[发明专利]耐延迟断裂性能优良的低碳贝氏体型冷作强化非调质钢

说明书

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种耐延迟断裂性能优良的低碳贝氏体型冷作强化非调质钢，适用于制作抗拉强度1000MPa以上的10.9级高强度螺栓。

背景技术

高强度螺栓等紧固件应用广泛，但在传统中碳钢或中碳合金钢制造高强度螺栓的制造过程中，通常要进行至少一次软化或球化退火处理，不但周期长，而且能耗大。对此，人们开发了可省略软化或球化退火及调质处理的非调质钢线材，即通过控制轧制和控制冷却生产的线材，再通过一定量的冷变形产生加工硬化，使其强度进一步提高，在不经过调质处理的情况下，即能达到所要求的性能指标。

目前开发的一些冷作强化非调质钢线材，其组织多为铁素体+珠光体，经冷作强化后用来制作8.8级和9.8级高强度螺栓；而对于10.9级高强度螺栓用冷作强化非调质钢线材，其组织则基本为贝氏体，以获得所需的强度水平(惠卫军等.机械工程材料，2002，26(11)：1-4，38；Boratto F et al. Wire J.Inter.，1992，(9)：129-134)。对于高强度螺栓特别是10.9级及其以上级别的高强度螺栓，应特别重视其在实际服役环境中的耐延迟断裂性能。对于10.9级高强度螺栓用冷作强化非调质钢，在拉拔、冷镦等冷变形时往往产生大量的位错等缺陷，尽管经过适当时效处理后可使位错的密度降低和分布发生改变，但其对耐延迟断裂性能的影响不可忽视。

对于目前国际上开发的一些耐延迟断裂高强度螺栓用调质钢，其技术思路主要是多采用提高碳含量、提高或添加合金元素含量的途径来达到在强度提高的同时具有良好的耐延迟断裂性能，这往往恶化钢的冷加工性能，更重要的是，这些措施往往缺乏对可动位错抑制的考虑。文献(Boratto F et al. Wire J. Inter.，1992，(9)：129-134)中介绍的一种10.9级螺栓用贝氏体钢，不但较高的Cr(0.60％)含量不仅对冷加工性能不利，而且缺乏对耐延迟断裂性能的考虑，限制了其适用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐延迟断裂性能优良的低碳贝氏体型冷作强化非调质钢，同时具有良好的塑性和冷加工性能，可用来制作10.9级高强度螺栓。

根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：(1)复合加入微合金化元素V、Ti，利用控轧及控冷过程中析出的及形变后时效过程中析出的弥散、微细的V、Ti的碳氮化物，一方面起氢陷阱的作用，另一方面起钉扎可动位错的作用，从而改善钢的耐延迟断裂性能；(2)降低Si、P、S等元素含量，以降低钢中夹杂物数量和抑制时效处理时杂质元素的晶界偏聚，改善钢的冷加工性能和耐延迟断裂性能；(3)加入微量元素B，在提高钢的淬透性的同时，抑制杂质元素特别是P的晶界偏聚，改善钢的韧性和耐延迟断裂性能；(4)加入适量的稀土元素，对夹杂物进行变性和对氢起陷阱作用，进一步降低氢在晶界的偏聚和改善冷加工性能。

本发明钢的化学成分(重量％)如下：C 0.06～0.15％，Si≤0.10％，Mn 1.80～2.40％，P≤0.010％，S≤0.008％，Cr 0.10～0.40％，B 0.0005～0.003％，V 0.05～0.15％，Ti 0.01～0.08％，RE 0.005～0.03％，Al 0.01～0.05％，N 0.004～0.01％，余为Fe和其它不可避免的杂质，同时，V、Ti元素还需满足强化参数θ关系式：0.10≤V(％)+Ti(％)≤0.20。

各元素的作用及配比依据如下：

C：为了在热轧态及拉拔后获得所需的强度水平，C含量须在0.06％以上。但增加C含量对钢的塑、韧性，以及冷加工性能和耐延迟断裂性能将有较大的损害。此外，增加C含量，将使钢的连续冷却转变曲线，特别是贝氏体部分右移，不利于空冷时形成粒状贝氏体组织。因此，C含量应控制在0.15％以下。

Si：Si元素显著恶化钢的冷加工性能，同时还促进促进杂质元素P和S的晶界偏聚，对钢的耐延迟断裂性能有明显的恶化作用，因而控制其含量不超过0.10％。

Mn：除C以外，Mn是形成贝氏体组织最为有效的廉价合金元素，并起固溶强化作用。在C含量一定时，增加Mn含量，钢中贝氏体的数量随之增加，特别是在冷却速度较小的情况下，增加更为显著。Mn含量小于1.80％时不能够获得全贝氏体组织，但Mn含量超过2.40％时则上述作用饱和，且偏析严重，增加冶炼难度和成本，因而控制其含量在1.80～2.40％。