步骤：

s1、前处理：将如上所述化学成分的螺栓钢原料先进行酸洗除锈、风干，然后将风干后的原料在780-800℃下进行球化退火处理，均温处理5h-8h后进行磷化处理及拉丝；

s2、成型：将经上述处理后的原料在镦锻力的作用下形成螺栓所需的形状，并依次进行车削、铣槽、搓丝得螺栓半成品；

s3、热处理：将螺栓半成品在520-540℃保温40-80min，升温至860-900℃保温40-80min，快速降温至520-550℃保温70-100min，加热至860-900℃保温40-80min，然后自然冷却至室温；

s4、表面处理：将热处理后的螺栓半成品清洗除油、抛丸后，在黑色达克罗涂液中浸涂或喷涂，再经110-125℃烘烤8-15min，然后在340-350℃下固化25-35min，制得具有黑色达克罗涂层的螺栓成品。

本发明螺栓的加工方法先将原料螺栓钢进行前处理，包括球化退火处理、磷化处理等，然后加工成型得螺栓，通过渗碳热处理进一步提高螺栓的硬度，使硬化层深度达到0.2-0.4mm，最后通过自发式黑色达克罗处理在螺栓表面形成黑色水性有机涂层，使其膜层具有极强的附着力、润滑性、消光、耐热性、耐蚀性，进而显著提高螺栓的表面硬度、强度、耐蚀性，并保证螺栓的韧性、塑性。

为了保证涂层完善的性能，在黑色底涂上增加透明顶涂层，构成完整的黑色达克罗涂层体系。封闭层是采用硅酸盐水性涂料，设备与达克罗设备相同，固化温度相同，固化时间为4-8min。该涂层作为面层涂覆在黑色达克罗涂层表面，可以提高黑色达克罗的耐腐蚀能力和表面硬度。即步骤s4表面处理在黑色达克罗处理的固化后还包括封闭处理，封闭处理在硅酸盐水性涂料中进行，封闭处理的固化温度为340-350℃，固化时间为4-8min。

作为优选，在上述螺栓的加工方法中，步骤s4表面处理中所述的黑色达克罗涂液包括如下组分(按重量份计数)：50份环氧树脂；20-40份黑色颜料；50-60份锌粉；0.1-0.5份分散剂；0.5-3份醇溶剂；2-10份铬酸溶液；40-100份有机溶剂。

现有技术中的黑色达克罗涂料一般含有铝粉，含铝粉的达克罗涂层外观颜色白亮，加入黑色颜料时，增加黑色遮盖的难度，为使涂层呈黑色必须加入较多的颜料，从而增加均匀分散的难度，并较大的影响涂层性能。本发明黑色达克罗涂料中不含铝粉，只加入片状锌粉，降低涂层的白度和亮度，降低黑色遮盖的难度，提高黑度。

进一步优选，黑色达克罗涂液中所述的黑色颜料为石墨、活性炭、炭黑中的一种或多种。

进一步优选，黑色达克罗涂液中所述的分散剂为十二醇聚氧乙烯醚、十四醇聚氧乙烯醚、十六醇聚氧乙烯醚中的一种或多种。

进一步优选，黑色达克罗涂液中所述的有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯中的一种或多种。

进一步优选，黑色达克罗涂液中所述的醇溶剂为丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或多种。

综上所述，本发明在普通的高强度螺栓钢42crmo的基础上降低了碳(c)和硅(si)含量，提高了锰(mn)含量，并添加了铝(al)元素，还进一步优化了其他化学成分的含量，由于化学成分的改变，其显微组织也发生改变。且采用上述配伍合理的螺栓钢先经过球化退火、磷化等处理，再加工成型得螺栓半成品，然后经过特定的渗碳热处理及黑色达克罗处理制得本发明的螺栓，使本发明的螺栓不仅在强度和硬度上能够达到高强度螺栓钢应有的要求，如硬度达26hrc，表面硬度达30hrc，还极大地提高了螺栓的塑性、韧性，且显著提高螺栓的耐蚀性及韧-脆转化温度，使其极其适合用于固定汽车引擎盖支架。

附图说明

图1是本发明螺栓的结构示意图。

图中，1、头部；2、固定区段；3、负荷作用区段。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本发明螺栓自上而下顺次包括头部1、固定区段2、负荷作用区段3且三者一体成型，所述负荷作用区段3的外缘设有螺纹，所述头部1的下半部分呈圆柱形，上半部分为圆锥形且置于下半部分的上端，所述螺栓由高强度螺栓钢加工而成，所述螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.18％-0.23％；mn：0.70％-1.00％；si≤0.10％，al：0.02％-0.20％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

作为优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.20％-0.22％；mn：0.80％-1.0％；si≤0.10％，al：0.02％-0.10％，s≤0.035％；p≤0.03％，其余为fe。

