專利名稱：一種耐延遲斷裂和耐松弛性能優(yōu)異的高強度螺栓的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種主要用在汽車上的高強度螺栓的制備方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種實用的制備除具有1200N/mm2或更高的抗張強度(強度)外還具有延遲斷裂抗性和應力松馳抗性性能優(yōu)異的高強度螺栓的方法。
延遲斷裂分為兩種，一種是在沒有腐蝕的環(huán)境中產生的，另一種是在腐蝕性環(huán)境中產生的。據(jù)說造成延遲斷裂的因素錯綜復雜，因此難以確定主要因素。公知的抑制延遲斷裂的控制因素有回火溫度、鋼的微結構、鋼的硬度、鋼的晶粒大小、各種合金元素的含量等。
目前還沒有找到抑制延遲斷裂的有效方法?，F(xiàn)在提出的各種方法只不過是一種反復試驗的方法。
日本未審公開專利60-114551、2-267243、3-243745等公開了一些改進延遲斷裂抗性的技術。在這些技術中，通過調節(jié)各種主要合金元素的含量得到具有優(yōu)異延遲斷裂抗性的用于高強度螺栓的鋼材，其抗張強度是1400N/mm2或更高。但是，這些技術不能完全消除產生延遲斷裂的可能性。因此，用上述鋼材制成的高強度螺栓的應用性是極其有限的。
另一方面，在高溫下使用的固定螺栓(包括上述高強度螺栓)的另外一個問題是當其在使用時其屈服應力比降低，產生其緊固強度下降的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為松馳(應力松馳)。具體來說，當不是淬火和回火鋼的貝氏體鋼、珠光體鋼等用于螺栓時，得到的螺栓對這種現(xiàn)象的抗性很差(即，差的應力松馳抗性)。這種現(xiàn)象可能使螺栓拉伸，這將不能使螺栓保持其最初的緊固強度。因此，例如當螺栓用于和汽車發(fā)動機相關的用途時，螺栓必須具有令人滿意的高松馳抗性能力。但是，傳統(tǒng)上對高強度螺栓的松馳抗性能力不予考慮。
本發(fā)明的目的是解決上述問題，以提供一種實用的制備除了具有令人滿意程度的1200N/mm2或更高的抗張強度外還具有優(yōu)異的延遲斷裂抗性和應力松馳抗性的高強度螺栓的方法。
如果需要，該方法中使用的鋼材中還包括(a)Cr0.5％或更低(不包括0％)和/或Co0.5％或更低(不包括0％)，(b)選自于Mo、V和Nb等的一種或多種元素，其總含量是0.3％或更低(不包括0％)。
本發(fā)明的最佳實施方案本發(fā)明的發(fā)明人對傳統(tǒng)的高強度螺栓的延遲斷裂抗性差的原因進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)方法中，延遲斷裂抗性的改進有限，在這些傳統(tǒng)方法中，為了通過避免回火脆性、降低晶粒間偏析元素、降低晶粒大小等改進螺栓的延遲斷裂抗性，用有回火馬氏體結構的鋼材制備螺栓。本發(fā)明的發(fā)明人深入研究后發(fā)現(xiàn)用下述方法可以進一步改進延遲斷裂抗性1)制備含有預定珠光體結構的鋼材和2)用較高的拉絲率將鋼材加工(拉絲)成有較高橫截面積壓縮比的鋼絲(以后稱之為“重加工”或“重拉絲”)，使得到的螺栓的強度是1200N/mm2或更高。
