一种抗延迟断裂的高强度螺栓合金材料及螺栓的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种螺栓合金材料，尤其涉及一种抗延迟断裂的高强度螺栓合金材 料；本发明还涉及一种螺栓的制造方法。
【背景技术】
[0002] 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。随着各类 机械、设备、建筑工程的不断大型化，以及功率、转速的不断提高，螺栓类零件的工作条件更 加恶劣，工作应力明显提高。因此，要求螺栓钢材具有更高的强度，例如于工程、飞机、电车、 汽车、桥梁都会用到高强度的螺栓；又如大型建筑网架结构不仅跨度大，而且大多是公共建 筑，而高强度螺栓是用于空间钢网架螺栓球节点上的重要零件，它直接传递交变荷载引起 的交变内力，其质量的优劣直接涉及人民生命财产安全。作为联接、紧固部件，螺栓的高强 度化还有利于汽车其他结构的小型化和紧凑化，因此，高强度螺栓有着广阔的应用前景。
[0003] 根据高强度螺栓的服役条件，对其力学性能一般有一下的要求：1、高抗拉强度和 高屈强比；2、足够高的塑性；3、能反复被拧紧，即能承受足够多次的大应力幅加载，具有较 低的低周疲劳性能；4、良好的耐低温性能等等。而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。
[0004] 为提高螺栓的强度，申请号为CN201110049698. 2的中国专利申请《一种高强度高 韧性螺栓用合金钢及其制备方法》（申请公布号为CN102094153A)公开了一种螺栓用的合 金钢，该合金钢按照重量百分比包括以下合金元素 ：〇. 15~0. 23C ;0. 10~0. 35Si ;0. 20~ 0· 45Mn ;P 彡 0· 03 ;S 彡 0· 025 ; L 10 ~I. 45Cr ;3· 30 ~3. 90Ni ;0· 20 ~0· 45Mo ;Cu 彡 0· 05 ; Al < 0. 03,其余为Fe及杂质元素。该申请公开的合金钢能在一定程度提高螺栓的强度，但 是并不能改善螺栓的延迟断裂。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种能抗延迟 断裂的高强度螺栓合金材料。
[0006] 本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种利用抗延 迟断裂的高强度螺栓合金材料制造螺栓的制造方法，由该制造方法制备的螺栓具有高强 度，且能抗延迟断裂。
[0007] 本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种抗延迟断裂的高强度 螺栓合金材料，按照重量百分比包括如下化学成分：C 0. 2%~0. 5% ;Si 0. 05%~0. 5% ; Mn 0.03%~0.08% ;P 0.01 %~0.02% ;S 0.02%~0.04 % ;Cu 0.1 %~0.16% ;Co 0.24 % ~0.32 % ;Ni 0.22 % ~0.28 % ;A1 0.08 % ~0.24 % ;Ti 0.12 % ~0.26 % ;Mo 0· 14% ~0· 29% ;V0. 1% ~0· 15% ;Sm 0· 08% ~0· 14% ;Te 0· 04% ~0· 06% ;钕铁硼 0. 08%~0. 14% ;余量为Fe及杂质元素。
[0008] 在上述技术方案中，增加 Mo的含量，添加微量合金元素 V、Co、Te，降低了 Mn和杂 质元素 P、S含量，开发的高强度螺栓钢在1300MPa级强度水平下具有良好的耐延迟断裂性， 进一步分析认为，由于Mo、V系碳化物的二次硬化效应，使钢材的晶粒尺寸从约12 μ m细化 到4 μπι目缺口拉伸临界应力明显提尚。
[0009] 钛元素在合金中具有变质处理的功能，在合金中，Ti和Cu形成的化合物主要有 Ti2Cu3、TiCu和Ti2Cu,上述化合物均具有较高的结晶点，在990°C左右可以结晶，可作为非 自发形核，从而细化组织和晶粒。
[0010] 加入钛和铝后，组织由未变质时长板条树枝状变为短片状，并伴有等轴晶的倾向， 组织细化的效果最好，力学性能最高，强度和塑性的指标均有显著的增加。铝主要和上述钛 一起相互作用，如果单独的铝会使硬度提高而降低塑性，与钛搭配的相互作用会提高其塑 性而硬度不会降低。此外铝可以在合金的表面形成Al2O3膜，提高合金的耐腐蚀性能和表面 的光洁度。
[0011] 稀土钐（Sm)和钕铁硼为稀土材料，而钴会和钐一起作用，在合金中加入稀土元素 可细化晶粒，抑制晶粒长大的作用，净化合金的晶界组织，使稀土富集在晶界中，合金以枝 状方式生长，产生较多的结晶中心。
[0012] 优选的，所述高强度螺栓合金材料中，Al所占的重量百分比为0. 12~0. 18%。
[0013] 优选的，所述高强度螺栓合金材料中，Ti所占的重量百分比为0. 14~0. 2%。
[0014] 优选的，所述高强度螺栓合金材料中，Si所占的重量百分比为0. 2~0. 4%。
[0015] 硅（Si)元素是材料的良好脱氧剂，螺栓钢中添加 Si可提高螺栓钢的固溶体强 度，有利于增加材料的回火稳定性。若硅的含量高于〇. 4%则会降低材料的塑性，含量低于 〇. 2%会降低其脱氧剂和固溶强化的作用。
[0016] Cu能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能，缺点是在热加工时容易产生热脆，所 以在合金在同时加入Cu和Ti可以防止热脆现象，因为Cu和Ti的化合物在在热处理过程 中结晶，可作为非自发形核，从而细化组织和晶粒。
[0017] 本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种使用上述高强度螺栓 合金材料的螺栓的制造方法，包括如下步骤：
[0018] (1)铸造杆料，按配比对化学成分配料，制得杆料毛坯，所述杆料毛坯浇注成型，制 得杆料；
[0019] (2)对所述杆料进行酸洗和碱洗处理，制得具有外螺纹和光杆段的第一螺栓；
[0020] (3)对所述第一螺栓进行热强化处理，制得第二螺栓；
[0021] (4)对所述第二螺栓进行热处理，制得第三螺栓；
[0022] (5)对所述第三螺栓进行时效处理，制得第四螺栓；
[0023] (6)对所述第四螺栓进行钝化处理，制得第五螺栓；
[0024] (7)对所述第五螺栓进行渗硼处理，制得第六螺栓；
[0025] (8)对所述第六螺栓进行磷化处理，制得成品螺栓。
[0026] 优选的，步骤（3)的操作过程为：对所述第一螺栓依次进行第一阶段热处理、第二 阶段热处理和第三阶段热处理，制得第二螺栓；所述第一阶段热处理的处理温度为580~ 610°C，处理时间为1~2h ;所述第二阶段热处理的处理温度为610~630°C，处理时间为 2~3h ;所述第三阶段热处理的处理温度为630~650°C，处理时间为2~3h。
[0027] 优选的，步骤(6)中，对所述第四螺栓进行所述钝化处理所需的钝化处理液包括 如下重量份数的组分：
[0029] 优选的，步骤（8)中，对所述第六螺栓进行磷化处理所需的磷化处理液包括如下 重量份数的组分：
[0031] 优选的，步骤（4)的操作过程为：对所述第二螺栓进行外螺纹热处理和光杆段热 处理，制得第二螺检；
[0032] 所述外螺纹热处理的操作过程为：将所述第二螺栓的外螺纹置于790~810°C下 加热4~5h ;升温至1000~1120°C，保温