CN104046903B - 13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条及其制造方法 - Google Patents

Abstract

13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C0.38～0.45％，Si0.05～0.20％，Mn0.30～0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr0.85～1.35％，Mo0.45～0.65％，V0.20～0.50％，Nb0.01～0.05％，B0.002～0.010％，Al0.005～0.020％，其余Fe和不可避免的杂质；盘条的金相组织为贝氏体为主，其含量≥95％。本发明盘条的抗拉强度不小于1100MPa，屈服强度不小于900MPa，面缩率不小于30％，其抗拉强度高，而且耐延迟断裂性能优良，经济效果好，完全满足13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件的技术要求。

Description

13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条及其制造 方法

技术领域

本发明属于紧固件材料领域，特别涉及抗拉强度1300～1499MPa且具有耐延迟断裂性能的高强度紧固件用盘条及其制造方法。

背景技术

冷镦钢是在室温条件下，利用金属塑性成型工艺，生产互换性较高的标准件用钢。与传统标准件的热锻或切削加工等工艺相比，改用冷镦工艺生产标准件后，操作简便，成本低，生产周期短，产品尺寸精度与表面光洁度好以及造型美观，金属利用率高，可不进行精加工或进行少量精加工，因此生产率高。此外在室温下进行加工，能量消耗低，产品内部组织致密，强度和韧性较高，可大大减轻制品的重量。因此冷镦工艺在机械制造中应用越来越广泛。

近年来，随着我国汽车、风电、机械、建筑、轻工业等各个行业的高速发展，对制造各类紧固件(如螺栓、螺母等)等零件使用的材料提出了更高的要求，如在汽车的高性能和轻量化、建筑结构的高层化以及大桥的超长化、风电行业的大规格化等方面，对作为联接部件的紧固件以及其他冷镦成型零件提出了高设计应力和轻量化的要求，在这方面尤以汽车制造业的要求最强烈，原有的汽车用紧固件等，尤其是发动机螺栓已难以满足汽车发动机高应力化的要求。对此，最有效的措施便是紧固件用冷镦钢的高强度化，如在美国，汽车使用的螺栓强度级别均在9.8级以上。目前部分汽车、建筑机械、风电等用紧固件等甚至要求抗拉强度大于1400MPa。随着紧固件等产品强度的大幅度增加，对原材料的表面质量和耐延迟断裂性能也提出了更高要求。

在高强度材料开发方面，高强度紧固件连接是继铆接、焊接之后发展起来的一种新型连接形式，它具有承接能力高、受力性好、耐疲劳、不松动、较安全及施工简便、可拆换等优点，世界各国一直在进行研究开发。

随着紧固件材料强度的提高，特别是当抗拉强度超过1200MPa时，延迟断裂就变得十分突出，这是低合金回火马氏体钢高强度化时遇到的一个最主要的问题。高强度紧固件属于缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位如杆与头部的过渡处或螺纹根部产生延迟断裂。因此，高强度紧固件的延迟断裂是一个十分典型的事例。例如在日本，以前对抗拉强度超过1200MPa的螺栓钢多采取消极回避的办法。在1967年JISB1186标准修订中，螺栓级别分为F8T、F10T、F11T，明确废止F13T级螺栓；在1981年，铁道桥则中止使用F11T级螺栓。80年代初期，美国通用汽车公司由于安装在轿车底部控制架上的两个12.9级螺栓发生延迟断裂，前后发生了27次交通事故，最终在640万辆轿车上更换了这两种螺栓。

2000年以来，随着紧固件需求的增长，国外特别是日本等国家对耐延迟断裂的高强度紧固件用冷镦钢钢进行了广泛的研究开发，先后开发出了一系列耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢如日本住友金属公司的ADS系列、神户制钢的KNDS系列等。

