专利名称：一种耐延迟断裂和耐松弛性能优异的高强度螺栓的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种主要用在汽车上的高强度螺栓的制备方法。更具体地说，本发明涉及一种实用的制备除具有1200N/mm2或更高的抗张强度(强度)外还具有延迟断裂抗性和应力松驰抗性性能优异的高强度螺栓的方法。
延迟断裂分为两种，一种是在没有腐蚀的环境中产生的，另一种是在腐蚀性环境中产生的。据说造成延迟断裂的因素错综复杂，因此难以确定主要因素。公知的抑制延迟断裂的控制因素有回火温度、钢的微结构、钢的硬度、钢的晶粒大小、各种合金元素的含量等。
目前还没有找到抑制延迟断裂的有效方法。现在提出的各种方法只不过是一种反复试验的方法。
日本未审公开专利60-114551、2-267243、3-243745等公开了一些改进延迟断裂抗性的技术。在这些技术中，通过调节各种主要合金元素的含量得到具有优异延迟断裂抗性的用于高强度螺栓的钢材，其抗张强度是1400N/mm2或更高。但是，这些技术不能完全消除产生延迟断裂的可能性。因此，用上述钢材制成的高强度螺栓的应用性是极其有限的。
另一方面，在高温下使用的固定螺栓(包括上述高强度螺栓)的另外一个问题是当其在使用时其屈服应力比降低，产生其紧固强度下降的现象。这种现象称为松驰(应力松驰)。具体来说，当不是淬火和回火钢的贝氏体钢、珠光体钢等用于螺栓时，得到的螺栓对这种现象的抗性很差(即，差的应力松驰抗性)。这种现象可能使螺栓拉伸，这将不能使螺栓保持其最初的紧固强度。因此，例如当螺栓用于和汽车发动机相关的用途时，螺栓必须具有令人满意的高松驰抗性能力。但是，传统上对高强度螺栓的松驰抗性能力不予考虑。
本发明的目的是解决上述问题，以提供一种实用的制备除了具有令人满意程度的1200N/mm2或更高的抗张强度外还具有优异的延迟断裂抗性和应力松驰抗性的高强度螺栓的方法。
如果需要，该方法中使用的钢材中还包括(a)Cr0.5％或更低(不包括0％)和/或Co0.5％或更低(不包括0％)，(b)选自于Mo、V和Nb等的一种或多种元素，其总含量是0.3％或更低(不包括0％)。
本发明的最佳实施方案本发明的发明人对传统的高强度螺栓的延迟断裂抗性差的原因进行了研究。结果发现在传统方法中，延迟断裂抗性的改进有限，在这些传统方法中，为了通过避免回火脆性、降低晶粒间偏析元素、降低晶粒大小等改进螺栓的延迟断裂抗性，用有回火马氏体结构的钢材制备螺栓。本发明的发明人深入研究后发现用下述方法可以进一步改进延迟断裂抗性1)制备含有预定珠光体结构的钢材和2)用较高的拉丝率将钢材加工(拉丝)成有较高横截面积压缩比的钢丝(以后称之为“重加工”或“重拉丝”)，使得到的螺栓的强度是1200N/mm2或更高。
根据本发明，必须将具有下述条件的钢材重拉丝具有先共析铁素体、先共析渗碳体、贝氏体和马氏体结构，这些结构的总面积低于该钢材的线材的全部横截面积的20％，其还有平衡量的珠光体结构(即，珠光体面积比大于80％)。对钢材结构进行这些限制的原因如下。
在上述结构中，当钢材中先共析铁素体和先共析渗碳体结构的比过大时，难以将钢材拉丝，因为沿着拉丝方向上产生了银。因此，不能进行这样的重拉丝，所以，不能得到强度是1200N/mm2或更高的螺栓。另外，钢材需要有少量的先共析渗碳体和马氏体结构以防止拉丝过程中钢材的线材出现钢丝断裂。另外，它需要包括非常少量的贝氏体结构。这是因为与珠光体相比，加工(拉丝)很少能使贝氏体硬化，因此它也不会由于重拉丝而使钢的强度升高。