进一步优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.20％；mn：0.80％；si≤0.10％，al：0.15％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

进一步优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.22％；mn：0.90％；si≤0.10％，al：0.12％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

进一步优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.18％；mn：1.00％；si≤0.10％，al：0.02％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

进一步优选，所述的螺栓钢由以下质量百分数的化学成分组成：c：0.23％；mn：0.70％；si≤0.10％，al：0.20％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

上述螺栓的加工方法包括如下步骤：

s1、前处理：将上述化学成分的螺栓钢原料先进行酸洗除锈、风干，然后将风干后的原料在780-800℃下进行球化退火处理，均温处理5h-8h后进行磷化处理及拉丝；

s2、成型：将经上述处理后的原料在镦锻力的作用下形成螺栓所需的形状，并依次进行车削、铣槽、搓丝得螺栓半成品；

s3、热处理：将螺栓半成品在520-540℃保温40-80min，升温至860-900℃保温40-80min，快速降温至520-550℃保温70-100min，加热至860-900℃保温40-80min，然后自然冷却至室温，使硬化层深度达0.2-0.4mm；

s4、表面处理：将热处理后的螺栓半成品先清洗除油、抛丸，再在黑色达克罗涂液中浸涂或喷涂，接着经110-125℃烘烤8-15min，然后在340-350℃下固化25-35min，制得具有黑色达克罗涂层的螺栓成品。

作为优选，步骤s4表面处理在黑色达克罗处理的固化后还包括封闭处理，封闭处理在硅酸盐水性涂料中进行，封闭处理的固化温度为340-350℃，固化时间为4-8min。

作为优选，步骤s4表面处理中所述的黑色达克罗涂液包括如下组分(按重量份计数)：50份环氧树脂；20-40份黑色颜料；50-60份锌粉；0.1-0.5份分散剂；0.5-3份醇溶剂；2-10份铬酸溶液；40-100份有机溶剂。进一步优选，黑色达克罗涂液中所述的黑色颜料为石墨、活性炭、炭黑中的一种或多种。进一步优选，黑色达克罗涂液中所述的分散剂为十二醇聚氧乙烯醚、十四醇聚氧乙烯醚、十六醇聚氧乙烯醚中的一种或多种。进一步优选，黑色达克罗涂液中所述的有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯中的一种或多种。进一步优选，黑色达克罗涂液中所述的醇溶剂为丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或多种。

实施例1：一种螺栓，自上而下顺次包括头部1、固定区段2、负荷作用区段3且三者一体成型，所述负荷作用区段3的外缘设有螺纹，所述头部1的下半部分呈圆柱形，上半部分为圆锥形且置于下半部分的上端，所述螺栓通过如下步骤加工而成：

前处理：将如下所述化学成分的螺栓钢原料先进行酸洗除锈、风干，然后将风干后的原料在790℃下进行球化退火处理，均温处理6h后进行磷化处理及拉丝；所述螺栓钢的化学成分为：c：0.20％；mn：0.80％；si≤0.10％，al：0.15％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

成型：将经上述处理后的原料在镦锻力的作用下形成螺栓所需的形状，并依次进行车削、铣槽、搓丝得螺栓半成品。

热处理：将螺栓半成品在530℃保温50min，升温至880℃保温50min，快速降温至530℃保温80min，加热至880℃保温60min，然后自然冷却至室温，使硬化层深度达0.3mm。

表面处理：将热处理后的螺栓半成品先清洗除油、抛丸，再在黑色达克罗涂液中浸涂或喷涂，接着经115℃烘烤12min，然后在345℃下固化30min，最后在硅酸盐水性涂料中进行封闭处理，封闭处理的固化温度为345℃，固化时间为5min，得螺栓成品。其中，所述黑色达克罗涂液包括如下组分(按重量份计数)：50份环氧树脂；15份石墨、15份活性炭；55份锌粉；0.3份十二醇聚氧乙烯醚；2份丙醇溶剂；6份铬酸溶液；60份甲苯溶剂。

实施例2：一种螺栓，自上而下顺次包括头部1、固定区段2、负荷作用区段3且三者一体成型，所述负荷作用区段3的外缘设有螺纹，所述头部1的下半部分呈圆柱形，上半部分为圆锥形且置于下半部分的上端，所述螺栓通过如下步骤加工而成：

前处理：将如下所述化学成分的螺栓钢原料先进行酸洗除锈、风干，然后将风干后的原料在785℃下进行球化退火处理，均温处理7h后进行磷化处理及拉丝；所述螺栓钢的化学成分为：c：0.22％；mn：0.90％；si≤0.10％，al：0.12％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

