本发明属于高强度紧固件技术领域，尤其涉及一种用于高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料及其制备方法。
背景技术：
目前，我国高强度螺栓制造技术停留在12.9级的等级水平。国家现行标准gb/t3098.1仅规定有12.9及以下等级螺栓力学性能指标，对12.9级以上高强度螺栓未作要求；国家标准gb/t6478、gb/t3077中规定的紧固件材料，其性能可以达到12.9级水平，但不能达到更高级别14.9级的性能要求。我国现阶段14.9级和更高级别高强度螺栓材料及工艺技术仍处于空白状态。例如，常用合金钢35crmo和42crmo是不能兼顾达到14.9级的强度、韧性和塑性等综合力学性能指标，特别是低温韧性和高温强度的保证。
现有技术制造高强度14.9级螺栓可以通过两个途径予以保证：一是所用材料的成分组成能够达到螺栓基本性能要求；二是通过一定的工艺方法实现高强度螺栓设计要求，保证螺栓达到14.9级高强度。
要达到高强度14.9级螺栓综合力学性能的强度、屈服比、塑性等指标，螺栓在专用设备上完成制造的程式化工序为：热轧线材→一次热处理→冷拔→中间热处理→冷拔→中间热处理→冷镦→加工螺纹→最终热处理等工序处理。其中，冷拔和冷镦成型要求高强度14.9级螺栓材料具备优良的加工性能，而现有的螺栓钢铁材料都难以达到该要求。现阶段用于加工螺栓的材料普遍存在塑性不能适应冷拔冷镦加工，必须进行中间热处理来恢复塑性，工序多，能耗高，周期长。
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，提供一种用于14.9级高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种用于高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料，其含有的化学元素成分及其质量百分比包括(见表1)：碳0.39-0.46％、硅0.15-0.30％、锰1.45-1.60％、磷≤0.015％、硫≤0.015％、钼0.35-0.45％、铬1.25-1.40％、镍≤0.25％、铜≤0.25％、钛0.04-0.10％、硼0.0005-0.0025％、钒0.15-0.30％、铝0.03-0.08％，余量为铁。
表1：本发明高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料的化学元素成分(质量百分比)
本发明在钢中加入1.40-1.60％mn可以有效提高钢的强韧性、淬透性和耐磨性，然而加入mn会增加钢的过热敏感性和回火脆性，本发明通过加入细化晶粒元素0.35-0.45％mo、0.15-0.30％v、0.04-0.10％ti等来克服该问题，mo还能显著降低钢过热敏感性和回火脆性。钢中的b有稳定过冷奥氏体作用，加入0.0005-0.0025％b具有对奥氏体转变产生强烈的抑制作用，有效提高淬透性；b与mo共同作用更有利提高淬透性和强度。加入1.00-1.40％cr在钢中的角色多元且重要，cr可减小钢的过热敏感性，cr的碳化物具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性，可有效提高淬火回火钢的综合力学性能，而且具有抗蚀性。加入0.04-0.10％ti元素可细化晶粒，增强钢的塑性和韧性，同时可促进b的有利作用；能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。v可细化晶粒，提高钢的强度和屈服比；v会降低淬透性和韧性，常和mn、cr、mo使用。al主要用来脱氧，钢中保留0.03-0.08％的al可以细化晶粒、提高钢在低温下的韧性。
在钢中加入多种微合金化元素，其目的是晶粒超细化，使本发明钢具备良好的延展性，有利于冷镦成型加工，经淬火回火后具有优良的综合力学性能。
上述用于高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料，优选的，其含有的化学元素成分及其质量百分比包括：碳0.41-0.45％、硅0.20-0.25％、锰1.50-1.57％、磷≤0.010％、硫≤0.007％、钼0.41-0.44％、铬1.28-1.37％、镍≤0.24％、铜≤0.25％、钛0.06-0.09％、硼0.0009-0.0015％、钒0.18-0.24％、铝0.04-0.06％，余量为铁。
