[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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：0.15～0.23C；0.10～0.35Si；0.20～0.45Mn；P≤0.03；S≤0.025；1.10～1.45Cr；3.30～3.90Ni；0.20～0.45Mo；Cu≤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

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。

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。

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：C0.2％～0.5％；Si0.05％～0.5％；Mn0.03％～0.08％；P0.01％～0.02％；S0.02％～0.04％；Cu0.1％～0.16％；Co0.24％～0.32％；Ni0.22％～0.28％；Al0.08％～0.24％；Ti0.12％～0.26％；Mo0.14％～0.29％；V0.1％～0.15％；Sm0.08％～0.14％；Te0.04％～0.06％；钕铁硼0.08％～0.14％；余量为Fe及杂质元素。

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12μm细化到4μm目缺口拉伸临界应力明显提高。

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℃左右可以结晶，可作为非自发形核，从而细化组织和晶粒。

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。

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。

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％。

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％。