相反，珠光体结构的量必须尽可能地高。这是因为珠光体结构通过捕获每一晶粒中渗碳体和铁素体界面上的氢原子而有助于降低氢原子在晶界上的积聚。因此，通过减少先共析铁素体、先共析渗碳体、贝氏体和马氏体等结构中至少一种结构的量就可使这些结构的总面积比降至低于20％，从而使珠光体结构的面积比升高至大于80％。得到的钢材具有优异的强度和延迟断裂抗性。珠光体结构的面积比优选是90％或更大，更优选是100％。
轧制或锻压的钢材(即没有进行拉丝的钢材)本身不具有制成螺栓形状的足够高的尺寸精度。另外，如果用这样的钢材生产高强度螺栓，得到的螺栓不具有1200N/mm2或更高的强度。因此，在本发明中，必须使轧制或锻压钢材进行拉丝处理。另外，这种拉丝能够将一部分珠光体结构中的渗碳体区域分散进更小的珠光体区域以提高其捕获氢原子的能力。另外，这种结构的晶粒会由于拉丝而沿着拉丝方向平展，从而防止裂纹扩大。这意味者如果线材没有进行拉丝，裂纹会沿着基本上垂直于拉丝方向的晶界(晶粒之间的界面)扩大，然而，在拉丝后的线材中，这种平展的晶粒堵塞了裂纹扩大方向上的晶界，这就防止了裂纹扩大。
另一方面，本发明的发明人还从改进成品螺栓的松驰性的观点出发进行了研究，结果证明对上述钢材进行重拉丝和为了将拉丝后的钢材制成预定的螺栓形状而进行冷墩后进行发蓝处理能够提高螺栓强度。这可极度改进得到的螺栓的松驰性能。换句话说，发蓝处理使C和N时效硬化，从而防止得到的螺栓发生塑性变形。这可达到提高螺栓强度和成品螺栓的屈服应力比的效果，同时，还可抑制螺栓在100-200℃下的热疲劳。为了达到这种效果，发蓝处理的温度必须在100-400℃的范围内。如果温度低于100℃，时效硬化不能令人满意。因此，增加的螺栓强度和屈服应力比太小，导致螺栓的松驰性能的改进不能令人满意。相反，如果发蓝处理的温度超过400℃，螺栓形状的钢材很可能软化，从而使螺栓强度急剧下降。
另外，为了达到上述效果，要求在上述温度范围内进行发蓝处理约30分钟至4小时。在本发明中，为了将拉丝后的钢材制成预定的螺栓形状，将该钢材进行冷墩(锻压)。原因如下冷墩比温墩或热墩(锻压)的生产成本低；而且，用热墩和温墩时，热量很可能使拉丝后的钢材软化，从而使拉丝后的珠光体结构无序，这样就达不到预定的强度。
用于生产本发明的高强度螺栓的钢材是有0.50-1.0％C的中碳钢或高碳钢。另外，这种钢材包括作为基本化学组成的0.5％或更低(不包括0％)的Si和0.2-1％的Mn。其还包括限量的0.03％或更低(包括0％)的P和0.03％或更低的S。对这些含量进行限制的原因将在下面分别进行说明。下面应当注意的是为了区分“线材”和“钢丝”，把将钢材热加工得到的丝或棒及将钢材热加工然后热处理得到的丝或棒称为“线材”，把将线材冷加工(包括拉丝)得到的丝或棒称为“钢丝”。
C0.50-1.0％C是提高螺栓强度的一种有效而经济的元素。随着钢材中C含量的增加，成品螺栓的强度增加。为了得到具有目标强度的螺栓，用于生产螺栓的钢材需要含有0.50％或更高的C。但是，当C含量大于1.0％时，先共析渗碳体的沉淀量很可能增加。这将极大地降低钢的韧性和展性，因此将损坏钢的可拉拔性。所以，C含量的上限是1.0％。C含量的下限优选是0.65％，更优选是0.7％。另外，C含量的上限优选是0.9％，更优选是0.85％。最优选使用共析钢。
Si0.5％或更低(不包括0％)Si的作用是通过改进钢材的淬硬性来抑制先共析渗碳体的沉淀。Si还有望作为脱氧剂。另外，Si可以与铁氧体形成固溶体，显示出优异的固溶强化性能。随着钢材中Si含量的增加，Si的这些作用会得到更好地改进。但是，Si含量过大很可能降低钢丝的展性和冷墩性。从这种观点出发，Si含量的上限优选是0.1％，更优选是0.05％。
