一种非调质钢螺栓制造过程中的冷作形变强化工艺

摘要

本发明涉及一种非调质钢螺栓制造过程中的冷作形变强化工艺，它依序包括以下主要步骤：拉拔工序、下料工序、滚压工序、滚丝工序、时效处理工序、电镀工序、探伤工序。在所述的拉拔工序中，预留一定的滚压余量，与后续的滚压工序形成复合形变强化效果；在所述的拉拔工序中，拉拔减面率13%~40%；在所述的滚压工序中，滚压压入量控制为0.05mm~0.25mm；在所述的时效处理工序中，加热温度为200℃~450℃，保温时间100~200分钟。本发明提供的螺栓制造工艺，设备、工艺简单，操作方便，不需要退火、调质处理，能够节约大量的能源和时间；得到的螺栓有较好的表面硬度，能提高螺纹部分强度、螺栓的疲劳寿命和耐蚀性。

说明书

技术领域

本发明属于无切削金属机械加工，尤其涉及高强度螺栓加工方法。

背景技术

高强度螺栓是机械行业使用最为广泛的紧固件，国内目前8.8级以上高强度螺栓大多采用中碳钢或中碳合金钢生产，而高强度螺栓的制造工艺中的球化退火工序和调质处理工序，这两道工序耗时周期长，消耗大量能源。而非调质钢形变强化紧固件省去了拉拔前球化退火和调质处理两道周期长、能耗大的热处理工序，具有节能减排，降低成本的特点，且避免了因热处理造成的表面氧化、脱碳及工件变形等问题，提高了产品质量。所以目前国内有厂家使用非调质钢制作螺栓，但存在的问题是：目前非调质钢螺栓制造工艺中强化螺栓强度的冷变形工序只有拉拔，通过控制拉拔减面率来控制螺栓强度的增量，这样制作出的螺栓强度只有8.8级，强度水平不高；且拉拔完的非调钢线材表面可能会有残留拉应力，会影响螺栓的抗疲劳性能，导致螺栓的疲劳寿命较短。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有技术的上述缺陷而提供一种非调质钢螺栓制造过程中的冷作形变强化工艺。在现有的非调质钢螺栓加工过程中增加滚压工序，提高螺栓强度，提高其疲劳寿命，提升产品质量。

本发明结合了冷拉拔和滚压两种不同的冷作形变强化方式。在相同形变量下，拉拔与滚压复合形变导致强度增加的效果高于单一拉拔形变或单一滚压形变。

拉拔与滚压复合形变导致强度增加效果的提高主要与变形方式诱发组织结构变化相关。对铁素体+珠光体型非调质钢，在单一拉拔形变或滚压形变外应力作用情况下，两种组织的变形不同步，铁素体的形变先于珠光体。

一方面，当冷拉拔变形量较小时，铁素体晶粒内先产生大量位错，此时位错均匀、无规则分布，拉拔变形量进一步加大时，位错大量增殖。紊乱的位错相互纠集而形成高位错密度区，与位错密度相对较低的区域分割开，形成胞状的亚结构，拉拔的基础上进一步进行滚压，位错进一步增殖，且取向更加紊乱，在滚压的周向力的作用下，位错胞的进一步周向排列变形，取向发生变化。因此，对铁素体+珠光体型非调质钢螺栓进行拉拔与滚压复合形变处理，其组织中铁素体体逐渐转变为取向杂乱，且尺寸细小的胞状亚结构，这些亚结构对位错的滑移阻碍效果更强，使铁素体的变形抗力大大提高。

另一方面，对珠光体组织，根据珠光体片层与拉拔应力的方向，当与拉拔应力方向成θ角（0<θ<90°）的珠光体片层，随应力增加，其逐渐转向与应力方向一致或平行。当施加滚压处理，即进一步改变应力方向与原拉拔应力方向垂直时，这些平行的珠光体片层逐渐弯曲直至碎化；而与拉拔应力方向垂直（θ=0或90°）的珠光体片层，随应力增加，其逐渐发生弯曲直至断裂，当施加滚压处理，碎化的珠光体形态变化不明显。因此，对铁素体+珠光体型非调质钢进行拉拔与滚压复合形变处理，其组织中珠光体完全转变为碎化的珠光体。