北京钢铁研究总院自1997年起负责承担了国家“973”项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”中的1500MPa级合金结构钢课题，在理论研究的基础上，成功地设计出1300～1600MPa级的新一代耐延迟断裂高强度结构钢ADF系列及其制造技术，填补了国内空白。采用ADF系列钢开发的多种高强度螺栓首先于2003年在南京依维柯汽车公司投入工业化批量生产应用，累计装车近10万辆，使用性能良好。

现有用于耐延迟断裂高强度紧固件用材料如下：

中国专利号00105872.X公开的“耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢”，其具体化学成分(重量％)为：C0.25～0.50，Si0.10～0.4，Mn≤0.5，Cr0.50～1.50，Mo0.30～1.50，V0.10～0.40，RE0.001～0.05，Al0.005～0.10，N≤0.02，P≤0.015，S≤0.01，根据需求还可加入0.005～0.1的Ti、Nb中的一种或两种之和，其余为Fe及不可避免的杂质。该钢冶炼后浇铸成钢锭或连铸成坯，经开坯后轧制成棒线材等产品，它不仅抗拉强度高，而且耐延迟断裂性能优良。该高强度螺栓钢成分设计特点为高Si且含有合金元素V、Nb、RE；

中国专利号01129517.1公开了一种耐延迟断裂高强度钢，适用于抗拉强度为1200～1400MPa和具有良好塑性和耐延迟断裂性能的高强度钢。其成分(重量％)为：C0.3～0.45，Si0.01～0.09，Mn≤0.3，P≤0.015，S≤0.01，Cr0.5～1.5，Mo0.3～0.69，Nb0.005～0.1，RE0.002～0.04，Al0.005～0.05，N0.006～0.015，Ti、Zr、V中任意一种或两种之和为0.005～0.19，其余为Fe及不可避免的杂质。该高强度钢含有合金元素Nb、RE。

中国专利号01129512公开的高强度螺栓用钢，适用于抗拉强度为1400～1600MPa，同时具有良好耐延迟断裂性能的高强度螺栓钢。该钢的具体成分(重量％)为：C0.35～0.5，Si0.01～0.09，Mn≤0.30，P≤0.010，S≤0.008，Cr0.5～1.5，Mo0.7～1.5，V0.20～0.50，Nb0.01～0.08，RE0.002～0.04，Al0.005～0.05，N0.006～0.015，Ti和Zr中的任意一种或两种之和为0.01－0.15，其余为Fe及不可避免的杂质。该螺栓用钢成分也含有合金元素Nb、RE。

以上三个专利都不含B元素，且都是加RE元素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条及其制造方法，其抗拉强度不小于1100MPa，屈服强度不小于900MPa，面缩率不小于30％，其抗拉强度高，而且耐延迟断裂性能优良，经济效果好，完全满足13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件的技术要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条，其化学成分重量百分比为：C0.38～0.45％，Si0.05～0.20％，Mn0.30～0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr0.85～1.35％，Mo0.45～0.65％，V0.20～0.50％，Nb0.01～0.05％，B0.002～0.010％，Al0.005～0.020％，其余Fe和不可避免的杂质；盘条的金相组织为贝氏体为主，其含量≥95％。

本发明通过添加微合金元素V、Nb、B来提高盘条的原始强度和材料热处理后的耐延迟断裂性能。

在本发明钢的成分设计中：

钒是强碳化物形成元素，与铬具有相近的特性，钒的添加含量甚微，一般都在0.50％以下；且能够细化晶粒，在较高温度回火时析出的碳氮化钒除可进一步提高钢锭强度外，还由于碳氮化钒具有较强的陷阱能，能够铺集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，从而改善钢的耐延迟断裂性能；但其与氮的亲和力大于铝。因而炼钢时N与Al的含量必须严格控制，控制不当会减少阻止晶粒长大的氮化铝，形成实际粗晶粒，使其韧性下降。

