螺栓钢(含调质处理高强度螺栓)

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! ! 螺
栓
钢
图! ! " # 热轧材的抗拉强度和面缩率的关系
! ! $ % $ ! $ # 从坯料到螺栓的力学性能的变化 在螺栓制造过程中必须注意性能的变化。图 ! ! " & 所示就是 一例。
图! ! " & 从坯料到螺栓性能的变化
’ ( ) * + , 冷拔后的抗拉强度的变化用 ! ! !/# $ 0 ! - .& " （1 ） ， 为面缩率， 用 表示。 , 2 ! & 3 " & 4 3 " 上述数据决定了 + 4 41 , 2非调质螺栓用线材所需要的力学 性能。
! ! " ) 抗延迟断裂螺栓钢 * + , $
用于汽车发动机的抗延迟断裂钢 （ ， $ 0 % * : ; < $ ; : > # $ ? % @ # ; A % ; ; < = ） 来说， 汽车发动机的输出功率越高， 汽车安全性也越重要， 抗 B C , 拉强度超过. ， 就有可能发生低应力氢致延迟断裂， 因此 + & &/ 7 $ 要求钢具有抗延迟断裂性。延迟断裂是沿晶破断的一种， 可以强 化晶 界 设 计 成 分， 采 用 高 温 回 火 的 方 法 改 善 抗 延 迟 断 裂 性 能。 、 B C , * +钢的化学成分和以往使用的 , ) # 2 5 & , ) / 2 5 8 比较钢的成 分列于表. 。钢水要求纯净化， 因此需要炉外精炼。 . * 2
表! （ 8） ! ) * 化学成分
项 目 钢 ; ) 4 < = ; ) 4 < 调 质 > ? + ? ! 1 # & 4 1 5 ! 6 1 5 6 1 5 # & + * 1 5 1 # 1 5 7 ’ 1 5 7 ! $ 9 ! 5 & ( ! 5 & 6 1 5 ( # 4 : 1 5 ! & ) , 1 5 1 6 . 1 5 ! ! 1
表! （ D） ! ) * + , $的化学成分
钢 种 ) & ’ 5 2 & ’ 5 . & ’ 5 8 , & ’ 5 2 & ’ 5 . & ’ . ( / 0 & ’ 5 1 & ’ 1 + & ’ 1 E 7 & ’ & . . & ’ & . E & ’ & . ( , & ’ & & 1 & ’ & . & & ’ & . & ) # . ’ + 1 & ’ ( 8 & ’ ( 8 / " & ’ 2 & & ’ & 8 & ’ . E 3 4 & ’ & . ( 痕迹 痕迹
（含调质处理高强度螺栓） ! ! 螺栓钢
! ! " ! 高强度钢的延迟破坏和氢陷阱的热处理作用
! ! " ! " ! 调质钢的回火处理 一般来说马氏体钢的回火是对马氏体的脆性进行调质 （使其韧 性化） ， 其后才能应用。作为高强度螺栓的马氏体钢的回火处理可 改善抗氢致断裂， 具有更深层的意义。对于氢气来说， 强度越高， 成 为氢陷阱的位错密度越大， 因此钢的吸氢量越多对氢致脆化越敏 感。所以提高强度的同时抑制位错密度增长是开发高强度螺栓钢 的思考方向。图 ! 当# ! " ! 示出一例， $ % & & ’和 ( ) # * 在同一强度 则( ! + , ’% .时， ) # *的位错密度经高温/ 0 ’ 1回火后大幅度下降， 因此它的抗氢脆性优越。( ) # *属于实用化了的! * 2 螺栓钢。这是 、 3 4细化晶粒和 3 4 5 共同提高抗回火软化性能的结果。
; ; / < ; %= 高强度螺栓钢 ! " # $ %
& & %
! ! " # ! $% 高强度螺栓钢 & ’ ( ) $
! ! " # " ! ! $% 螺栓钢的化学成分与性能 ! " # $ %在化学成分上是将 ! " # $ & 的化学成分作了进一步优 化， 、 提高了 (、 、 并加 # ’ 更加纯净， ) * + ,含量， . / % & 0。因此， 和! 并强韧化了晶界， " # $ &相比进一步提高了抗回火软化性能， 使形变热处理 （ ） 后晶界更加纯净化， 因而抗延迟断裂性 1 2 3 4 * 5 6 7 8 9 能提高了一步。! 同 、 钢的化学成分列于表 " # $ % ! " # $ &# ( ) : : . 。与 相比， 的抗延迟断裂性能提高了一级， 成 ; ; $ < ! " # $ & ! " # $ % 为; %= 螺栓钢。该钢已实用化。
高频回火 脱气处理 缓冷 烘烤 加) 、 ， 高) * + * , 、 ， 增加 加 .、 ) , / * ， 高温回火 $ %
’
降低钢中氢
(
抑制从环境吸氢
增强表面阻挡层 减少内部氢陷阱 利 用 微 细 碳 化 物， 形成氢 陷阱
-
氢无害化
除上述外， 调质钢可利用 0 替代部分高价金属保淬透性。
! ! " # $ %& %& ’级和( ’级高韧性非调质螺栓用线材
晶界碳化物形态控制 ）抑制板状碳化物析出 （ ! （ ）转变成粒状碳化物 # 加细化晶粒元素 形变热处理 （-(-）
# /
细化晶粒 超细组织
7 ! -
! ! 螺
栓
钢 续表! ! " !