基于一个总的发明构思，本发明还相应提供一种用于高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将钢铁加入氧气顶吹转炉中进行冶炼，出钢前加入铝铁、硅铁强脱氧后，加入钒铁、锰铁和钛铁冶炼继续脱氧，再加入硼铁实现部分合金化，冶炼完成后出钢；
(2)将所述步骤(1)出钢后得到的液钢进行炉外钢包精炼，钢包精炼时将钼和铬的合金矿石或合金化合物按化学元素质量百分比混合后加入其中；
(3)将所述步骤(2)钢包精炼后得到的液钢进行连续浇铸；
(4)将所述步骤(3)浇铸后得到的钢进行热轧；
(5)将所述步骤(4)热轧后得到的钢通过球化退火后，进行最终热处理，即得到所述的钢铁材料。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，碳、镍、铜、磷、硫和铁元素均来源于钢铁。
优选的，所述步骤(1)中，转炉冶炼的温度控制在1600℃～1660℃，出钢的温度控制在1580℃～1600℃。
优选的，所述步骤(2)中，炉外钢包精炼的温度控制在1540℃～1570℃。
优选的，所述步骤(3)中，连续浇铸的温度控制在1500℃～1520℃。
优选的，所述步骤(4)中，热轧包括加热阶段、轧制阶段和终轧阶段。
更优选的，所述热轧的加热阶段温度控制在1150℃～1200℃，所述轧制阶段的温度控制在1100℃～1140℃，所述终轧阶段的温度控制在860℃～900℃。
优选的，所述步骤(5)中，球化退火的具体操作包括如下步骤：将热轧态的钢在710℃～740℃保温8-12h，炉冷至450℃～500℃出炉。
优选的，所述步骤(5)中，最终热处理包括加热淬火阶段和回火阶段，所述淬火阶段的加热温度控制在830℃～860℃，回火阶段的温度控制在360℃～450℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明用于高强度螺栓的钢铁材料，通过控制碳含量，添加多种合金元素，使其具有晶粒超细化，具备良好的加工性和淬透性，多种元素协同作用，可有效地提高钢的强度和韧性，解决了背景技术中的问题，填补了国内高强韧性螺栓材料的空白。
2、本发明的制备方法，是先进的冶炼技术，采用氧气顶吹转炉冶炼和炉外钢包精炼，配以连铸技术，可保证其化学成分控制在设计范围内，尤其可将有害成分硫、磷的含量分别精确控制在0.015％以内。
3、本发明的制备方法采用了连铸技术，连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术，与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。
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做更全面、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：
一种本发明的用于高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料，其含有的化学元素成分及其质量百分比包括：碳0.45％、硅0.20％、锰1.50％、磷0.007％、硫0.005％、钼0.44％、铬1.37％、镍0.24％、铜0.20％、钛0.09％、硼0.0009％、钒0.24％、铝0.05％，余量为铁。
其制备方法包括如下步骤：
(1)将钢铁加入氧气顶吹转炉中进行冶炼，碳、镍、铜、磷、硫和铁元素均来源于钢铁，出钢前加入铝铁、硅铁强脱氧后，加入钒铁、锰铁和钛铁冶炼继续脱氧，再加入硼铁实现部分合金化，冶炼完成后出钢；转炉冶炼的温度控制在1600℃～1660℃，出钢的温度控制在1580℃～1600℃；
(2)将所述步骤(1)出钢后得到的液钢进行炉外钢包精炼，钢包精炼时将钼和铬的合金矿石或合金化合物按化学元素质量百分比混合后加入其中；炉外钢包精炼的温度控制在1540℃～1570℃；
(3)将所述步骤(2)钢包精炼后得到的液钢进行连续浇铸，连续浇铸的温度控制在1500℃～1520℃；
(4)将所述步骤(3)浇铸后得到的钢进行热轧，热轧包括加热阶段、轧制阶段和终轧阶段，所述热轧的加热阶段温度控制在1150℃～1200℃，轧制阶段的温度控制在1100℃～1140℃，终轧阶段的温度控制在860℃～900℃；
