一种耐延迟断裂合金螺栓材料及其生产工艺的制作方法

1.本发明涉及合金螺栓的制造技术领域，尤其涉及一种耐延迟断裂合金螺栓材料及其生产工艺。


背景技术：

2.紧固件在机械构件中起到联接、定位和密封等作用，其中螺栓用量最大。螺栓作为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。随着制造业技术的发展，对螺栓的质量可靠性和稳定性要求进一步提高，同时，对螺栓材料的强度、延迟断裂性能等都提出了更高的要求。
3.现有的螺栓往往存在强度和耐延迟断裂性能不均衡的问题，随着螺栓强度的提高，特别是当抗拉强度超过1200mpa时，延迟断裂就变得十分突出，这是螺栓高强度化时遇到的一个最主要问题。高强度螺栓属于缺口零件，具有很好的缺口敏感性，容易在缺口应力集中的部位产生延迟断裂，因而其使用范围受到了限制。除此之外，市面上的螺栓还或多或少存在着硬度、加工性能有待进一步改善，生产成本较高的缺陷。
4.为了解决上述问题，申请号为201380015695.4的中国专利文献报道了一种加硼高强度螺栓用钢，即使为1100mpa以上的抗拉强度，耐延迟断裂性仍优异，然而该硼钢的抗回火软化的能力比低合金结构钢低，其回火温度要低50-100℃，因此以该材料制成的螺栓的延迟断裂敏感性相对较大，同时该材料并不能满足1400mpa以上抗拉强度的使用，其局限性较大。
5.因此，开发一种强度高，耐延迟断裂性能好，硬度足，加工性能佳，生产成本低廉的耐延迟断裂合金螺栓材料及其生产工艺符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进高性能螺栓领域的发展具有非常重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种强度高，耐延迟断裂性能好，硬度足，加工性能佳，生产成本低廉的耐延迟断裂合金螺栓材料及其生产工艺。该生产方法简单易行，耗能低，设备投资小，生产效率和成品合格率高，适合连续规模化生产。
7.为达到以上目的，本发明提供一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其特征在于，是由如下按重量百分比计的各化学成分制成：c 0.03-0.06%、si 0.6-0.9%、mn 1.2-2.0%、y 0.03-0.1%、zr 2-4%、sn 0.3-0.6%、ta 0.1-0.4%、b 0.003-0.006%、mo 2-3%、ga 0.01-0.03%、sr 0.005-0.01%、sc 0.02-0.05%、ni 8-10%、n 0.004-0.01％、稀土元素0.002-0.004%、s≤0.001%、f≤0.001%、p≤0.01%、硼化钛0.01-0.03%，余量为fe。
8.优选的，所述稀土元素为gd、pr、ce按质量比1:(2-4):(1-3)。
9.优选的，所述硼化钛为二硼化钛，粒径为100-300目。
10.本发明的第二个目的，在于提供一种所述耐延迟断裂合金螺栓材料的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：按配比将原料铁、铁碳中间合金、铁硅中间合金、铁锰中间合
金、铁钇中间合金、铁锆中间合金、铁锡中间合金、铁钽中间合金、铁硼中间合金、铁钼中间合金、铁镓中间合金、铁钪中间合金、铁锶中间合金、铁镍中间合金、氮、稀土元素、二硼化钛、s、p和f在真空感应炉中冶炼，浇注得到钢锭；接着将所述钢锭加热至一定温度后，依次经过保温、锻造、热处理，得到耐延迟断裂合金螺栓材料。
11.优选的，所述一定温度为950-1100℃。
12.优选的，所述保温时间为2-5h。
13.优选的，所述锻造的终锻温度为850-1050℃。
14.优选的，所述热处理包括正火、淬火和回火处理。
15.优选的，所述正火温度 500-660℃，保温时间为25-35分钟；冷却方式为空冷。
16.优选的，所述淬火处理为分级淬火，加热至900-960℃后保温30-40min，之后油淬，待冷至室温后重新加入到400-490℃，保温35-45min，保温结束后取出空冷。
17.优选的，所述回火温度为300-380℃，保温时间1-2小时。
