一种耐候紧固件用非调质冷镦钢、耐候紧固件及二者的生产方法与流程

本发明属于冷镦钢技术领域，具体涉及一种耐候紧固件用非调质冷镦钢、耐候紧固件及二者的生产方法。

背景技术：

我国地域辽阔，自然气候环境复杂，随着建设发展，对其紧固件用冷镦钢提出了更高要求，急需开发具有优良的耐候性能的紧固件用冷镦钢材料。紧固件主要靠冷镦成形，工件在制作过程中往往要承受70～80％的总变形量，要求在冷加工前的硬度低、塑性好，以获得低的变形抗力和高的变形能力。所以冷镦钢线材在冷镦前通常要进行酸洗、拉拔、退火和二次拉拔等工序，冷镦后再进行调质处理。退火和调质处理是紧固件行业最大的耗能耗时工序，不但增加生产成本，而且增加排放、污染环境，若工艺控制不当，还会导致紧固件质量不稳定。非调质冷镦钢是冷镦钢重要的发展方向一。

目前我国耐候建筑用钢如板材、型钢方面研究较多，产品也相对成熟。耐候冷镦钢虽有一定的研究积累，但大部分强度级别较低或者成本较高，应用也不甚广泛，而具有耐候性能的非调质冷镦钢的研究几乎空白。随着轨道交通用紧固件应用环境的复杂化和节能降本绿色发展的需求，需开发节约加工成本的具有耐候性能的非调质冷镦钢材料。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐候紧固件用非调质冷镦钢、耐候紧固件及二者的生产方法，所述耐候紧固件用非调质冷镦钢具有良好的耐候性能，其可在不退火的情况下直接拉拔成强度等级在9.8级以上的紧固件，节能节时。

本发明采取的技术方案为：

一种耐候紧固件用非调质冷镦钢，包括以下重量百分比的化学成分：c0.10％～0.20％、si0.30％～0.50％、mn1.30％～1.50％、cr0.60％～0.80％、ni0.20％～0.30％、cu0.20％～0.30％、v0.05％～0.10％、alt0.040％～0.060％、ti0.010％～0.020％、n0.010％～0.015％、o≤0.0015％、p≤0.030％、s≤0.020％，其余为fe和其它不可避免的杂质，化学成分上保证耐候指数i＞6.5；且ni/cu≥0.8、(ti+v)/n≥5.5。

进一步地，所述耐候紧固件用非调质冷镦钢的金相组织为铁素体+马氏体，其中马氏体的占比为18～23％；晶粒度≥11级。

本发明还提供了所述的耐候紧固件用非调质冷镦钢的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→lf炉精炼→rh或vd真空脱气→方坯连铸→方坯加热→高速线材低温控轧控冷轧制→线材盘条成品。

进一步地，所述方坯连铸步骤中，连铸得到的方坯的尺寸为150mm×150mm～250mm×250mm，采用连铸方坯可有效避免因连铸圆坯引起的中心合金偏析问题。

所述方坯加热步骤中，加热炉均热温度1050～1150℃，高于1150℃在加热炉内会产生表面脱碳，低于1200℃则导致出炉温度不足，引起轧制困难。

所述高速线材低温控轧控冷轧制步骤中，精轧温度为780-830℃，吐丝温度770℃-820℃，高于此温度范围会造成后续相变组织粗大，低于此温度范围不利于形成碳氮化物析出形成铁素体形核点。

风机全开，风量调至100％，保温罩全部打开，冷速控制为15～17℃/s，以充分促进马氏体相变，得到理想的铁素体+马氏体组织。

所述线材盘条直径为φ5.5～10mm，如果高于此规格不利于轧制时的马氏体组织形成的控制。

本发明还提供了利用所述的耐候紧固件用非调质冷镦钢加工成的紧固件，其强度可达到9.8级以上。

本发明还提供了所述的紧固件的加工方法，对所述的耐候紧固件用非调质冷镦钢施加15％～25％的拉拔量进行拉拔，拉拔后按照常规冷镦或其他冷加工步骤加工六角螺栓、法兰螺栓等，不经过退火和调质热处理的步骤即可直接拉拔得到强度可达到9.8级以上的紧固件，节能节时。