根據(jù)本發(fā)明，必須將具有下述條件的鋼材重拉絲具有先共析鐵素體、先共析滲碳體、貝氏體和馬氏體結構，這些結構的總面積低于該鋼材的線材的全部橫截面積的20％，其還有平衡量的珠光體結構(即，珠光體面積比大于80％)。對鋼材結構進行這些限制的原因如下。
在上述結構中，當鋼材中先共析鐵素體和先共析滲碳體結構的比過大時，難以將鋼材拉絲，因為沿著拉絲方向上產生了銀。因此，不能進行這樣的重拉絲，所以，不能得到強度是1200N/mm2或更高的螺栓。另外，鋼材需要有少量的先共析滲碳體和馬氏體結構以防止拉絲過程中鋼材的線材出現(xiàn)鋼絲斷裂。另外，它需要包括非常少量的貝氏體結構。這是因為與珠光體相比，加工(拉絲)很少能使貝氏體硬化，因此它也不會由于重拉絲而使鋼的強度升高。
相反，珠光體結構的量必須盡可能地高。這是因為珠光體結構通過捕獲每一晶粒中滲碳體和鐵素體界面上的氫原子而有助于降低氫原子在晶界上的積聚。因此，通過減少先共析鐵素體、先共析滲碳體、貝氏體和馬氏體等結構中至少一種結構的量就可使這些結構的總面積比降至低于20％，從而使珠光體結構的面積比升高至大于80％。得到的鋼材具有優(yōu)異的強度和延遲斷裂抗性。珠光體結構的面積比優(yōu)選是90％或更大，更優(yōu)選是100％。
軋制或鍛壓的鋼材(即沒有進行拉絲的鋼材)本身不具有制成螺栓形狀的足夠高的尺寸精度。另外，如果用這樣的鋼材生產高強度螺栓，得到的螺栓不具有1200N/mm2或更高的強度。因此，在本發(fā)明中，必須使軋制或鍛壓鋼材進行拉絲處理。另外，這種拉絲能夠將一部分珠光體結構中的滲碳體區(qū)域分散進更小的珠光體區(qū)域以提高其捕獲氫原子的能力。另外，這種結構的晶粒會由于拉絲而沿著拉絲方向平展，從而防止裂紋擴大。這意味者如果線材沒有進行拉絲，裂紋會沿著基本上垂直于拉絲方向的晶界(晶粒之間的界面)擴大，然而，在拉絲后的線材中，這種平展的晶粒堵塞了裂紋擴大方向上的晶界，這就防止了裂紋擴大。
另一方面，本發(fā)明的發(fā)明人還從改進成品螺栓的松馳性的觀點出發(fā)進行了研究，結果證明對上述鋼材進行重拉絲和為了將拉絲后的鋼材制成預定的螺栓形狀而進行冷墩后進行發(fā)藍處理能夠提高螺栓強度。這可極度改進得到的螺栓的松馳性能。換句話說，發(fā)藍處理使C和N時效硬化，從而防止得到的螺栓發(fā)生塑性變形。這可達到提高螺栓強度和成品螺栓的屈服應力比的效果，同時，還可抑制螺栓在100-200℃下的熱疲勞。為了達到這種效果，發(fā)藍處理的溫度必須在100-400℃的范圍內。如果溫度低于100℃，時效硬化不能令人滿意。因此，增加的螺栓強度和屈服應力比太小，導致螺栓的松馳性能的改進不能令人滿意。相反，如果發(fā)藍處理的溫度超過400℃，螺栓形狀的鋼材很可能軟化，從而使螺栓強度急劇下降。
另外，為了達到上述效果，要求在上述溫度范圍內進行發(fā)藍處理約30分鐘至4小時。在本發(fā)明中，為了將拉絲后的鋼材制成預定的螺栓形狀，將該鋼材進行冷墩(鍛壓)。原因如下冷墩比溫墩或熱墩(鍛壓)的生產成本低；而且，用熱墩和溫墩時，熱量很可能使拉絲后的鋼材軟化，從而使拉絲后的珠光體結構無序，這樣就達不到預定的強度。