成型：将经上述处理后的原料在镦锻力的作用下形成螺栓所需的形状，并依次进行车削、铣槽、搓丝得螺栓半成品。

热处理：将螺栓半成品在525℃保温60min，升温至870℃保温60min，快速降温至540℃保温90min，加热至870℃保温50min，然后自然冷却至室温，使硬化层深度达0.3mm。

表面处理：将热处理后的螺栓半成品先清洗除油、抛丸，再在黑色达克罗涂液中浸涂或喷涂，接着经120℃烘烤10min，然后在348℃下固化32min，最后在硅酸盐水性涂料中进行封闭处理，封闭处理的固化温度为348℃，固化时间为6min，得螺栓成品。其中，所述黑色达克罗涂液包括如下组分(按重量份计数)：50份环氧树脂；35份炭黑；53份锌粉；0.4份十四醇聚氧乙烯醚；1份异丙醇溶剂；4份铬酸溶液；80份苯溶剂。

实施例3：一种螺栓，自上而下顺次包括头部1、固定区段2、负荷作用区段3且三者一体成型，所述负荷作用区段3的外缘设有螺纹，所述头部1的下半部分呈圆柱形，上半部分为圆锥形且置于下半部分的上端，所述螺栓通过如下步骤加工而成：

前处理：将如下所述化学成分的螺栓钢原料先进行酸洗除锈、风干，然后将风干后的原料在780℃下进行球化退火处理，均温处理8h后进行磷化处理及拉丝；所述螺栓钢的化学成分为：c：0.18％；mn：1.00％；si≤0.10％，al：0.02％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

成型：将经上述处理后的原料在镦锻力的作用下形成螺栓所需的形状，并依次进行车削、铣槽、搓丝得螺栓半成品。

热处理：将螺栓半成品在540℃保温40min，升温至900℃保温40min，快速降温至550℃保温70min，加热至900℃保温40min，然后自然冷却至室温，使硬化层深度达0.4mm。

表面处理：将热处理后的螺栓半成品先清洗除油、抛丸，再在黑色达克罗涂液中浸涂或喷涂，接着经110℃烘烤15min，然后在340℃下固化35min，最后在硅酸盐水性涂料中进行封闭处理，封闭处理的固化温度为340℃，固化时间为8min，得螺栓成品。其中，所述黑色达克罗涂液包括如下组分(按重量份计数)：50份环氧树脂；20份活性炭；60份锌粉；0.1份十六醇聚氧乙烯醚；3份正丁醇溶剂；2份铬酸溶液；100份二甲苯溶剂。

实施例4：一种螺栓，自上而下顺次包括头部1、固定区段2、负荷作用区段3且三者一体成型，所述负荷作用区段3的外缘设有螺纹，所述头部1的下半部分呈圆柱形，上半部分为圆锥形且置于下半部分的上端，所述螺栓通过如下步骤加工而成：

前处理：将如下所述化学成分的螺栓钢原料先进行酸洗除锈、风干，然后将风干后的原料在800℃下进行球化退火处理，均温处理5h后进行磷化处理及拉丝；所述螺栓钢的化学成分为：c：0.23％；mn：0.70％；si≤0.10％，al：0.20％，s≤0.030％；p≤0.030％，其余为fe。

成型：将经上述处理后的原料在镦锻力的作用下形成螺栓所需的形状，并依次进行车削、铣槽、搓丝得螺栓半成品。

热处理：将螺栓半成品在520℃保温80min，升温至860℃保温80min，快速降温至520℃保温100min，加热至860℃保温80min，然后自然冷却至室温，使硬化层深度达0.2mm。

表面处理：将热处理后的螺栓半成品先清洗除油、抛丸，再在黑色达克罗涂液中浸涂或喷涂，接着经125℃烘烤8min，然后在350℃下固化25min，最后在硅酸盐水性涂料中进行封闭处理，封闭处理的固化温度为350℃，固化时间为4min，得螺栓成品。其中，所述黑色达克罗涂液包括如下组分(按重量份计数)：50份环氧树脂；15份石墨、25份炭黑；50份锌粉；0.5份十二醇聚氧乙烯醚；0.5份异丙醇溶剂；8份铬酸溶液；50份苯溶剂、20份甲苯溶剂。

对实施例1-4的螺栓的抗拉强度σb、拉伸强度σs、硬度hrc、表面硬度hrc、收缩率δ、伸长率ψ和韧性(冲击吸收功akv)进行检测，检测结果如表1所示：

表1：实施例1-4的螺栓及现有技术中用42crmo通过普通加工方法制得的螺栓的性能测试结果

从表1可以看出，本发明的螺栓不仅在强度和硬度上能够达到高强度螺栓钢应有的要求，使螺栓硬度达到26hrc，表面硬度达30hrc以上，还极大地提高了螺栓的塑性、韧性，且显著提高了螺栓的耐蚀性及韧-脆转化温度，使其极其适合用于固定汽车引擎盖支架。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。