铌是具有最强的细化晶粒、延迟奥氏体再结晶和沉淀强化的作用，可作为控轧控冷钢中理想的添加元素，加入微量的铌(含量低于0.05％)可显著提高材料的强度和韧性，铌在盘条加热和粗轧时能抑制奥氏体晶粒长大，在精轧时抑制奥氏体再结晶；精轧后起到析出强化作用；且初始固溶于γ相的铌能增强钢的淬透性，在中高碳钢中，添加铌会提高材料淬火回火后的抗延迟断裂能力；铌还可以提高碳氮化物的细化程度和分布的均匀性，从而更加有效地固定氢。

硼是提高材料淬透性的元素，钢中加入硼有利于将钢的高强度同良好可焊性和抗冷脆能力相结合；对材料的屈服强度(Rp_0.2)、抗拉强度(Rm)、疲劳强度、耐磨性和抗氢致晶间断裂的能力等都有不同程度的改善话提高；每0.001％的B中提高淬透性方面所起的作用相当于w为Mn0.85％、Ni2.4％、Cr0.45％、Mo0.35％。硼元素对高强度中低碳贝氏体钢的力学性能有明显的影响。在其它成分基本一致，冷却和回火制度相同的情况下，含硼钢的屈服强度、抗拉强度和伸长率均比不含硼钢高。

钢中碳元素的均匀性，对中碳合金钢而言，碳在钢中的均匀性，对材料的力学性能、金相组织的均匀性至关重要，因此对钢坯中心碳和中心碳偏析(钢坯中心碳/钢水熔炼碳)作如下控制：钢坯中心碳：≤0.95％；钢坯中心碳偏析(钢坯中心碳/钢水熔炼碳)：≤1.05％。

夹杂物(含量)控制：夹杂物是影响钢材疲劳寿命的主要因素之一。为此，对钢中夹杂物的控制要求如下：按GB/T10561标准检验：A≤2.0级、B≤1.5级、C≤1.5级、D≤1.5级；按JISG0555标准检验：夹杂物含量总和≤0.1％。

控制S、P、H、O、N含量及残余元素：对钢水的S、P、H、O、N含量及残余元素控制如下：S≤0.015％、P≤0.015％、H≤2ppm、O≤20ppm、N≤40ppm、Cu≤0.05％。

盘条的金相组织：盘条贝氏体含量≥95％(面积比)。

盘条的脱碳深度：盘条应进行脱碳层深度检验，盘条一边总脱碳层(铁素体+过渡层)深度不得大于盘条公称直径的1.0％。

盘条的力学性能：抗拉强度不小于1100MPa，屈服强度不小于900MPa，面缩率不小于30％。

本发明的13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条的制造方法，其包括如下步骤：

a)冶炼、炉外精炼及浇铸

按下述成分冶炼，其化学成分重量百分比为：C0.38～0.45％，Si0.05～0.20％，Mn0.30～0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr0.85～1.35％，Mo0.45～0.65％，V0.20～0.50％，Nb0.01～0.05％，B0.002～0.010％，Al0.005～0.020％，其余Fe和不可避免的杂质；炉外精炼采用钢精炼炉法和真空循环脱气法相结合，其中真空循环脱气法中真空度<2τ、保持18分钟以上、纯脱气时间大于8分钟、终温度为1510±10℃；浇铸采用连铸或模铸成方坯或钢锭，浇铸步骤中本体注速≥10分钟、补注时间≥4分钟；

b)初轧：

方坯或钢锭热装热送，采用加热炉或均热炉加热，钢坯或钢锭加热完毕待轧时间控制在2小时之内；

初轧机采用轻压下，初期压下及平轧道次压下量不超过70mm，成品钢坯尺寸为142×142～160×160mm²；

c)高速线材轧制，采用斯太尔摩线控制冷却。

进一步，冶炼步骤中转炉出钢过程中挡渣操作，渣厚<80mm，炉后配碳目标为0.35～0.45％；电炉冶炼过程中留钢操作后渣厚<80mm，炉后配碳目标为0.35～0.45％，以重量百分比计。