(5)将所述步骤(4)热轧后得到的钢进行球化退火，将热轧态的钢在710℃～740℃保温8-12h，炉冷至450℃～500℃出炉，进行最终热处理，包括加热淬火阶段和回火阶段，所述淬火阶段的温度控制在830℃～860℃，回火阶段的温度控制在360℃～450℃，即得到所述的钢铁材料。
实施例2：
一种本发明的用于高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料，其含有的化学元素成分及其质量百分比包括：碳0.43％、硅0.24％、锰1.52％、磷0.010％、硫0.007％、钼0.41％、铬1.28％、镍0.23％、铜0.21％、钛0.06％、硼0.0012％、钒0.18％、铝0.04％，余量为铁。
其制备方法包括如下步骤：
(1)将钢铁加入氧气顶吹转炉中进行冶炼，碳、镍、铜、磷、硫和铁元素均来源于钢铁，出钢前加入铝铁、硅铁强脱氧后，加入钒铁、锰铁和钛铁冶炼继续脱氧，再加入硼铁实现部分合金化，冶炼完成后出钢；转炉冶炼的温度控制在1600℃～1660℃，出钢的温度控制在1580℃～1600℃；
(2)将所述步骤(1)出钢后得到的液钢进行炉外钢包精炼，钢包精炼时将钼和铬的合金矿石或合金化合物按化学元素质量百分比混合后加入其中；炉外钢包精炼的温度控制在1540℃～1570℃；
(3)将所述步骤(2)钢包精炼后得到的液钢进行连续浇铸，连续浇铸的温度控制在1500℃～1520℃；
(4)将所述步骤(3)浇铸后得到的钢进行热轧，热轧包括加热阶段、轧制阶段和终轧阶段，所述热轧的加热阶段温度控制在1150℃～1200℃，轧制阶段的温度控制在1100℃～1140℃，终轧阶段的温度控制在860℃～900℃；
(5)将所述步骤(4)热轧后得到的钢进行球化退火，将热轧态的钢在710℃～740℃保温8-12h，炉冷至450℃～500℃出炉，进行最终热处理，包括加热淬火阶段和回火阶段，所述淬火阶段的温度控制在830℃～860℃，回火阶段的温度控制在360℃～450℃，即得到所述的钢铁材料。
实施例3：
一种本发明的用于高强度螺栓的钛铝硼钢铁材料，其含有的化学元素成分及其质量百分比包括：碳0.41％、硅0.25％、锰1.57％、磷0.005％、硫0.005％、钼0.42％、铬1.30％、镍0.20％、铜0.25％、钛0.08％、硼0.0015％、钒0.20％、铝0.06％，余量为铁。
其制备方法包括如下步骤：
(1)将钢铁加入氧气顶吹转炉中进行冶炼，碳、镍、铜、磷、硫和铁元素均来源于钢铁，出钢前加入铝铁、硅铁强脱氧后，加入钒铁、锰铁和钛铁冶炼继续脱氧，再加入硼铁实现部分合金化，冶炼完成后出钢；转炉冶炼的温度控制在1600℃～1660℃，出钢的温度控制在1580℃～1600℃；
(2)将所述步骤(1)出钢后得到的液钢进行炉外钢包精炼，钢包精炼时将钼和铬的合金矿石或合金化合物按化学元素质量百分比混合后加入其中；炉外钢包精炼的温度控制在1540℃～1570℃；
(3)将所述步骤(2)钢包精炼后得到的液钢进行连续浇铸，连续浇铸的温度控制在1500℃～1520℃；
(4)将所述步骤(3)浇铸后得到的钢进行热轧，热轧包括加热阶段、轧制阶段和终轧阶段，所述热轧的加热阶段温度控制在1150℃～1200℃，轧制阶段的温度控制在1100℃～1140℃，终轧阶段的温度控制在860℃～900℃；
(5)将所述步骤(4)热轧后得到的钢进行球化退火，将热轧态的钢在710℃～740℃保温8-12h，炉冷至450℃～500℃出炉，进行最终热处理，包括加热淬火阶段和回火阶段，所述淬火阶段的温度控制在830℃～860℃，回火阶段的温度控制在360℃～450℃，即得到所述的钢铁材料。
上述3个实施例的钢铁材料通过上述制备方法，采用氧气顶吹转炉冶炼和炉外精炼，配以连铸工艺，保证其化学成分控制在设计范围内(见表2)。得到的钢铁材料经淬火回火后，检测其力学性能，如表3所示。
表2：实施例1-3的用于高强度螺栓的钢铁材料的化学元素成分(质量百分比)
表3：实施例1-3得到的钢铁材料经淬火回火后力学性能表现
注：表中每个实施例的数据为三个试样的平均值。
螺栓性能等级说明：螺栓等级标记有两部分数字组成，第一部分数字表示公称抗拉强度的1/100，第二部分数字表示公称屈服点与公称抗拉强度的比值的10倍。例如：标记为14.9级的螺栓，其公称抗拉强度≥1400mpa，屈服比≥0.9。
表3的结果表明，本发明用于14.9级高强度螺栓的钢铁材料经本发明的制备方法处理后，抗拉强度和屈服比均达到了14.9级高强度螺栓要求，说明钢铁材料本身具有良好的加工性和淬透性，塑性好，有效地解决了背景技术中的问题。