本发明提供的耐候紧固件用非调质冷镦钢成分组成中，各成分作用及控制如下：

c：c是控制低碳马氏体性能的主要元素，低碳马氏体的强度与碳含量成线性正比关系，随着碳含量的增多，钢的塑性和韧性明显下降，而为获得尽可能多的板条状马氏体，在保证强度的条件下应尽可能地降低碳含量。c含量控制在0.10％～0.20％。

si：si可加快先共析铁素先析出，促使奥氏体富碳，提高奥氏体的稳定性，最终转变成含碳量较高的马氏体。硅主要富集于钢表面，还提高锈层的稳定性，提高耐蚀性能。但si元素的提高会增加钢中碳的扩散，加剧钢材的脱碳。si含量控制在0.30％～0.50％。

mn：mn稳定奥氏体和提高淬透性元素，对珠光体和贝氏体转变有强烈的抑制作用。但过量的mn会降低钢的塑性。mn的添加同时有助于在钢材表面形成锈蚀层，提高钢的耐蚀性能，过度的mn会导致腐蚀产物颗粒的长大，降低腐蚀率。mn含量控制在1.30％～1.50％。

cr：cr元素在钢中显著提高强韧性和强度，其以碳化物形式析出，增加氢捕获点，提高耐延迟断裂性。cr溶于奥氏体中提高奥氏体稳定性，促使板条状马氏体的形成，但过量的cr增加钢的脆性倾向。cr能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力，提高钢的耐候性能。cr含量控制在0.60％～0.80％。

ni：ni是奥氏体形成元素，强烈地延缓珠光体和贝氏体的转变，ni和cr配合使可得到强韧性极佳的马氏体钢。ni的耐蚀作用和cr类似，同时添加cu和ni还能加速锈层的阴极还原，抑制阳极溶解。ni元素是贵金属元素，过量加入导致成本过高。ni含量控制在0.20％～0.30％。

cu：cu在钢中的突出作用是提高钢的耐蚀性能。钢与表面二次析出的cu之间的阴极接触，能促使钢的阳极化，并形成保护性较好的锈层。铜元素也能改变锈层的吸湿性，从而提高了临界湿度。但cu在钢中产生高裂纹敏感性。cu含量控制在0.20％～0.30％。

此外，ni和cu含量除了需满足以上范围，还需保证ni/cu≥0.8，通过添加足够的ni来弥补伴随cu增量带来的轧制过程中钢热延展性的降低。ni/cu优选1.0以上。

v、ti、n：钢中加入v、ti、n后，高温析出的第二相微粒对原始奥氏体晶界起到钉扎作用，细化奥氏体，低温区域析出的粒子成为先共析铁素体转变的形核点，提高铁素体的形核率，细化铁素体。最终使得生产的钢具有超细晶，呈现出优异的强度和塑性配合，在不退火的情况下可直接拉拔和冷镦。v含量控制在v0.05％～0.10％、ti含量控制在0.010％～0.020％、n含量控制在0.010％～0.015％。为充分利用氮化钛、氮化钒的细晶作用，还需控制(ti+v)/n≥5.5。

al：al是强脱氧元素，同时提高钢的抗氧化性能，al和c、n形成的碳化物微粒可细化晶粒。但随着al含量的增加，粗大的碳氮化物系夹杂物量增大。alt含量控制在0.040％～0.060％。

p、s：p、s都是以偏析的杂质元素，对冷镦钢组织和性能的均匀性有害，为改善拉拔性能和冷镦性能，因此要求其达到较低的水平。p含量控制≤0.030％、s含量控制≤0.020％。

o：t.o在钢中形成氧化物夹杂，会导致紧固件加工或服役过程中发生开裂，控制t.o≤0.0015％。

本发明通过对钢化学成分组成的控制，保证耐候指数i≥6.5，通过成分和生产方法的搭配生产得到具有良好的耐候性能，适用于制作耐候紧固件，同时也保证盘条组织为铁素体+马氏体双相组织，晶粒度在11级以上，呈现出优异的强度和塑性配合的耐候紧固件用非调质冷镦钢，其在不退火的情况下可直接拉拔，节能节时；制作紧固件时拉拔变形量控制适当，即可实现加工强化使得最终紧固件强度可达到9.8级以上。

附图说明

图1为实施例1中的耐候紧固件用非调质冷镦钢金相组织图。

具体实施方式

下面结合实施例和比较例对本发明进行详细说明。

本发明采用特定成分的钢种，各实施例的耐候紧固件用非调质冷镦钢的生产工艺控制如下：

(1)电炉冶炼：出钢前定氧，出钢过程采用留钢操作，避免下渣；

(2)lf炉：各合金元素调至目标值；

(3)真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[h]含量≤1.5ppm，减少螺栓氢致断裂风险；