优选的，钢包精炼炉法中纯吹Ar渣洗时采用底吹Ar方式，纯渣洗时间为≥10分钟，F[O]控制在≤5ppm。

优选的，浇铸步骤中注余残钢量≥4吨。

优选的，步骤b)初轧步骤中，中间方坯确保在线热火焰机投入使用，进行四面清理，钢坯单面表面清理1mm，确保大剪切头率≥15％、单锭大剪收得率≤82.5％，钢坯进行表面探伤及机械清理，探伤深度的精度≤0.3mm，以防止卷渣、缩孔等缺陷流入下工序，钢坯全脱碳厚度≤0.5％断面即≤0.7mm/142×142～160×160mm²。

优选的，步骤b)初轧步骤中待轧时间控制在2小时内、大剪切头率≥15％、单锭大剪收得率≤82.5％。

优选的，步骤c)高速线材轧制中，采用斯太尔摩线控制冷却的辊式运输线，盘条直径Φ5.5～10mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为0～100％；盘条直径Φ10.1～16mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为10.1～100％；盘条直径Φ16.1～25mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为0～100％。

优选的，步骤c)高速线材轧制中，钢坯加热炉出炉温度1080±20℃；在线温度控制：精轧机组进口温度950±25℃、减定径机组进口温度为880±25℃、吐丝温度为840±20℃。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比较，其抗拉强度不小于1100MPa，屈服强度不小于900MPa，面缩率不小于30％，其抗拉强度高，而且耐延迟断裂性能优良，经济效果好，完全满足13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件的技术要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明的13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条的制造方法采用如下两种工艺流程：

(1)脱硫铁水、转炉、炉外精炼、钢锭浇注、初轧均热、开坯、大剪切头尾、6HV连轧轧制142×142～160×160mm²、飞剪定尺剪切、钢坯探伤及表面机械清理、高线加热炉加热、高线控制轧制、高线斯太尔摩线控制冷却、盘条表面检验、取样检验、盘条打捆、挂牌、入库、出厂。

(2)废钢+脱硫铁水、电炉、炉外精炼、连铸、初轧加热、开坯、大剪切头尾、6HV连轧轧制142×142～160×160mm²、飞剪定尺剪切、钢坯探伤及表面机械清理、高线加热炉加热、高线控制轧制、高线斯太尔摩线控制冷却、盘条表面检验、取样检验、盘条打捆、挂牌、入库、出厂。

本发明实施例和对比例钢的成分参见表1，本发明实施例和对比例钢锭热处理制度、性能强度参见表2。

本发明高速线材轧制中，斯太尔摩线控制冷却：1)钢坯加热炉出炉温度：1080±20℃；2)在线温度控制：精轧机组进口温度950±25℃、减定径机组进口温度为880±25℃、吐丝温度为840±20℃；3)斯太尔摩线控制冷却：采用慢冷方式，其中保温罩部分打开，辊道速度控制和风机风量分别控制参见表3、4。

斯太尔摩线控制冷却的辊式运输线，盘条直径Φ5.5～10mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为0～100％；盘条直径Φ10.1～16mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为10.1～100％；盘条直径Φ16.1～25mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为0～100％。

表1 单位：重量％

表2

表3 辊道速度控制(米/秒)

表4 风机风量分别控制

本发明实施例的耐延迟断裂试验方法是：应力环腐蚀试验；腐蚀实验的溶液为ph＝3.5±0.5的Walpole缓蚀液(16.4克无水醋酸钠+15.4毫升一级品浓盐酸+1000毫升脱离子水或蒸馏水)。