18.由于上述技术方案的运用，本发明具有以下有益效果：（1）本发明公开的耐延迟断裂合金螺栓材料的生产工艺，采用传统设备即可实现，操作简单易行，耗能低，设备投资小，生产效率和成品合格率高，适合连续规模化生产。
19.（2）本发明公开的耐延迟断裂合金螺栓材料，由如下按重量百分比计的各化学成分制成：c 0.03-0.06%、si 0.6-0.9%、mn 1.2-2.0%、y 0.03-0.1%、zr 2-4%、sn 0.3-0.6%、ta 0.1-0.4%、b 0.003-0.006%、mo 2-3%、ga 0.01-0.03%、sr 0.005-0.01%、sc 0.02-0.05%、ni 8-10%、n 0.004-0.01％、稀土元素0.002-0.004%、s≤0.001%、f≤0.001%、p≤0.01%、硼化钛0.01-0.03%，余量为fe；各化学成分和配比相互配合，共同作用，使得制成的螺栓材料强度高，耐延迟断裂性能好，硬度足，加工性能佳，生产成本低廉；能有效延长材料的使用寿命。
20.（3）本发明公开的耐延迟断裂合金螺栓材料，生产工艺中的所述热处理包括正火、淬火和回火处理；结合了三种热处理工艺的优势，使得制成的螺栓材料具有较高的耐延迟断裂性能、强度和耐腐蚀能力；提高材料表面的光洁度。
具体实施方式
21.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
22.实施例1一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其特征在于，是由如下按重量百分比计的各化学成分制成：c 0.03%、si 0.6%、mn 1.2%、y 0.03%、zr 2%、sn 0.3%、ta 0.1%、b 0.003%、mo 2%、ga 0.01%、sr 0.005%、sc 0.02%、ni 8%、n 0.004％、稀土元素0.002%、s≤0.001%、f≤0.001%、p≤0.01%、硼化钛0.01%，余量为fe。
23.所述稀土元素为gd、pr、ce按质量比1:2:1；所述硼化钛为二硼化钛，粒径为100目。
24.一种所述耐延迟断裂合金螺栓材料的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：按配比将原料铁、铁碳中间合金、铁硅中间合金、铁锰中间合金、铁钇中间合金、铁锆中间合金、铁锡中间合金、铁钽中间合金、铁硼中间合金、铁钼中间合金、铁镓中间合金、铁钪中间合金、铁锶中间合金、铁镍中间合金、氮、稀土元素、二硼化钛、s、p和f在真空感应炉中冶炼，浇
注得到钢锭；接着将所述钢锭加热至一定温度后，依次经过保温、锻造、热处理，得到耐延迟断裂合金螺栓材料。
25.所述一定温度为950℃；所述保温时间为2h；所述锻造的终锻温度为850℃。
26.所述热处理包括正火、淬火和回火处理；所述正火温度 500℃，保温时间为25分钟；冷却方式为空冷；所述淬火处理为分级淬火，加热至900℃后保温30min，之后油淬，待冷至室温后重新加入到400℃，保温35min，保温结束后取出空冷；所述回火温度为300℃，保温时间1小时。
27.实施例2一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其特征在于，是由如下按重量百分比计的各化学成分制成：c 0.04%、si 0.7%、mn 1.4%、y 0.05%、zr 2.5%、sn 0.4%、ta 0.2%、b 0.004%、mo 2.3%、ga 0.015%、sr 0.007%、sc 0.03%、ni 8.5%、n 0.006％、稀土元素0.0025%、s≤0.001%、f≤0.001%、p≤0.01%、硼化钛0.015%，余量为fe。
28.所述稀土元素为gd、pr、ce按质量比1:2.5:1.5；所述硼化钛为二硼化钛，粒径为150目。
