一种摩擦型高强度螺栓用含硼钢及其生产方法

摘要

本发明提供了一种摩擦型高强度螺栓用含硼钢及其生产方法。含硼钢的化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.31‑0.37%、Si：0.17‑0.37%、Mn：0.50‑0.90%、P≤0.020%、S≤0.015%、V：0.05‑0.12%、B：0.0010‑0.0040%、Cr：0.10‑0.20%、Ti：0.035‑0.050%，其余为铁和不可避免的杂质元素。生产过程包括转炉初炼，LF精炼，连铸，入坑缓冷、加热炉加热；高压水除鳞后进行轧制和冷却；然后进行剪切、打捆、包装。本发明提供的含硼钢抗拉强度为1000‑1180Mpa，组织为铁素体+珠光体，制备成摩擦型高强度螺栓后成型性好，且具有良好的耐延迟断裂性能。

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种摩擦型高强度螺栓用含硼钢生产方法。

背景技术

螺栓连接已成为当今钢结构连接的常用方式，因其施工简单、受力性能好、方便拆换、耐疲劳、安全可靠等优点，广泛应用于建筑工程、大型重工设备、大型钢结构桥梁等领域。随着各种各样的机械设备的使用、建筑工程大型复杂化，普通螺栓已经不能满足现代工程机械的工作要求，比如机械设备快速运行、大型建筑结构的复杂受力、高温环境中的连接件作用，运行环境的复杂、工作应力的显著增大已经不是普通螺栓所能负荷。螺栓不仅用量增大，同时也直接影响着人民的生命财产安全，这就对高性能的螺栓材料的需求也更加迫切。

随着对螺栓连接的强度要求越来越高，螺栓连接副在连接件的传力方式也变得不同。由之前的类似承压型等单纯依靠螺杆传递外力的形式，转变为由高强度螺栓副固紧的连接件间的摩擦力来传递外力。由于摩擦型高强度螺栓连接副需要很大的预紧力，对其抗拉强度的要求也很高，而提高材料强度无非两种方法，一为提高螺栓材质弹性模量，再者就是增大螺栓横截面面积。但紧固件的规格太大其长度等其他几何尺寸都要相应增大，同时太大的横截面积也不能满足很多实际情况，所以提高螺栓材质弹性模量是可取的一种方法。

市场对于摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格需求集中在φ27mm、φ30mm，其主要失效模式是因组织不均断裂、松动等，这些失效与螺栓尺寸精度和热处理工艺，原材料组织因素等息息相关，因此要求摩擦型高强度螺栓产品具有极高的加工精度、楔负载、硬度试验等各项检测指标的稳定性。其加工精度则与原材料偏析稳定性紧密相关，楔负载与加入微合金钒硼成分后组织稳定性密切相关，硬度则与加钛钢中形成化合物,以第二相质点弥散分布在钢中,起到弥散强化作用息息相关。从摩擦型高强度螺栓原材料来讲，要求具有硬度、高强度、淬透性等性能指标，因此钢铁生产企业需要从窄化学成分、钛、钒、硼元素加入、组织等方面进行系统改进。

综上所述，摩擦型高强度螺栓用含硼钢生产工艺控制难度较大，现有技术中生产的摩擦型高强度螺栓用含硼钢存在组织均匀度不稳定、钛化合物析出难以控制、钒硼合金化收得率等技术问题。

在现有文献中，关于含钒硼摩擦型高强螺栓用热轧棒材的信息鲜有报导或报道不全面。仅有一些关于10.9级高强度螺栓用钢热轧圆盘条的制备方法和热处理工艺，与本发明不属于同一技术领域。由于对材料性能和节能环保的客观需求，使得开发摩擦型高强度螺栓用含钒硼钢势在必行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种摩擦型高强度螺栓用含硼钢，所提供的含硼钢可直接用于加工摩擦型高强度螺栓紧固件。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种摩擦型高强度螺栓用含硼钢，其化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.31-0.37%、Si：0.17-0.37%、Mn：0.50-0.90%、P≤0.020%、S≤0.015%、V：0.05-0.12%、B：0.0010-0.0040%、Cr：0.10-0.20%、Ti：0.035-0.050%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本发明所述的含硼钢的显微组织为铁素体+珠光体，抗拉强度1000-1180MPa。