用于生產本發(fā)明的高強度螺栓的鋼材是有0.50-1.0％C的中碳鋼或高碳鋼。另外，這種鋼材包括作為基本化學組成的0.5％或更低(不包括0％)的Si和0.2-1％的Mn。其還包括限量的0.03％或更低(包括0％)的P和0.03％或更低的S。對這些含量進行限制的原因將在下面分別進行說明。下面應當注意的是為了區(qū)分“線材”和“鋼絲”，把將鋼材熱加工得到的絲或棒及將鋼材熱加工然后熱處理得到的絲或棒稱為“線材”，把將線材冷加工(包括拉絲)得到的絲或棒稱為“鋼絲”。
C0.50-1.0％C是提高螺栓強度的一種有效而經濟的元素。隨著鋼材中C含量的增加，成品螺栓的強度增加。為了得到具有目標強度的螺栓，用于生產螺栓的鋼材需要含有0.50％或更高的C。但是，當C含量大于1.0％時，先共析滲碳體的沉淀量很可能增加。這將極大地降低鋼的韌性和展性，因此將損壞鋼的可拉拔性。所以，C含量的上限是1.0％。C含量的下限優(yōu)選是0.65％，更優(yōu)選是0.7％。另外，C含量的上限優(yōu)選是0.9％，更優(yōu)選是0.85％。最優(yōu)選使用共析鋼。
Si0.5％或更低(不包括0％)Si的作用是通過改進鋼材的淬硬性來抑制先共析滲碳體的沉淀。Si還有望作為脫氧劑。另外，Si可以與鐵氧體形成固溶體，顯示出優(yōu)異的固溶強化性能。隨著鋼材中Si含量的增加，Si的這些作用會得到更好地改進。但是，Si含量過大很可能降低鋼絲的展性和冷墩性。從這種觀點出發(fā)，Si含量的上限優(yōu)選是0.1％，更優(yōu)選是0.05％。
Mn0.2-1％Mn可作為脫氧劑，還可以通過增加線材的淬硬性改進成品線材的橫斷面結構的均勻性。當Mn含量是0.2％或更高時，可以有效地產生Mn的這些作用。但是，Mn含量過大時，很可能在Mn偏析部分中產生低溫相變結構如馬氏體和貝氏體。從而損壞鋼的可拉拔性。因此，Mn含量的上限是1.0％。Mn含量優(yōu)選是約0.40-0.70％，更優(yōu)選是約0.45-0.55％。
P0.03％或更低(包括0％)P是很可能在晶界上偏析從而損壞成品螺栓的延遲斷裂抗性的元素。因此，將P含量限制在0.03％或更低可以改進延遲斷裂抗性。P含量優(yōu)選是0.015％或更低，更優(yōu)選是0.01％或更低，進一步優(yōu)選是0.005％或更低。
S0.03％或更低(包括0％)鋼材中的S和Mn反應生成MnS部分。當施加有應力時，MnS部分可能成為應力集中部分。因此，為了改進成品螺栓的延遲斷裂抗性必須降低S含量。從這種觀點出發(fā)，S含量最好限制在0.03％或更低。S含量優(yōu)選是0.015％或更低，更優(yōu)選是0.01％或更低，進一步優(yōu)選是0.005％或更低。
在本發(fā)明的方法中，用作生產高強度螺栓原料的鋼材基本上具有上述化學組成。如果需要，鋼材中可以適當?shù)赜幸恍┨砑釉?，例?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)選自于Mo、V和Nb的一種或多種元素，其總含量是0.3％或更低(不包括0％)。對這些可根據(jù)需要添加的元素含量進行限制的原因如下。
Cr0.5％或更低(不包括0％)和/或Co0.5％或更低(不包括0％)在有Si的情況下，Cr和Co都有抑制先共析滲碳體沉淀的作用。因此，在用于生產本發(fā)明的高強度螺栓的鋼材中加入它們特別有效，因為本發(fā)明是想通過減少先共析滲碳體來改進螺栓強度。隨著Cr和/或Co含量的增加，這種作用越來越大。但是，當它們的含量大于0.5％時，這種作用不會再有提高。另外，這些元素含量大時，其成本是昂貴的。因此，它們的含量上限是0.5％。Cr和/或Co含量優(yōu)選為0.05-0.3％，更優(yōu)選為0.1-0.2％。