(4)连铸：中包钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃，连铸150mm×150mm～250mm×250mm方坯。

(5)线材轧制路线：方坯加热→高速线材低温控轧控冷轧制→φ5.5～10mm线材盘条成品。其中控制加热炉均热温度1050～1150℃，精轧温度为780-830℃，吐丝温度770℃-820℃，风机全开，风量调至100％，保温罩全部打开，冷速控制为15℃/s～17℃/s，确保得到铁素体+马氏体组织，马氏体含量比例18％～23％。

各实施例和比较例的成分及具体工艺参数控制如表1、表2所示：

表1各实施例和比较例中的钢的化学成分(wt％)

表2各实施例及对比例的工艺参数

钢的性能检测方法如下：

热轧盘条组织和晶粒度：从盘条上取长度为15mm试样，对横截面进行抛光，采用4％硝酸酒精进行腐蚀，根据gb/t13298《金属显微组织检验方法》和gb/t6394《金属平均晶粒度测定方法》进行组织和晶粒度评定；通过组织可判断盘条在加工紧固件时是否具备优良的拉拔等使用性能。结果见表2。

100h周浸试验失重率(见表3)：在方坯上取样，按tb/t2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》进行试样加工，完成100h周浸试验，并计算腐蚀失重率，每个编号10组，计算平均值。通过周浸试验可判断钢的耐候性能，100h周浸试验失重率≤0.5m²·h时判定为高耐候性，0.5m²·h＜失重率≤1.2m²·h判定为一般耐候性能，失重率＞1.2m²·h判定为无耐候性能。其中腐蚀失重率(w)按下式进行计算：

式中：w——失重率，g/(m²·h)；g0——试样原始重量，g；g1——试样试后重量，g；a——试样长度，mm；b——试样宽度，mm；c——试样厚度，mm；t——试验时间，h。结果见表3。

将各实施例和比较例制备得到的冷镦钢按照表3中的拉拔变形量进行拉拔，拉拔后按照常规冷镦或其他冷加工步骤加工六角螺栓、法兰螺栓等，不经过退火和调质热处理的步骤即可直接拉拔得到强度可达到9.8级以上的紧固件，节能节时。

螺栓拉伸试验：根据gb/t3098.1《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中拉伸试验方法，在常温试验环境中测定紧固件的rm、rp0.2、延伸率、面缩率。结果见表3。

表3本发明实施例及对比例的螺栓力学性能和耐候性能

实施例1～5的钢化学成分组成和生产工艺得到适当控制，其化学成分保证了耐候指数i≥6.5，具有良好的耐候性能，适用于制作耐候紧固件，同时通过成分和生产方法的搭配也保证盘条组织为铁素体+马氏体双相组织，晶粒度在11级以上，呈现出优异的强度和塑性配合，在不退火的情况下可直接拉拔，节能节时；制作紧固件时拉拔变形量控制适当，实现加工强化使得最终紧固件强度可达到9.8级以以上。

对比例1～2是钢生产工艺未得到适当控制的情况，虽然化学成分控制适当，但组织仍然产生贝氏体，不再为铁素体+马氏体双相组织，直接拉拔断裂情况较多，需要退火后使用。

对比例3是耐候指数i低于6.5的情况，其耐候性能相对一般，不适合制作耐工业大气环境的耐候螺栓。

对比例4是ni/cu比没有到达0.8的情况，由于没有添加足够的ni来弥补伴随cu增量带来的轧制过程中钢热延展性的降低，导致轧制时钢发生脆断堆钢。

对比例5是(ti+v)/n没有达到5.5的情况，虽然成分范围和生产工艺符合要求，但盘条成品晶粒较粗，钢的塑性和冷加工性能不足，不适合直接拉拔制作非调质螺栓。

对比例6为目前市场上常用的调质型冷镦钢，不具有耐候性能，使用时也需退火和调质处理，在未进行前期退火和紧固件调质处理的情况下，拉拔变形量过大损害材料，冷镦易开裂，同时所制紧固件的强塑性均较低。

上述参照实施例对一种耐候紧固件用非调质冷镦钢、耐候紧固件及二者的生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。