Mn0.2-1％Mn可作为脱氧剂，还可以通过增加线材的淬硬性改进成品线材的横断面结构的均匀性。当Mn含量是0.2％或更高时，可以有效地产生Mn的这些作用。但是，Mn含量过大时，很可能在Mn偏析部分中产生低温相变结构如马氏体和贝氏体。从而损坏钢的可拉拔性。因此，Mn含量的上限是1.0％。Mn含量优选是约0.40-0.70％，更优选是约0.45-0.55％。
P0.03％或更低(包括0％)P是很可能在晶界上偏析从而损坏成品螺栓的延迟断裂抗性的元素。因此，将P含量限制在0.03％或更低可以改进延迟断裂抗性。P含量优选是0.015％或更低，更优选是0.01％或更低，进一步优选是0.005％或更低。
S0.03％或更低(包括0％)钢材中的S和Mn反应生成MnS部分。当施加有应力时，MnS部分可能成为应力集中部分。因此，为了改进成品螺栓的延迟断裂抗性必须降低S含量。从这种观点出发，S含量最好限制在0.03％或更低。S含量优选是0.015％或更低，更优选是0.01％或更低，进一步优选是0.005％或更低。
在本发明的方法中，用作生产高强度螺栓原料的钢材基本上具有上述化学组成。如果需要，钢材中可以适当地有一些添加元素，例如(a)0.5％或更低(不包括0％)的Cr和/或0.5％或更低(不包括0％)的Co，(b)选自于Mo、V和Nb的一种或多种元素，其总含量是0.3％或更低(不包括0％)。对这些可根据需要添加的元素含量进行限制的原因如下。
Cr0.5％或更低(不包括0％)和/或Co0.5％或更低(不包括0％)在有Si的情况下，Cr和Co都有抑制先共析渗碳体沉淀的作用。因此，在用于生产本发明的高强度螺栓的钢材中加入它们特别有效，因为本发明是想通过减少先共析渗碳体来改进螺栓强度。随着Cr和/或Co含量的增加，这种作用越来越大。但是，当它们的含量大于0.5％时，这种作用不会再有提高。另外，这些元素含量大时，其成本是昂贵的。因此，它们的含量上限是0.5％。Cr和/或Co含量优选为0.05-0.3％，更优选为0.1-0.2％。
选自于Mo、V和Nb的一种或多种元素，其总含量是0.3％或更低(不包括0％)Mo、V和Nb可分别产生有助于改进螺栓的延迟断裂抗性的微细氮化物和碳化物。另外，这些氮化物和碳化物还可以有效地使钢材晶粒更细。但是，这些元素的含量过大时，可能损坏螺栓的延迟断裂抗性和韧性。因此，这些元素的总含量确定为0.3％或更低，Mo、V和Nb的总含量优选为0.02-0.2％，更优选为0.05-0.1％。
本发明使用的钢材具有上述化学组成。平衡量基本上由Fe组成。术语“基本上由Fe组成”指的是除Fe外可以包括一些少量组分(允许的一些组分)，其量不致于损坏螺栓的性能。允许的一些组分包括诸如Cu、Ni、Al、Ca、B、Zr、Pb、Bi、Te、As、Sn、Sb和N及不可避免的一些杂质如O。
根据本发明，可以用各种方法调节用于生产螺栓的线材的结构。下面描述这些方法中典型的两种方法(i)和(ii)。这两种典型方法中的一种(方法(i))是通过下述步骤生产线材1)使用有上述化学组成的钢材，2)将钢材进行热轧或热锻，热轧或热锻的终温是800℃或更高，和3)将热轧或热锻后的钢材以满足下式(1)的平均冷却速率V(℃/秒)连续冷却直到钢材温度达到400℃，然后使之在空气中冷却。
166×(钢丝直径mm)-1.4≤V≥288×(钢丝直径mm)-1.4…(1)用方法(i)得到的线材比普通的轧制钢材有更均匀的珠光体结构，因此，能够改进拉丝工艺前的线材强度。如果热轧或热锻的终温太低，不能令人满意地进行奥氏体化，因此不能得到均匀的珠光体结构。这就是为什么终温必须是800℃或更高的原因。该温度优选是850-950℃，更优选是850-900℃。
如果平均冷却速率V低于166×(钢丝直径mm)-1.4，线材不仅不能具有均匀的珠光体结构，而且易于在其中生成先共析铁素体和先共析渗碳体。相反，如果平均冷却速率V大于288×(钢丝直径mm)-1.4，则易于生成贝氏体和马氏体。