選自于Mo、V和Nb的一種或多種元素，其總含量是0.3％或更低(不包括0％)Mo、V和Nb可分別產生有助于改進螺栓的延遲斷裂抗性的微細氮化物和碳化物。另外，這些氮化物和碳化物還可以有效地使鋼材晶粒更細。但是，這些元素的含量過大時，可能損壞螺栓的延遲斷裂抗性和韌性。因此，這些元素的總含量確定為0.3％或更低，Mo、V和Nb的總含量優(yōu)選為0.02-0.2％，更優(yōu)選為0.05-0.1％。
本發(fā)明使用的鋼材具有上述化學組成。平衡量基本上由Fe組成。術語“基本上由Fe組成”指的是除Fe外可以包括一些少量組分(允許的一些組分)，其量不致于損壞螺栓的性能。允許的一些組分包括諸如Cu、Ni、Al、Ca、B、Zr、Pb、Bi、Te、As、Sn、Sb和N及不可避免的一些雜質如O。
根據(jù)本發(fā)明，可以用各種方法調節(jié)用于生產螺栓的線材的結構。下面描述這些方法中典型的兩種方法(i)和(ii)。這兩種典型方法中的一種(方法(i))是通過下述步驟生產線材1)使用有上述化學組成的鋼材，2)將鋼材進行熱軋或熱鍛，熱軋或熱鍛的終溫是800℃或更高，和3)將熱軋或熱鍛后的鋼材以滿足下式(1)的平均冷卻速率V(℃/秒)連續(xù)冷卻直到鋼材溫度達到400℃，然后使之在空氣中冷卻。
166×(鋼絲直徑mm)-1.4≤V≥288×(鋼絲直徑mm)-1.4…(1)用方法(i)得到的線材比普通的軋制鋼材有更均勻的珠光體結構，因此，能夠改進拉絲工藝前的線材強度。如果熱軋或熱鍛的終溫太低，不能令人滿意地進行奧氏體化，因此不能得到均勻的珠光體結構。這就是為什么終溫必須是800℃或更高的原因。該溫度優(yōu)選是850-950℃，更優(yōu)選是850-900℃。
如果平均冷卻速率V低于166×(鋼絲直徑mm)-1.4，線材不僅不能具有均勻的珠光體結構，而且易于在其中生成先共析鐵素體和先共析滲碳體。相反，如果平均冷卻速率V大于288×(鋼絲直徑mm)-1.4，則易于生成貝氏體和馬氏體。
還可以通過下述步驟生產本發(fā)明的線材1)使用有上述化學組成的鋼材，2)將鋼材加熱到800℃或更高的溫度，和3)將加熱后的鋼材迅速冷卻到500-650℃，然后使溫度保持恒定，使其處于等溫狀態(tài)(鉛淬處理)(方法(ii))。用該方法得到的線材比普通的軋制鋼材有更均勻的珠光體結構，這能夠改進拉絲工藝前的線材強度。
在方法(ii)中，鋼材的加熱溫度必須是800℃或更高，其原因與方法(i)中熱軋或熱鍛的終溫必須是800℃或更高的原因一樣。在鉛淬處理工藝中，優(yōu)選用鹽浴、鉛、流化床等以盡可能高的冷卻速率將加熱后的線材迅速冷卻。然后，為了得到均勻的珠光體結構，迅速冷卻后的線材需要在約500-650℃的恒溫下進行等溫相變。等溫相變的恒溫范圍優(yōu)選是約550-600℃。最優(yōu)選的使線材進行等溫相變的恒定溫度是T.T.T.圖(時間-溫度-相變曲線)中的珠光體前端附近的溫度。
實施例1該實施例中使用的樣品鋼A-O分別具有表1所示的化學組成。在熱軋終溫是約930℃的條件下將每一種樣品鋼熱軋，制成鋼絲直徑是8-14mmφ的線材。用鼓風機以4.2-12.4℃/秒(表2)的平均冷卻速率將線材冷卻。然后將冷卻后的線材拉絲直到鋼絲直徑達到7.06mmφ或5.25mmφ(拉絲率57-75％)，得到鋼絲。
