一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢及其热处理工艺的制作方法

本发明属于紧固件用钢技术领域，尤其涉及一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢及其热处理工艺。

背景技术：

紧固件是我国装备制造业的基础性产业，国内铁路建设保持较快发展，不仅新建铁路和既有线改造为高速动车组、大功率机车、重载货车提供了新的市场需求，而且在役装备的更新换代也为紧固件提供了市场空间。近年来，开发具有特殊性能的高强紧固件用钢是热门课题。

中国专利cn106086652a公开了一种高强度耐热冷镦钢盘条及其生产方法，所得盘条制成的高强度螺栓在高温状态下服役，能够保持良好的强度及韧性指标，具有良好耐高温稳定性、强度及热强性，但该方法中钢不具有优良的低温韧性，不适用于跨越寒冷地区的轨道交通用紧固件。中国专利cn106929623b公开了一种10.9级高强度螺栓用钢热轧圆盘条的制备方法，该专利生产的高强度紧固件螺栓用钢热轧圆盘条具有洁净度高、淬透性好、合适的强度和硬度以及优异的塑韧性和冷镦顶锻变形能力，不足之处是该钢并不具有显著的耐热性能，不适用于需经历高温条件的紧固件。中国专利cn103173694b公开了一种耐高温紧固件的制作方法，该发明生产出来的紧固件塑性好，硬度大，强度高。但该方法添加了大量的贵金属元素，制作成本极高，不适合轨道交通行业批量的推广使用。

综上所述，虽然国内在耐热紧固件和高强度紧固件方面有一定的技术积累，但鲜少有针对轨道交通行业的耐热紧固件用钢研究。随着轨道交通环境的复杂化，铁路车辆如高铁等经常行驶至零下十几摄氏度甚至更低的环境中，对钢材的低温冲击韧性显著提高，急需耐低温冲击优异的紧固件用钢；而随着列车时速不断提高，紧急制动时制动能量急剧增大，带来巨大的热应力，一些特殊位置如制动盘位置的紧固件需要经历高温约450℃左右的冷热疲劳。综上所述，急需开发适用于轨道交通行业可应用于寒冷地区的耐热性高强度紧固件用钢。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢及其热处理工艺，可应用于寒冷地区的耐热性高强度紧固件用钢。

本发明的具体技术方案为：

一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢，所述的10.9级紧固件用钢按重量百分比含有：c0.10％～0.20％、si0.10％～0.40％、mn0.30％～0.60％、cr1.30％～1.60％、v0.20％～0.40％、ni4.00％～4.50％、w0.80％～1.20％、alt0.015％～0.040％、co0.40％～0.80％、p≤0.015％、s≤0.015％、o≤0.0015％、n≤0.006％，其余为fe和其它不可避免的杂质。

c：c是钢中最基本有效的强化和淬透性元素。c可以扩大和稳定奥氏体，从而提高耐热钢的高温强度。但随着其含量增大，延展性降低，因此c含量控制在0.10％～0.20％。

si：si是钢中有效强化的元素，尤其是c含量较低时，可适当提高si含量保证强度，但若其过量会导致紧固件成形性降低，也会恶化常温塑性和热塑性，此外si元素的提高会增加钢中碳的扩散，加剧钢材的脱碳，因此si含量控制在0.10％～0.40％。

mn：mn和fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时mn是提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性，一定量的mn还能改善钢的低温韧性。但过量的mn会降低钢的塑性，提高材料的缺口敏感性，且增加晶界的偏析，导致晶界强度降低，延迟断裂风险性增加，因此mn含量控制在0.30％～0.60％。

cr：cr元素在钢中显著提高强韧性和热强性，其以碳化物形式析出，增加氢捕获点，提高耐延迟断裂性。cr能增加钢的淬透性，但过量的cr增加钢的回火脆性倾向，因此cr含量控制在1.30％～1.60％。

v：钢中加钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性，提高钢的高温强韧性，同时改善钢的缺口敏感性能。v与c形成碳化物，显著提高强度和耐延迟断裂性。过量的v会导致粗大的碳化物析出，恶化冷加工性，因此v含量控制在0.20％～0.40％。

ni：ni能与fe生成无限互溶的固溶体，具有扩大相区的作用,不形成碳化物。镍能稳定奥氏体，增强钢的淬透性。ni同时是降低韧脆转变温度的有效元素，显著提高低温韧性。但钢中过量的镍加入，钢在高温环境时的热脆性倾向增加，因此ni含量控制在4.00％～4.50％。

w：钨耐高温，且溶于钢中会与碳形成碳化物，能提高钢的常温强度和高温强度，但过量的w会降低钢的抗蚀性和高温抗氧化性，因此w含量控制在0.80％～1.20％。

al：al是较强脱氧元素，同时提高钢的抗氧化性能，有利于保持高温性能。但随着al含量的增加，粗大的碳氮化物系夹杂物量增大，因此alt含量控制在0.015％～0.040％。