从表2看出，本发明钢平均断裂时间为85小时，最高可达200小时以上，比现有钢的平均断裂时间要长。

通过对材料优化设计及制造工艺设计，本发明所提供的抗拉强度1300～1499MPa且具有耐延迟断裂性能的高强度紧固件用盘条，其力学性能如下：抗拉强度不小于1100MPa，屈服强度不小于900MPa，面缩率不小于30％。本发明实施例中经优化的热处理工艺，材料在1300～1499MPa的强度水平下较对比钢种相同强度水平下的耐延伸断裂性能显著提高，与现有技术相比，本发明钢不仅抗拉强度高，而且耐延迟断裂性能优良，经济效果好，完全满足13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件的技术要求。

Claims (7)

1.13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条，其化学成分重量百分比为：C0.38～0.45％，Si 0.05～0.20％，Mn 0.30～0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 0.85～1.35％，Mo 0.45～0.65％，V 0.20～0.50％，Nb 0.01～0.05％，B 0.002～0.010％，Al0.005～0.020％，其余Fe和不可避免的杂质；盘条的金相组织为贝氏体为主，其含量面积比≥95％。

2.13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条的制造方法，其包括如下步骤：

a)冶炼、炉外精炼及浇铸

按下述成分冶炼，其化学成分重量百分比为：C 0.38～0.45％，Si 0.05～0.20％，Mn0.30～0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 0.85～1.35％，Mo 0.45～0.65％，V 0.20～0.50％，Nb 0.01～0.05％，B 0.002～0.010％，Al 0.005～0.020％，其余Fe和不可避免的杂质；炉外精炼采用钢精炼炉法和真空循环脱气法相结合，其中真空循环脱气法中真空度<2τ、保持18分钟以上、纯脱气时间大于8分钟、终温度为1510±10℃；浇铸采用连铸或模铸成方坯或钢锭，浇铸步骤中本体注速≥10分钟、补注时间≥4分钟；

b)初轧：

方坯或钢锭热装热送，采用加热炉或均热炉加热，钢坯或钢锭加热完毕待轧时间控制在2小时之内；

初轧机采用轻压下，初期压下及平轧道次压下量不超过70mm，成品钢坯尺寸为142×142～160×160mm²；

c)高速线材轧制，钢坯加热炉出炉温度1080±20℃；在线温度控制：精轧机组进口温度950±25℃、减定径机组进口温度为880±25℃、吐丝温度为840±20℃；采用斯太尔摩线控制冷却，采用辊式运输线，盘条直径Φ5.5～10mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为0～100％；盘条直径Φ10.1～16mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为10.1～100％；盘条直径Φ16.1～25mm、每段辊道速度控制为0.79～1.39m/s，每台风机风量控制为0～100％。

3.如权利要求2所述的13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条的制造方法，其特征是，冶炼步骤中转炉出钢过程中挡渣操作，渣厚<80mm，炉后配碳目标为0.35～0.45％；电炉冶炼过程中留钢操作后渣厚<80mm，炉后配碳目标为0.35～0.45％，以重量百分比计。

4.如权利要求2所述的13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条的制造方法，其特征是，钢包精炼炉法中纯吹Ar渣洗时采用底吹Ar方式，纯渣洗时间为≥10分钟，F[O]控制在≤5ppm。

5.如权利要求2所述的13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条的制造方法，其特征是，浇铸步骤中注余残钢量≥4吨。

6.如权利要求2所述的13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条的制造方法，其特征是，步骤b)初轧步骤中，中间方坯确保在线热火焰机投入使用，进行四面清理，钢坯单面表面清理1mm，确保大剪切头率≥15％、单锭大剪收得率≤82.5％，钢坯进行表面探伤及机械清理，探伤深度的精度≤0.3mm，以防止卷渣、缩孔等缺陷流入下工序，钢坯全脱碳厚度≤0.5％断面。

7.如权利要求2所述的13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条的制造方法，其特征是，步骤b)初轧步骤中待轧时间控制在2小时内、大剪切头率≥15％、单锭大剪收得率≤82.5％。