序号 # &
视
点
Βιβλιοθήκη Baidu
方
法
具体措施 高温回火 增加 $ %
降低晶内应变 晶内碳化物微细分 散 晶内裂纹源 （碳 化物） 微细 化， 降低位错堆积 制 钢时 的 各 个 环 节： 冶 炼、 铸造、 线材脱氢或防止氢进入 涂镀时脱氢
. . ’ 2 抗延迟断裂螺栓钢 B C , * +
+ + .
! ! " # " $ % &’ (级螺栓钢 （ ! " # $ % % "等设计了一种铌钛微合金化钢 & ’ & ( ) * & ’ + , * . ’ ( / 0 * ） ， 用其生产的盘条具有针状铁素体组织， 在 & ’ 1 ) # * & ’ & 2 3 4 * & ’ & 5 6 轧制状态下， 抗拉强度在( & &/ 7 $左右。他们的研究证实在 8 + 59 低温时效后既能增加强度， 又能提高冷镦紧固件的延性， 以满足 . & ’ (6 级螺栓的全部技术要求。
+ + -
! ! 螺
栓
钢
图! ! " # 回火温度与抗拉 强度的关系
图! ! " ! $ 抗拉强度对延迟 断裂强度的影响
图! ! " ! ! % & ’ " (的断口形貌
! ! ) * ) + ) + 冷成形性能 球化处理后的冷成形性能优于 % & ’ " (钢同 % , ’ , ! $钢相比， % , ’ , ! $钢。% & ’ " (钢在. * $ /、 01炉冷后临界压缩比为 2 $ 3。 % , ’ , ! $钢. * $ /、 01炉冷后临界压缩比为. * 3。 由以上研究可得到结论如下： （ ） ! % & ’ " (钢和! !4 级 ’ 5 6 $ 钢有同等或以上的延迟断 裂强度比 （延迟下限强度 ／ 缺口抗拉强度） 。 ）根据第 （ ） 点， （ + ! % & ’ " (钢可用于大型钢结构。 （ ）根据强度级别 % ( & ’ " (钢可用于汽车发动机的连杆与汽缸 的连接。
图! ! " ! 高温回火位错密度变小的强化示例
! ! " ! " # 螺栓烘烤的意义 螺栓制造工艺中的烘烤实际是把有害氢转移到高能陷阱。
! ! 8 # 调质螺栓钢的抗延迟断裂性能的改善方法
# ! 9
在螺栓生产工艺中的烘烤操作就是脱钢中第一峰氢。实际上 氢穿越镀锌层是困难的， 烘烤后仍有残存。只是把有害氢转移为 无害的非扩散氢， 见图 ! 。随着烘烤温度的升高， 氢气放出速 ! " # 度峰值向高于烘烤的高温方向转移。没有烘烤的高峰值在 # $ $ ! 扩散氢在烘烤后消失； 而在较高温进行烘烤后变成非 ! $ $ %之间， 扩散氢， 峰值向更高温移动。
表! 、 、 （ 0） ! ) # & ’ ( ) $ & ’ ( ) * ( + , .化学成分设计及 & ’ ( ) $成分优化
图; 该钢的抗回 ; $ >示出 ! " # $ %钢回火温度与抗拉强度关系， 火软化性显著提高， 表现出二次硬化现象。图 ; ; $ ; . 示出 ; %= 级 ! " # $ %钢的抗延迟断裂性能。 ! ! " # " * & ’ ( ) $的实用性能 ; ; / < / & / ; 断口形貌 图; 从图可以看出 # ; $ ; ;所示是 ! " # $ % 的 断 口 形 貌， ( ) : : . （ 的断口为沿晶断口， 而! （ 为韧塑性断口。 < & . ?回火） " # $ % @ & . ?回火）
非调质
! ! 0 1 ( -7 -7 8级和9 8级高韧性非调质螺栓用线材