29.一种所述耐延迟断裂合金螺栓材料的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：按配比将原料铁、铁碳中间合金、铁硅中间合金、铁锰中间合金、铁钇中间合金、铁锆中间合金、铁锡中间合金、铁钽中间合金、铁硼中间合金、铁钼中间合金、铁镓中间合金、铁钪中间合金、铁锶中间合金、铁镍中间合金、氮、稀土元素、二硼化钛、s、p和f在真空感应炉中冶炼，浇注得到钢锭；接着将所述钢锭加热至一定温度后，依次经过保温、锻造、热处理，得到耐延迟断裂合金螺栓材料。
30.所述一定温度为1000℃；所述保温时间为3h；所述锻造的终锻温度为900℃。
31.所述热处理包括正火、淬火和回火处理；所述正火温度 540℃，保温时间为27分钟；冷却方式为空冷；所述淬火处理为分级淬火，加热至920℃后保温32min，之后油淬，待冷至室温后重新加入到420℃，保温37min，保温结束后取出空冷；所述回火温度为330℃，保温时间1.2小时。
32.实施例3一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其特征在于，是由如下按重量百分比计的各化学成分制成：c 0.045%、si 0.75%、mn 1.7%、y 0.07%、zr 3%、sn 0.45%、ta 0.25%、b 0.0045%、mo 2.5%、ga 0.02%、sr 0.008%、sc 0.035%、ni 9%、n 0.007％、稀土元素0.003%、s≤0.001%、f≤0.001%、p≤0.01%、硼化钛0.02%，余量为fe。
33.所述稀土元素为gd、pr、ce按质量比1:3:2；所述硼化钛为二硼化钛，粒径为200目。
34.一种所述耐延迟断裂合金螺栓材料的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：按配比将原料铁、铁碳中间合金、铁硅中间合金、铁锰中间合金、铁钇中间合金、铁锆中间合金、铁锡中间合金、铁钽中间合金、铁硼中间合金、铁钼中间合金、铁镓中间合金、铁钪中间合金、铁锶中间合金、铁镍中间合金、氮、稀土元素、二硼化钛、s、p和f在真空感应炉中冶炼，浇注得到钢锭；接着将所述钢锭加热至一定温度后，依次经过保温、锻造、热处理，得到耐延迟断裂合金螺栓材料。
35.所述一定温度为1020℃；所述保温时间为3.5h；所述锻造的终锻温度为950℃。
36.所述热处理包括正火、淬火和回火处理；所述正火温度 620℃，保温时间为30分
钟；冷却方式为空冷；所述淬火处理为分级淬火，加热至940℃后保温35min，之后油淬，待冷至室温后重新加入到460℃，保温40min，保温结束后取出空冷；所述回火温度为360℃，保温时间1.5小时。
37.实施例4一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其特征在于，是由如下按重量百分比计的各化学成分制成：c 0.055%、si 0.85%、mn 1.8%、y 0.09%、zr 3.5%、sn 0.55%、ta 0.35%、b 0.005%、mo 2.9%、ga 0.025%、sr 0.008%、sc 0.045%、ni 9.5%、n 0.009％、稀土元素0.0035%、s≤0.001%、f≤0.001%、p≤0.01%、硼化钛0.028%，余量为fe。
38.所述稀土元素为gd、pr、ce按质量比1:3.5:2.8；所述硼化钛为二硼化钛，粒径为280目。
39.一种所述耐延迟断裂合金螺栓材料的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：按配比将原料铁、铁碳中间合金、铁硅中间合金、铁锰中间合金、铁钇中间合金、铁锆中间合金、铁锡中间合金、铁钽中间合金、铁硼中间合金、铁钼中间合金、铁镓中间合金、铁钪中间合金、铁锶中间合金、铁镍中间合金、氮、稀土元素、二硼化钛、s、p和f在真空感应炉中冶炼，浇注得到钢锭；接着将所述钢锭加热至一定温度后，依次经过保温、锻造、热处理，得到耐延迟断裂合金螺栓材料。
40.所述一定温度为1070℃；所述保温时间为4.5h；所述锻造的终锻温度为1040℃。
[0041] 所述热处理包括正火、淬火和回火处理；所述正火温度 650℃，保温时间为33分钟；冷却方式为空冷；所述淬火处理为分级淬火，加热至950℃后保温38min，之后油淬，待冷至室温后重新加入到470℃，保温43min，保温结束后取出空冷；所述回火温度为370℃，保温时间1.8小时。