本发明所述的含硼钢的规格为φ20-φ40mm。

本发明所述的含硼钢的规格为φ27mm、φ30mm。

本发明还提供了所述摩擦型高强度螺栓用含硼钢的生产方法，所述方法包括以下步骤：

（1）经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，铸坯化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.31-0.37%、Si：0.17-0.37%、Mn：0.50-0.90%、P≤0.020%、S≤0.015%、V：0.05-0.12%、B：0.0010-0.0040%、Cr：0.10-0.20%、Ti：0.035-0.050%，其余为铁和不可避免的杂质元素；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，方坯入坑缓冷，铸坯中心偏析控制在1.0级以下；所述低过热度为首炉35-50℃，连浇炉20-30℃；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1100-1160℃，保温时间120-210min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，终轧温度控制在810-830℃；

（4）棒材进入冷床冷却；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本发明所述的摩擦型高强度螺栓用含硼钢的生产方法，其中：所述步骤（1）中转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P≤0.009%。

本发明所述的摩擦型高强度螺栓用含硼钢的生产方法，其中：步骤（1）中所述动态轻压下控制工艺，入口压下率为0.503-0.531mm/m，出口压下率为0.172-0.193mm/m。

本发明所述的摩擦型高强度螺栓用含硼钢的生产方法，其中：所述步骤（3）中方坯高压水除鳞，除鳞水压力≥18MPa。

本发明所述的一种摩擦型高强度螺栓用含硼钢的生产方法，其中：所述步骤（3）中各机架中轧辊冷却穿水量依次为100-120m

本发明所述的一种摩擦型高强度螺栓用含硼钢的生产方法，其中：所述步骤（4）中棒材进入冷床冷却，冷床周围设置钢板挡风墙，控制棒材冷却速度≤4.0℃/S，表面温度≤500℃；钢板挡风墙高度可为2m。

本发明所述方法生产的热轧棒材组织为铁素体+珠光体，抗拉强度1000-1180MPa。

本发明成分组成元素的作用：

钢材的高强度性能满足主要取决于母材力学性能，力学性能主要决定于化学成分和显微组织。

Cr可以增强抗蠕变性能、抗高温氧化能力，使强化相在高温下得到强化进而提高组织稳定性；V元素能够增加材料淬透性，提高产品强度，在材料中能够起到细化晶粒的作用，而且能够使碳化物细小、弥散、均匀地分布；V细化晶粒使热处理的性能稳定、淬火后能够得到马氏体的晶粒比较细小，能够提高耐回火性，克服磷在钢中引起的冷脆，使产品在回火后的抗弯强度明显提高，材料的强韧性配合比较理想。

Cr、V合金元素虽然能够提高钢材的机械性能，但因降碳淬透性往往达不到，且不能保证产品的冲击韧度、缺口强度和高强度紧固件楔负载强度。加上B、Ti微合金元素，B能够弥补因降碳引起的淬透性和强度损失，V与B元素配合使用能够有效地增加淬透性，提高产品的力学性能；Ti元素不仅能够固N，还能保护基体中B元素的固溶量，使B能充分发挥提高钢的淬透性的功能,热处理后获得良好的组织,稳定和提高钢的机械性能指标。Cr、V、B、Ti元素相互配合，能够有效地提高材料的综合力学性能，提高螺栓的冲击韧度、缺口强度和高强度紧固件楔负载强度。

本发明摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材产品标准参考GB/T3632附录A.1；产品力学性能检测方法标准参考GB/T3632附录A.2。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明采用转炉双渣低P控制，减少磷化物局部富集导致的免退火直接冷成型开裂。

（2）本发明采用加热炉均热段低温加热工艺，减少钢坯表面氧化层厚度，改善棒材表面氧化铁皮厚度及脱碳层深度，有效减少下游用户因直接冷加工开裂缺陷的产生。

（3）本发明适当提高高压除磷水压力，确保钢坯表面高温氧化层除净，有效减少了下游用户因冷拉产生的质量问题。

（4）本发明适当提高轧制时各机架中轧辊冷却穿水量，适当降低终轧温度等控轧手段益于在高温段奥氏体向珠光体的相变。

（5）本发明在冷床周围设置钢板挡风墙，保证控冷手段益于在高温段奥氏体向珠光体的相变，同时挡风墙可以有效减弱残余奥氏体向马氏体过冷组织转变的驱动力。

（6）本发明摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材抗拉强度1000-1180MPa，组织为铁素体+珠光体，下游用户采用免退火工艺直接冷加工生产的摩擦型高强度螺栓成型性好，同时在工程建筑复杂受力服役时可以保持良好的耐延迟断裂性能。