# ! 9
表! ! " #列出了非调质钢 $ % & ’ ( )同 $ % & ’ (以及调质钢 * + , + ! . /的化学成分。单从化学成分看 $ % & ’ ( ) 合金成本显著 地高， 但是应考虑螺栓制造的总成本， 而$ % & ’ ( ) 则具有显著的 社会效益和对螺栓制造厂的支持力， 这种支持力来源于下游企业 用户。 ! ! 0 1 0 ! 0 # 材质设计与控制 本钢材质为铁素体加珠光体。因为这种组织对线材抗拉强度 的波动性影响小， 为严格控制成分， 采用钢包冶炼。 ! ! 0 1 0 ! 0 1 热轧材的组织与性能 利用钢中的 % 细化晶粒， 为在热轧后得到 2进行热机械处理， 微细的铁素体加珠光体组织， 采用低温控制轧制加控制冷却技术。 热轧后 的 组 织 见 图 ! ， 从 图 可 以 看 出： 与 其 他 两 种 钢 相 比， ! " 1 $ % & ’ ( ) 组织细化明显。
图! ! " # 烘烤后扩散氢的变化
! ! " # 调质螺栓钢的抗延迟断裂性能的改善方法
淬火回火螺栓钢的抗延迟断裂性能的改善方法见表! 。 ! " !
表! ! $ ! 淬火回火螺栓钢的抗延迟断裂性能的改善方法
序号 视 点 纯净化 ! 强化原 "晶界 方 法 具体措施 重在减少 & 、 ， 降 ’ ( )抑制 ( ) ’偏析 对于 （ 采用高温 !） 增加 回火， 对于 （#） ( *量 加+ 、 , . 0 1 2 3 * 4 5 . ) 7 高频 6 回火
为了冷镦成形， 需要球化退火 12 # & 4 钢， 3级螺栓以往用 + 处理， 为得到所需要的高强度和韧性， 成形后还需施以淬火回火调 质处理， 这与非调质钢相比， 浪费时间和能源， 因此， 该钢非调质化 很有必要。 ! ! " # " ! $ %& ’级高韧性非调质螺栓钢的化学成分和生产 ! ! 5 6 5 ! 5 ! 12 3级非调质钢的化学成分 级非调质钢的化学成分见表 。 12 ! ! " 7 3
图! ! " 1 光学组织
热轧状态的抗拉强度和面缩的关系如图 ! ! " . 所示。从图看 出： 低温控制轧制加控制冷却材 $ % & ’ ( ) 明显优于其他三种钢， 特别优于 , 。 . / & 球化处理材。镦锻试验结果见表! ! " 1
表! ! " # 冷镦临界压缩比
$ % & ’ ( ) $ % & ’ ( * + , + ! . / 热轧冷拔 热轧冷拔 球化冷拔 ! ( 3 ／ !"4 ! 0 / ! ( 3 ! ( 3
’ ’ ’
! ! 螺
栓
钢
图! ! " # $ % & " ’的强度
图! ! " ( $ % & " ’的延伸性
图! ! " ) $ % & " ’的抗拉强度与 延迟断裂时间 （评价）
$ % & " ’钢的抗延断裂在强度 ! * + +!! , + +. /内显然优于比 较钢 & （标准为! ） 。 0 * 1 ,钢。而断裂时间大于’ + +2 + +2
B C , * + , ) # 2 5 & , ) / 2 5 8
前者较低 / 、 、 B C , * +钢和比较钢相比， 0 7 , 可以减少晶界偏 析， 为提高晶界强度而加 3 ， 并且细化 !晶粒以促进晶界纯净化； 4 、 避开回火脆化温度， 允 提高 ) # / "含量主要是提高抗回火软化， 许采用高温回火。加 3 4后 B C , * +钢经高温回火后的强度得到大 幅度改善， 见图. 。 . * 1 作为. B C , * +钢经高温回火后性能显著改善， & ’ (6 螺栓用钢 回火温度可以提高到8 8 & F以上。 。 B C , * +钢的延伸性和抗延迟断裂性见图. . * E和图. . * G