还可以通过下述步骤生产本发明的线材1)使用有上述化学组成的钢材，2)将钢材加热到800℃或更高的温度，和3)将加热后的钢材迅速冷却到500-650℃，然后使温度保持恒定，使其处于等温状态(铅淬处理)(方法(ii))。用该方法得到的线材比普通的轧制钢材有更均匀的珠光体结构，这能够改进拉丝工艺前的线材强度。
在方法(ii)中，钢材的加热温度必须是800℃或更高，其原因与方法(i)中热轧或热锻的终温必须是800℃或更高的原因一样。在铅淬处理工艺中，优选用盐浴、铅、流化床等以尽可能高的冷却速率将加热后的线材迅速冷却。然后，为了得到均匀的珠光体结构，迅速冷却后的线材需要在约500-650℃的恒温下进行等温相变。等温相变的恒温范围优选是约550-600℃。最优选的使线材进行等温相变的恒定温度是T.T.T.图(时间-温度-相变曲线)中的珠光体前端附近的温度。
实施例1该实施例中使用的样品钢A-O分别具有表1所示的化学组成。在热轧终温是约930℃的条件下将每一种样品钢热轧，制成钢丝直径是8-14mmφ的线材。用鼓风机以4.2-12.4℃/秒(表2)的平均冷却速率将线材冷却。然后将冷却后的线材拉丝直到钢丝直径达到7.06mmφ或5.25mmφ(拉丝率57-75％)，得到钢丝。
表1
用得到的各种钢丝制成如
图1所示的双头螺栓，其型号是M8×P1.25(图1(a)，用钢丝直径为7.06mmφ的钢丝制成)或M6×P1.0(图1(b)，用钢丝直径为5.25mmφ的钢丝制成)。用双头螺栓进行延迟断裂抗性试验。按照下述步骤进行延迟断裂抗性试验1)将螺栓在酸(15％HCl)中浸泡30分钟；2)用水洗涤，然后干燥；3)在空气中对螺栓施加应力(施加的应力等于抗张强度的90％)100小时；和4)检查螺栓是否有断裂以评价螺栓的延迟断裂抗性。另外，用下面的方法分别确定出钢丝横断面中的先共析铁素体、先共析渗碳体、贝氏体、马氏体和珠光体的结构部分，然后计算出这些结构部分各自的面积比。为了对比，将样品钢O调质得到表2所示的回火马氏体。用调质钢制成的双头螺栓作为对比样，然后和其它样品钢一样进行延迟断裂抗性试验。
(确定结构)在每一种样品中，分别嵌入线材和钢丝的横断面。将每一个横断面抛光，然后在5％的苦味酸的醇溶液中浸泡15-30秒以腐蚀横断面。然后用扫描电子显微镜(SEM)在距每一个线材或钢丝横断面的边线D/4(D直径)的距离内观察环形区域内的结构。对×1000-3000的5-10个视场进行拍照，可以确定出珠光体结构部分。然后用图像分析仪器得到上述钢结构各自的面积比。至于难以与珠光体结构区分的贝氏体和先共析渗碳体结构，图2(钢结构的显微照片)所示的结构可以确定为贝氏体结构，图3(钢结构的显微照片)所示的结构可以确定为先共析渗碳体结构。先共析铁素体和先共析渗碳体的结构趋向于沿着原始奥氏体的晶界沉淀。马氏体趋向于成簇沉淀。
另外，用各种上述的钢丝，通过冷墩制成六角头螺栓和六角法兰头螺栓。观察制成的螺栓头以检查在冷墩加工过程中是否有裂纹产生。
表2示出了各种线材和钢丝的结构及平均冷却速率。表3示出了延迟断裂抗性试验结果和螺栓头中是否有裂纹及拉丝条件和机械性能。在延迟断裂抗性试验中，用每一种样品钢制成的10个螺栓进行试验。如果同一样品钢制成的10个螺栓都没有断裂，则确定该螺栓具有良好的延迟断裂抗性(用符号“○”表示)。相反，如果同一样品钢制成的10个螺栓中至少有一个断裂，则认为该螺栓的延迟断裂抗性不能令人满意(用符号“×”表示)。
这些结果表明根据本发明，可以将钢丝冷墩得到高强度螺栓，并且不产生任何裂纹。这清楚地表明可以得到具有优异延迟断裂抗性的六角头螺栓和六角法兰头螺栓。
表2