附图说明

图1为实施例1摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图；

图2为实施例2摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图；

图3 为实施例3摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图；

图4为实施例4摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图；

图5为实施例5摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图；

图6 为实施例6摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图；

图7为实施例7摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图；

图8为实施例8摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

表1 各实施例含硼钢的化学成分及其质量百分含量（%）

实施例1

本实施例摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格为φ27mm，其生产方法包括以下步骤：

(1)经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，方坯端面尺寸为200mm*200mm，铸坯化学成分组成及其质量百分含量见表1；转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P：0.008%；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，过热度42℃，恒拉速0.9m/min，轻压下入口压下率为0.516mm/m，出口压下率为0.180mm/m，铸坯中心偏析控制在0.5级；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1120℃，保温时间150min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，除鳞水压力19MPa，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，各机架中轧辊冷却穿水量依次为115m

（4）棒材进入冷床冷却，冷床周围设置2m高钢板挡风墙，棒材冷却速度控制在3.8℃/S，表面温度控制在480℃；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本实施例1摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图见图1，从组织图可看出本实施制备的含硼钢的组织为铁素体+珠光体。

本实施例制备的摩擦型高强度螺栓用含硼钢抗拉强度1143MPa，经过下游免退火冷拔、冷镦、机加工、调质处理后成型良好、性能稳定。

实施例2

本实施例摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格为φ30mm，其生产方法包括以下步骤：

(1)经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，方坯端面尺寸为200mm*200mm，铸坯化学成分组成及其质量百分含量见表1；转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P：0.009%；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，过热度30℃，恒拉速0.9m/min，轻压下入口压下率为0.503mm/m，出口压下率为0.176mm/m，铸坯中心偏析控制在0.8级；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1130℃，保温时间140min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，除鳞水压力18.5MPa，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，各机架中轧辊冷却穿水量依次为106m

（4）棒材进入冷床冷却，冷床周围设置2m高钢板挡风墙，棒材冷却速度控制在3.9℃/S，表面温度控制在475℃；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本实施例2摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图见图2，从组织图可看出本实施制备的含硼钢的组织为铁素体+珠光体。

本实施例制备的摩擦型高强度螺栓用含硼钢抗拉强度1121MPa，经过下游免退火冷拔、冷镦、机加工、调质处理后成型良好、性能稳定。

实施例3

本实施例摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格为φ27mm，其生产方法包括以下步骤：

(1)经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，方坯端面尺寸为200mm*200mm，铸坯化学成分组成及其质量百分含量件表1；转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P：0.008%；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，过热度27℃，恒拉速0.9m/min，轻压下入口压下率为0.522mm/m，出口压下率为0.172mm/m，铸坯中心偏析控制在0.7级；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1135℃，保温时间135min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，除鳞水压力18.2MPa，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，各机架中轧辊冷却穿水量依次为102m

（4）棒材进入冷床冷却，冷床周围设置2m高钢板挡风墙，棒材冷却速度控制在3.85℃/S，表面温度控制在477℃；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本实施例3摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图见图3，从组织图可看出本实施制备的含硼钢的组织为铁素体+珠光体。

本实施例制备的摩擦型高强度螺栓用含硼钢抗拉强度1061MPa，经过下游免退火冷拔、冷镦、机加工、调质处理后成型良好、性能稳定。

实施例4

本实施例摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格为φ30mm，其生产方法包括以下步骤：

(1)经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，方坯端面尺寸为200mm*200mm，铸坯化学成分组成及其质量百分含量见表1；转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P：0.008%；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，过热度24℃，恒拉速0.9m/min，轻压下入口压下率为0.525mm/m，出口压下率为0.182mm/m，铸坯中心偏析控制在0.9级；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1150℃，保温时间125min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，除鳞水压力19.1MPa，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，各机架中轧辊冷却穿水量依次为112m

（4）棒材进入冷床冷却，冷床周围设置2m高钢板挡风墙，棒材冷却速度控制在3.91℃/S，表面温度控制在475℃；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本实施例4摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图见图4，从组织图可看出本实施制备的含硼钢的组织为铁素体+珠光体。