所以，对于铁素体+珠光体型非调质钢，在冷拉拔形变基础上复合滚压形变，其铁素体和珠光体进一步强化，因此，非调质钢螺栓的变形抗力显著提高，在同一形变量下，冷作拉拔与滚压复合形变强化效果高于单一拉拔形变强化或滚压强化。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种非调质钢螺栓制造过程中的冷作形变强化工艺，它依序包括以下主要步骤：拉拔工序、下料工序、滚压工序、滚丝工序、时效处理工序、电镀工序、探伤工序。在所述的拉拔工序中，拉拔变形量控制为13%~40%；在所述的滚压工序中，滚压压入量控制为0.05mm~0.25mm；在所述的时效处理工序中，加热温度为200℃~450℃，保温100~200分钟，出炉空冷。最终可获得满足国家标准要求的9.8级和10.9级螺栓产品。

本发明的目的还可以通过以下技术解决措施来进一步实现：

前述一种非调质钢螺栓制造过程中的冷作形变强化工艺，在所述的拉拔工序中，预留一定的滚压余量，与后续的滚压工序形成复合形变强化效果。

前述一种非调质钢螺栓制造过程中的冷作形变强化工艺，根据加工M10，M12，M14，M16，M18，M20，M22的螺栓，合理选用线材规格分别是:Φ11.6mm，Φ13.5mm，Φ15mm，Φ17mm、Φ19mm，Φ21mm，Φ23mm。拉拔后相应的工艺料的规格分别是:8.67~9.41mm，10.5~11.24mm，12.32~13.24mm，14.32~15.2mm，16~17.2mm，18~19.2mm，20~21.2mm；滚压后相应的工艺料的规格分别是8.92~9.46mm，10.75~11.29mm，12.57~13.29mm，14.57~15.25mm，16.24~17.25mm，18.24~19.24mm，20.24~21.24mm。

前述一种非调质钢螺栓制造过程中的冷作形变强化工艺，控制滚压压入量为0.05~0.25mm，螺栓获得表面强化效果，且滚压完的工件表面质量较好。

在所述的滚压工序和滚丝工序中，滚压部位的长度大于或等于滚丝部位的长度，目的是对螺纹部分形成复合强化效果，提高螺栓强度。

与现有技术相比，优点是：1、滚压后的工件表面光洁度较高，可提高螺栓的表面质量；2、滚压工序可纤维化螺栓表面组织，增加组织中位错密度，使螺栓获得较好的表面硬度，提高螺纹部分强度；3、滚压工序在螺栓表面引入残留压应力，可提高螺栓的疲劳寿命和耐蚀性；4、螺栓经过拉拔和滚压复合形变强化，可提高螺栓整体强度，该高强度螺栓可全面达到GBT_3098.1中规定的9.8级、10.9级高强度螺栓的所有性能指标。且工艺简单，操作方便，可节约能耗，降低成本。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明：

根据要加工的螺栓的规格，选用合理线径的线材，依序进行以下主要工序（拉拔工序、下料工序、滚压工序、滚丝工序、时效处理工序、电镀工序、探伤工序）制成螺栓。

实施例一

加工M10螺栓方法：选用直径为Φ11.3mm的非调质钢线材，拉拔至Φ9.3mm，拉拔减面率35.72%，然后对其进行滚压处理，滚压压入量为0.1mm，再进行滚丝处理和时效处理，其加热温度为200℃，保温100分钟，后进行电镀和探伤，制成螺栓成品。本实施例中，螺栓抗拉强度R_m=970MPa，屈服强度σ_p0.2=780MPa，螺栓强度较线材强度增加52.3%，其性能满足GBT_3098.1中9.8级螺栓标准要求。