**注明是本发明的样品还是对比样表3
*因为钢丝的断裂使得拉丝不能进行。**注明是本发明的样品还是对比样实施例2该实施例中使用表1所示的样品钢C和I。将每一种样品钢热轧，制成钢丝直径是8或10.5mmφ的线材，然后进行铅淬处理。在铅淬处理中，将样品钢加热到940℃，然后在510-610℃的恒温下进行等温相变4分钟。然后将得到的钢材(线材)拉丝直到钢丝直径达到7.06mmφ或5.25mmφ(拉丝率57-75％)，得到钢丝。
用得到的各种钢丝制成双头螺栓，其型号是M8×P1.25(用钢丝直径为7.06mmφ的钢丝制成)或M6×P1.0(用钢丝直径为5.25mmφ的钢丝制成)。用与实施例1同样的方法对双头螺栓进行延迟断裂抗性试验。
另外，用各种上述的钢丝，通过冷墩制成六角头螺栓和六角法兰头螺栓。观察制成的螺栓头以检查在冷墩加工过程中是否有裂纹产生。
表4示出了各种线材和钢丝的结构及平均冷却速率。表5示出了延迟断裂抗性试验结果和螺栓头中是否有裂纹及拉丝条件和机械性能。
这些结果表明根据本发明，可以将钢丝冷墩得到高强度螺栓，并且不产生任何裂纹。这清楚地表明可以得到具有优异延迟断裂抗性的六角头螺栓和六角法兰头螺栓。
表4
**注明是本发明的样品还是对比样表5
**注明是本发明的样品还是对比样实施例3用表3和5中所示的试验序号是11、12、19和22的钢丝(拉丝得到的钢丝直径为5.25mmφ的钢丝)进行松驰试验。根据用于钢筋混凝土的硬拉钢丝的JIS G3538进行松驰试验。试验温度不是常温而是130℃的高温，这是为了比较钢丝在高温下的应力松驰抗性性能。
测定施加在上述各种没有进行处理或进行发蓝处理的钢丝上使其产生0.2％永久伸长的载荷(屈服应力)。然后在适当隔开的位置处将所有的钢丝夹紧，开始施加的载荷等于造成0.2％伸长的载荷的80％。在夹持空间中使钢丝保持10小时，测定钢丝受到的载荷大小。这种10小时松驰试验后的应力确定为松驰应力。
表6示出了试验结果和各自的加工方法、机械性能和试验条件(开始施加的载荷)。这些结果表明发蓝处理后的钢丝具有增加的抗张强度和0.2％的屈服应力，并且能保持高的松驰应力。
表6
**注明是本发明的样品还是对比样工业实用性如上所述，本发明能够提供一种除了具有1200N/mm2的高抗张强度外还具有优异的延迟断裂抗性和应力松驰抗性的高强度螺栓。
权利要求
1.一种制备具有优异的延迟断裂抗性和应力松驰抗性的高强度螺栓的方法，该方法包括如下步骤制备钢材，该钢材包括C0.50-1.0％(质量)(后面简写为“％”)，Si0.5％或更低(不包括0％)，Mn0.2-1％，P0.03％或更低(包括0％)和S0.03％或更低(包括0％)，并且具有总量低于20％的先共析铁素体结构、先共析渗碳体结构、贝氏体结构和马氏体结构，余量为珠光体结构；将钢材重拉丝得到钢丝；通过冷墩将钢丝制成螺栓形状；和将成型钢丝在100-400℃下进行发蓝处理，以制备除了具有1200N/mm2或更高的抗张强度外还具有优异的延迟断裂抗性和应力松驰抗性的高强度螺栓。
2.根据权利要求1所述的制备高强度螺栓的方法，其中钢材中还包括Cr0.5％或更低(不包括0％)和/或Co0.5％或更低(不包括0％)。
3.根据权利要求1或2所述的制备高强度螺栓的方法，其中钢材中还包括一种或多种选自Mo、V和Nb的元素，其总含量是0.3％或更低(不包括0％)。
全文摘要
本发明公开一种除了具有1200N/mm
文档编号F16B31/02GK1366555SQ01800818
公开日2002年8月28日 申请日期2001年4月5日 优先权日2000年4月7日
发明者小池精一, 高岛光男, 筑山胜浩, 並村裕一, 茨木信彦 申请人:株式会社神户制钢所, 本田技研工业株式会社, 株式会社佐贺铁工所