本实施例制备的摩擦型高强度螺栓用含硼钢抗拉强度1081MPa，经过下游免退火冷拔、冷镦、机加工、调质处理后成型良好、性能稳定。

实施例5

本实施例摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格为φ30mm，其生产方法包括以下步骤：

(1)经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，方坯端面尺寸为200mm*200mm，铸坯化学成分组成及其质量百分含量见表1；转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P：0.009%；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，过热度22℃，恒拉速0.9m/min，轻压下入口压下率为0.533mm/m，出口压下率为0.185mm/m，铸坯中心偏析控制在0.7级；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1160℃，保温时间120min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，除鳞水压力19.5MPa，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，各机架中轧辊冷却穿水量依次为120m

（4）棒材进入冷床冷却，冷床周围设置2m高钢板挡风墙，棒材冷却速度控制在3.95℃/S，表面温度控制在470℃；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本实施例5摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图见图5，从组织图可看出本实施制备的含硼钢的组织为铁素体+珠光体。

本实施例制备的摩擦型高强度螺栓用含硼钢抗拉强度1079MPa，经过下游免退火冷拔、冷镦、机加工、调质处理后成型良好、性能稳定。

实施例6

本实施例摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格为φ30mm，其生产方法包括以下步骤：

(1)经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，方坯端面尺寸为200mm*200mm，铸坯化学成分组成及其质量百分含量件表1；转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P：0.006%；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，过热度25℃，恒拉速0.9m/min，轻压下入口压下率为0.529mm/m，出口压下率为0.191mm/m，铸坯中心偏析控制在0.6级；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1140℃，保温时间170min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，除鳞水压力20.1MPa，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，各机架中轧辊冷却穿水量依次为110m

（4）棒材进入冷床冷却，冷床周围设置2m高钢板挡风墙，棒材冷却速度控制在3.74℃/S，表面温度控制在496℃；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本实施例6摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图见图6，从组织图可看出本实施制备的含硼钢的组织为铁素体+珠光体。

本实施例制备的摩擦型高强度螺栓用含硼钢抗拉强度1052MPa，经过下游免退火冷拔、冷镦、机加工、调质处理后成型良好、性能稳定。

实施例7

本实施例摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格为φ27mm，其生产方法包括以下步骤：

(1)经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，方坯端面尺寸为200mm*200mm，铸坯化学成分组成及其质量百分含量见表1；转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P：0.007%；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，过热度21℃，恒拉速0.9m/min，轻压下入口压下率为0.512mm/m，出口压下率为0.193mm/m，铸坯中心偏析控制在0.6级；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1115℃，保温时间210min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，除鳞水压力19.3MPa，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，各机架中轧辊冷却穿水量依次为113m

（4）棒材进入冷床冷却，冷床周围设置2m高钢板挡风墙，棒材冷却速度控制在3.68℃/S，表面温度控制在483℃；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本实施例7摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图见图7，从组织图可看出本实施制备的含硼钢的组织为铁素体+珠光体。

本实施例制备的摩擦型高强度螺栓用含硼钢抗拉强度1117MPa，经过下游免退火冷拔、冷镦、机加工、调质处理后成型良好、性能稳定。

实施例8

本实施例摩擦型高强度螺栓用含硼钢热轧棒材规格为φ27mm，其生产方法包括以下步骤：

(1)经转炉初炼，LF精炼，连铸工序，制成方坯，方坯端面尺寸为200mm*200mm，铸坯化学成分组成及其质量百分含量见表1；转炉初炼采用双渣冶炼，控制终点P：0.007%；连铸采用低过热度和动态轻压下控制工艺，过热度20℃，恒拉速0.9m/min，轻压下入口压下率为0.507mm/m，出口压下率为0.182mm/m，铸坯中心偏析控制在0.5级；

（2）将方坯在步进式加热炉加热到1100℃，保温时间190min；

（3）方坯表面经高压水除鳞后，除鳞水压力20.3MPa，依次经过粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径轧机，各机架中轧辊冷却穿水量依次为100m

（4）棒材进入冷床冷却，冷床周围设置2m高钢板挡风墙，棒材冷却速度控制在3.82℃/S，表面温度控制在467℃；

（5）棒材经冷床快速收集后，运行至定尺剪切机、打捆机、包装工序。

本实施例8摩擦型高强度螺栓用含硼钢组织图见图8，从组织图可看出本实施制备的含硼钢的组织为铁素体+珠光体。

本实施例制备的摩擦型高强度螺栓用含硼钢抗拉强度1102MPa，经过下游免退火冷拔、冷镦、机加工、调质处理后成型良好、性能稳定。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，本领域的技术人员依然可以对本发明进行修改或等同替换，而不脱离本发明其范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。