co：co是非碳化物形成元素，在钢中可强化铁素体。同时co具有抗氧化性能，可显著提高了钢的热稳定性和耐热性，因此过量的co添加会导致材料韧性下降，同时增加钢的脱碳敏感性，因此co含量控制在0.40％～0.80％。

s和p：硫容易在钢中与锰形成mns夹杂，对材料加工变形有害；p是具有强烈偏析倾向的元素，通常还引起硫和锰的共同偏聚，对产品组织和性能的均匀性有害，因此控制p≤0.015％，s≤0.015％。

o和n：t.o在钢中形成氧化物夹杂，控制t.o≤0.0015％；n在钢中析出fe4n，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时n还会降低钢的冷加工性能，控制n≤0.006％。

一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢，所述10.9级紧固件用钢的热处理后组织为回火索氏体，常温力学性能和450℃高温力学性能均达到10.9级，rm≥1040mpa，rp0.2≥940mpa，a≥9％，z≥48％，缺口敏感度nsr值≥1.65，-80℃低温冲击韧性≥75j。

进一步地，一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢的热处理工艺，所述紧固件用钢的生产工艺为：电弧炉或转炉冶炼→lf炉精炼→rh或vd真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→圆坯连铸→方坯轧制→棒材轧制。

进一步地，一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢的热处理工艺，所述紧固件用钢采用以下淬回火热处理工艺：860～920℃淬火，油冷，530～600℃回火，空冷。

与现有技术相比，本发明一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢的热处理后组织为回火索氏体，常温力学性能和450℃高温力学性能均达到10.9级(rm≥1040mpa，rp0.2≥940mpa，a≥9％，z≥48％)，缺口敏感度nsr值≥1.65，-80℃低温冲击韧性≥75j。适用于制作应用于寒冷地区的轨道交通用耐热性10.9级高强度螺栓。

附图说明

图1为钢热处理后组织扫描电镜照片-回火索氏体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步地描述。

本发明一种轨道交通用耐热型10.9级紧固件用钢，所述的10.9级紧固件用钢按重量百分比含有：c0.10％～0.20％、si0.10％～0.40％、mn0.30％～0.60％、cr1.30％～1.60％、v0.20％～0.40％、ni4.00％～4.50％、w0.80％～1.20％、alt0.015％～0.040％、co0.40％～0.80％、p≤0.015％、s≤0.015％、o≤0.0015％、n≤0.006％，其余为fe和其它不可避免的杂质。

在本实施例中，本发明采用特定成分的棒材，实施例和对比例成分见表1，生产工艺如下：

电炉冶炼：出钢前定氧，出钢前采用留钢处理，严格控制出钢过程下渣；

lf炉：c、si、cr、mn、v、ni、w、co等元素调至目标值；

真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[h]含量；

连铸：中包钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃，连铸φ380mm圆坯。

棒材轧制路线：φ380mm圆坯→加热→轧制为150mm×150mm方坯→φ16～40棒材成品。

棒材的成分和奥氏体晶粒度见表1。其中奥氏体化热处理工艺为：900℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃，冷却后进行金相制样和奥氏体晶粒度评级。

表1本发明实施例化学成分及组织(wt％)

将棒材加工为φ10mm的标准拉力试样，采用以下淬回火热处理工艺：900℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃，560℃回火，随空气自然冷却，热处理后组织为回火索氏体，见图1。热处理后常温和高温力学性能见表2，其中高温力学拉伸按gb/t4338《金属材料高温拉伸试验方法》进行。常温力学性能：rm≥1164mpa，rp0.2≥1077mpa，a≥19.0％，z≥59％；450℃高温力学性能：rm≥1068mpa，rp0.2≥983mpa，a≥21.0％，z≥72％。实施例的常温强度和高温强度均达到10.9级。

采用hb5214-1996《金属室温缺口拉伸试验方法》进行缺口敏感性试验，通过有缺口试样的抗拉强度和无缺口试样的抗拉强度比值，即nsr值的大小衡量缺口敏感性，nsr值越大，缺口敏感性越低，由于本实施例和对比例均为塑性试样，产生缺口强化效应，故nsr值均＞1，实施例的nsr值≥1.65，明显优于对比样，具有良好的缺口敏感性，适用于制作螺栓。此外，实施例的-80℃低温冲击韧性kv2≥75j，具有优良的低温冲击韧性，适用于运行环境跨越寒冷地区的轨道交通紧固件。

表2本发明实施例淬回火热处理后力学性能、缺口敏感性及低温冲击性能

上述说明仅对本发明进行了具体的示例性描述，需要说明的是本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的技术构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的技术构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。