表1

用得到的各種鋼絲制成如

圖1所示的雙頭螺栓，其型號是M8×P1.25(圖1(a)，用鋼絲直徑為7.06mmφ的鋼絲制成)或M6×P1.0(圖1(b)，用鋼絲直徑為5.25mmφ的鋼絲制成)。用雙頭螺栓進行延遲斷裂抗性試驗。按照下述步驟進行延遲斷裂抗性試驗1)將螺栓在酸(15％HCl)中浸泡30分鐘；2)用水洗滌，然后干燥；3)在空氣中對螺栓施加應力(施加的應力等于抗張強度的90％)100小時；和4)檢查螺栓是否有斷裂以評價螺栓的延遲斷裂抗性。另外，用下面的方法分別確定出鋼絲橫斷面中的先共析鐵素體、先共析滲碳體、貝氏體、馬氏體和珠光體的結構部分，然后計算出這些結構部分各自的面積比。為了對比，將樣品鋼O調質得到表2所示的回火馬氏體。用調質鋼制成的雙頭螺栓作為對比樣，然后和其它樣品鋼一樣進行延遲斷裂抗性試驗。
(確定結構)在每一種樣品中，分別嵌入線材和鋼絲的橫斷面。將每一個橫斷面拋光，然后在5％的苦味酸的醇溶液中浸泡15-30秒以腐蝕橫斷面。然后用掃描電子顯微鏡(SEM)在距每一個線材或鋼絲橫斷面的邊線D/4(D直徑)的距離內觀察環(huán)形區(qū)域內的結構。對×1000-3000的5-10個視場進行拍照，可以確定出珠光體結構部分。然后用圖像分析儀器得到上述鋼結構各自的面積比。至于難以與珠光體結構區(qū)分的貝氏體和先共析滲碳體結構，圖2(鋼結構的顯微照片)所示的結構可以確定為貝氏體結構，圖3(鋼結構的顯微照片)所示的結構可以確定為先共析滲碳體結構。先共析鐵素體和先共析滲碳體的結構趨向于沿著原始奧氏體的晶界沉淀。馬氏體趨向于成簇沉淀。
另外，用各種上述的鋼絲，通過冷墩制成六角頭螺栓和六角法蘭頭螺栓。觀察制成的螺栓頭以檢查在冷墩加工過程中是否有裂紋產生。
表2示出了各種線材和鋼絲的結構及平均冷卻速率。表3示出了延遲斷裂抗性試驗結果和螺栓頭中是否有裂紋及拉絲條件和機械性能。在延遲斷裂抗性試驗中，用每一種樣品鋼制成的10個螺栓進行試驗。如果同一樣品鋼制成的10個螺栓都沒有斷裂，則確定該螺栓具有良好的延遲斷裂抗性(用符號“○”表示)。相反，如果同一樣品鋼制成的10個螺栓中至少有一個斷裂，則認為該螺栓的延遲斷裂抗性不能令人滿意(用符號“×”表示)。
這些結果表明根據(jù)本發(fā)明，可以將鋼絲冷墩得到高強度螺栓，并且不產生任何裂紋。這清楚地表明可以得到具有優(yōu)異延遲斷裂抗性的六角頭螺栓和六角法蘭頭螺栓。
表2

**注明是本發(fā)明的樣品還是對比樣表3

*因為鋼絲的斷裂使得拉絲不能進行。**注明是本發(fā)明的樣品還是對比樣實施例2該實施例中使用表1所示的樣品鋼C和I。將每一種樣品鋼熱軋，制成鋼絲直徑是8或10.5mmφ的線材，然后進行鉛淬處理。在鉛淬處理中，將樣品鋼加熱到940℃，然后在510-610℃的恒溫下進行等溫相變4分鐘。然后將得到的鋼材(線材)拉絲直到鋼絲直徑達到7.06mmφ或5.25mmφ(拉絲率57-75％)，得到鋼絲。
用得到的各種鋼絲制成雙頭螺栓，其型號是M8×P1.25(用鋼絲直徑為7.06mmφ的鋼絲制成)或M6×P1.0(用鋼絲直徑為5.25mmφ的鋼絲制成)。用與實施例1同樣的方法對雙頭螺栓進行延遲斷裂抗性試驗。