实施例二

加工M12螺栓方法：选用直径为Φ13.5mm的非调质钢线材，拉拔至Φ11.3mm，拉拔减面率29.94%，然后对其进行滚压处理，滚压压入量为0.15mm，再进行滚丝处理和时效处理，其加热温度为240℃，保温120分钟，后进行电镀和探伤，制成螺栓成品。本实施例中，螺栓抗拉强度R_m=960MPa，屈服强度σ_p0.2=770MPa，螺栓强度较线材强度增加51.3%，其性能满足GBT_3098.1中9.8级螺栓标准要求。

实施例三

加工M14螺栓方法：选用直径为Φ15mm的非调质钢线材，拉拔至Φ13mm，拉拔减面率24.9%，然后对其进行滚压处理，滚压压入量为0.12mm，再进行滚丝处理和时效处理，其加热温度为280℃，保温140分钟，后进行电镀和探伤，制成螺栓成品。

本实施例中，螺栓抗拉强度R_m=950MPa，屈服强度σ_p0.2=760MPa，螺栓强度较线材强度增加50.3%，其性能满足GBT_3098.1中9.8级螺栓标准要求。

实施例四

加工M16螺栓方法：选用直径为Φ17mm的非调质钢线材，拉拔至Φ15mm，拉拔减面率22.2%，然后对其进行滚压处理，滚压压入量为0.14mm，再进行滚丝处理和时效处理，其加热温度为320℃，保温150分钟，后进行电镀和探伤，制成螺栓成品。

本实施例中，螺栓抗拉强度R_m=940MPa，屈服强度σ_p0.2=755MPa，螺栓强度较线材强度增加49.2%，其性能满足GBT_3098.1中9.8级螺栓标准要求。

实施例五

加工M18螺栓方法：选用直径为Φ19mm的非调质钢线材，拉拔至Φ17mm，拉拔减面率19.9%，然后对其进行滚压处理，滚压压入量为0.18mm，再进行滚丝处理和时效处理，其加热温度为340℃，保温160分钟，后进行电镀和探伤，制成螺栓成品。

本实施例中，螺栓抗拉强度R_m=1150MPa，屈服强度σ_p0.2=1040MPa，螺栓强度较线材强度增加57.5%，其性能满足GBT_3098.1中10.9级螺栓标准要求。

实施例六

加工M20螺栓方法：选用直径为Φ21mm的非调质钢线材，拉拔至Φ19mm，拉拔减面率18.1%，然后对其进行滚压处理，滚压压入量为0.22mm，再进行滚丝处理和时效处理，其加热温度为380℃，保温180分钟，后进行电镀和探伤，制成螺栓成品。

本实施例中，螺栓抗拉强度R_m=1140MPa，屈服强度σ_p0.2=1035MPa，螺栓强度较线材强度增加56.7%，其性能满足GBT_3098.1中10.9级螺栓标准要求。

实施例七

加工M22螺栓方法：选用直径为Φ23mm的非调质钢线材，拉拔至Φ21.1mm，拉拔减面率15.8%，然后对其进行滚压处理，滚压压入量为0.2mm，再进行滚丝处理和时效处理，其加热温度为400℃，保温200分钟，后进行电镀和探伤，制成螺栓成品。

本实施例中，螺栓抗拉强度R_m=1120MPa，屈服强度σ_p0.2=1120MPa，螺栓强度较线材强度增加55.2%，其性能满足GBT_3098.1中10.9级螺栓标准要求。

基于上述，通过实施例一至七可知，本发明滚压后的工件表面光洁度较高，可提高螺栓的表面质量；滚压工序可纤维化螺栓表面组织，增加组织中位错密度，使螺栓获得较好的表面硬度，提高螺纹部分强度；而且滚压工序在螺栓表面引入残留压应力，可提高螺栓的疲劳寿命和耐蚀性；此外，螺栓经过拉拔和滚压复合形变强化，可提高螺栓整体强度，该高强度螺栓可全面达到GBT_3098.1中规定的9.8级、10.9级高强度螺栓的所有性能指标；本发明具有工艺简单，操作方便，可节约能耗，降低成本。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围之内。