[0042]
实施例5一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其特征在于，是由如下按重量百分比计的各化学成分制成：c 0.06%、si 0.9%、mn 2.0%、y 0.1%、zr 4%、sn 0.6%、ta 0.4%、b 0.006%、mo 3%、ga 0.03%、sr 0.01%、sc 0.05%、ni 10%、n 0.01％、稀土元素0.004%、s≤0.001%、f≤0.001%、p≤0.01%、硼化钛0.03%，余量为fe。
[0043]
所述稀土元素为gd、pr、ce按质量比1:4:3；所述硼化钛为二硼化钛，粒径为300目。
[0044]
一种所述耐延迟断裂合金螺栓材料的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：按配比将原料铁、铁碳中间合金、铁硅中间合金、铁锰中间合金、铁钇中间合金、铁锆中间合金、铁锡中间合金、铁钽中间合金、铁硼中间合金、铁钼中间合金、铁镓中间合金、铁钪中间合金、铁锶中间合金、铁镍中间合金、氮、稀土元素、二硼化钛、s、p和f在真空感应炉中冶炼，浇注得到钢锭；接着将所述钢锭加热至一定温度后，依次经过保温、锻造、热处理，得到耐延迟断裂合金螺栓材料。
[0045]
所述一定温度为1100℃；所述保温时间为5h；所述锻造的终锻温度为1050℃。
[0046]
所述热处理包括正火、淬火和回火处理；所述正火温度660℃，保温时间为35分钟；冷却方式为空冷；所述淬火处理为分级淬火，加热至960℃后保温40min，之后油淬，待冷至室温后重新加入到490℃，保温45min，保温结束后取出空冷；所述回火温度为380℃，保温时间2小时。
[0047]
对比例1
本例提供一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是：化学成分不包括y和zr。
[0048]
对比例2本例提供一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是：化学成分不包括sn和ta。
[0049]
对比例3本例提供一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是：化学成分不包括ga和sr。
[0050]
对比例4本例提供一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是：化学成分不包括sc和稀土元素。
[0051]
对比例5本例提供一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是：化学成分不包括硼化钛。
[0052]
对比例6本例提供一种耐延迟断裂合金螺栓材料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是：热处理不包括正火。
[0053]
为了进一步说明本发明实施例中所涉及的耐延迟断裂合金螺栓材料的有益技术效果，对实施例1-5及对比例1-6所述的耐延迟断裂合金螺栓材料按照相应国标进行性能测试，测试结果见表1。具体测试方法如下：根据国家标准gb/t 228-2002以及gb/t 3098 .1-2000测试样品的拉伸性能；在th300型洛氏硬度计上测量样品的洛氏硬度值，取三个点测试硬度值，取其平均值；以恒载荷缺口拉伸试验(clt)和慢应变速率拉伸试验(ssrt)两种方法分别在恒载荷缺口拉伸试验机和慢应变速率拉伸试验机上测试了样品的延迟断裂性能，氢脆敏感性指数值越低，材料的耐延迟断裂性能越好。
[0054]
从表1可见，本发明实施例公开的耐延迟断裂合金螺栓材料，与对比例产品相比，具有更优异的强度、硬度和延长断裂性能，这是各成分协同作用的结果。
[0055]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术
人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。