另外，用各種上述的鋼絲，通過冷墩制成六角頭螺栓和六角法蘭頭螺栓。觀察制成的螺栓頭以檢查在冷墩加工過程中是否有裂紋產生。
表4示出了各種線材和鋼絲的結構及平均冷卻速率。表5示出了延遲斷裂抗性試驗結果和螺栓頭中是否有裂紋及拉絲條件和機械性能。
這些結果表明根據(jù)本發(fā)明，可以將鋼絲冷墩得到高強度螺栓，并且不產生任何裂紋。這清楚地表明可以得到具有優(yōu)異延遲斷裂抗性的六角頭螺栓和六角法蘭頭螺栓。
表4

**注明是本發(fā)明的樣品還是對比樣表5

**注明是本發(fā)明的樣品還是對比樣實施例3用表3和5中所示的試驗序號是11、12、19和22的鋼絲(拉絲得到的鋼絲直徑為5.25mmφ的鋼絲)進行松馳試驗。根據(jù)用于鋼筋混凝土的硬拉鋼絲的JIS G3538進行松馳試驗。試驗溫度不是常溫而是130℃的高溫，這是為了比較鋼絲在高溫下的應力松馳抗性性能。
測定施加在上述各種沒有進行處理或進行發(fā)藍處理的鋼絲上使其產生0.2％永久伸長的載荷(屈服應力)。然后在適當隔開的位置處將所有的鋼絲夾緊，開始施加的載荷等于造成0.2％伸長的載荷的80％。在夾持空間中使鋼絲保持10小時，測定鋼絲受到的載荷大小。這種10小時松馳試驗后的應力確定為松馳應力。
表6示出了試驗結果和各自的加工方法、機械性能和試驗條件(開始施加的載荷)。這些結果表明發(fā)藍處理后的鋼絲具有增加的抗張強度和0.2％的屈服應力，并且能保持高的松馳應力。
表6

**注明是本發(fā)明的樣品還是對比樣工業(yè)實用性如上所述，本發(fā)明能夠提供一種除了具有1200N/mm2的高抗張強度外還具有優(yōu)異的延遲斷裂抗性和應力松馳抗性的高強度螺栓。
權利要求
1.一種制備具有優(yōu)異的延遲斷裂抗性和應力松馳抗性的高強度螺栓的方法，該方法包括如下步驟制備鋼材，該鋼材包括C0.50-1.0％(質量)(后面簡寫為“％”)，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％)，并且具有總量低于20％的先共析鐵素體結構、先共析滲碳體結構、貝氏體結構和馬氏體結構，余量為珠光體結構；將鋼材重拉絲得到鋼絲；通過冷墩將鋼絲制成螺栓形狀；和將成型鋼絲在100-400℃下進行發(fā)藍處理，以制備除了具有1200N/mm2或更高的抗張強度外還具有優(yōu)異的延遲斷裂抗性和應力松馳抗性的高強度螺栓。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備高強度螺栓的方法，其中鋼材中還包括Cr0.5％或更低(不包括0％)和/或Co0.5％或更低(不包括0％)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的制備高強度螺栓的方法，其中鋼材中還包括一種或多種選自Mo、V和Nb的元素，其總含量是0.3％或更低(不包括0％)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種除了具有1200N/mm
文檔編號F16B31/02GK1366555SQ01800818
公開日2002年8月28日 申請日期2001年4月5日 優(yōu)先權日2000年4月7日
發(fā)明者小池精一, 高島光男, 筑山勝浩, 並村裕一, 茨木信彥 申請人:株式會社神戶制鋼所, 本田技研工業(yè)株式會社, 株式會社佐賀鐵工所