CN109913737B

CN109913737B - 高强度螺栓及其制备方法

Info

Publication number: CN109913737B
Application number: CN201910366306.1A
Authority: CN
Inventors: 崔国栋; 孙浩儿; 马骥
Original assignee: Ningbo Haobo Coating Technology Co ltd
Current assignee: Ningbo Haobo Coating Technology Co ltd
Priority date: 2019-05-05
Filing date: 2019-05-05
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2039-05-05
Also published as: CN109913737A

Abstract

一种高强度螺栓及其制备方法，涉及螺栓领域。该高强度螺栓包括螺栓体及设于螺栓体表面的氮氧碳共渗层；螺栓体中各成分的质量百分比为：C：0.35～0.40％，Si：0.4～0.6％，Mn：0.8～1.0％，Cr：0.8～1.0％，Mo：0.15～0.2％，V：0.10～0.15％，Ni：0.15～0.2％，Al：0～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。该高强度螺栓的制备方法包括以下步骤：将中碳低合金钢制成的螺栓胚体加热、淬火处理得到螺栓体；将螺栓体进行回火处理，并在回火处理的同时进行氮氧碳共渗处理。本申请提供的高强度螺栓及其制备方法能够改善制得的高强度螺栓的疲劳寿命和耐环境腐蚀性能。

Description

高强度螺栓及其制备方法

技术领域

本申请涉及螺栓加工技术领域，具体而言，涉及一种高强度螺栓及其制备方法。

背景技术

高强度螺栓一般是指性能等级在8.8级以上的螺栓。高强度螺栓是一种重要的紧固件，其种类繁多并被大量应用于机械、舰船、轨道交通、桥梁等领域。高强度螺栓一般采用中低碳高强度钢制造，在制备过程中需要采用调质处理来改善其强韧性的同时提高耐疲劳性能。另外，几乎所有的高强度螺栓都需要进行表面防腐处理来改善耐环境腐蚀性能，以提高使用寿命和服役安全系数。

目前，高强度螺栓的主要表面防腐处理方法有磷皂化、电镀、化学镀，在进行表面防腐处理前还需要进行表面除油、酸洗、活化等前处理，这些前处理方式均会产生大量的废液排放，易造成严重的环境污染。同时在表面防腐处理的方法中，磷皂化防腐效果相对较差；电镀、化学镀防腐效果相对较好，但成本高，同时还会产生大量的废液。由此可见，高强度螺栓的表面防腐处理技术依然具有较大的改进和提升空间，高强度螺栓的防腐性能，尤其是耐酸雨和海洋环境的腐蚀性能还需要大幅度提升。

发明内容

本申请的目的在于提供一种高强度螺栓及其制备方法，以改善高强度螺栓的疲劳寿命和耐环境腐蚀性能。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种高强度螺栓，其包括由中碳低合金钢制成的螺栓体及设于螺栓体表面的氮氧碳共渗层；

其中，中碳低合金钢中各成分按质量百分比包括：C：0.35～0.40％，Si：0.4～0.6％，Mn：0.8～1.0％，Cr：0.8～1.0％，Mo：0.15～0.20％，V：0.10～0.15％，Ni：0.15～0.2％，Al：0～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本申请实施例提供的高强度螺栓包括中碳低合金钢制成的螺栓体及在螺栓体表面设置的氮氧碳共渗层，通过氮氧碳共渗层能够有效的改善制备得到的高强度螺栓的硬度和强度、耐蚀性和耐疲劳性能；此外，通过控制中碳低合金钢中各成分的质量百分比含量，能够保证高强度螺栓的螺栓体的性能稳定可靠，本申请提供的高强度螺栓是在35CrMo、42CrMo材质的基础上进一步在成分设计和制造工艺上进行改进，严格的控制C元素的含量，并提高Si、Mn元素的含量，通过加入V、Ni合金元素，能够获得成分组织均匀、洁净度高、晶粒较细的高强度螺栓，以保证制备得到的高强度螺栓的机械性能。

在一些可选的实施方案中，氮氧碳共渗层的表面还设有内含纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂层。

上述技术方案中，通过在氮氧碳共渗层的表面设置含有纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂层，能够进一步的改善高强度螺栓的耐蚀性能、阻尼性能和摩擦系数，从而保证制备得到的高强度螺栓能够具有一定的减震作用和放松性能。

在一些可选的实施方案中，锌铝涂层内含有质量百分比为3％～5％的纳米多孔Fe-N合金粉末；可选的，锌铝涂层的厚度为5μm～8μm。

上述技术方案中，通过在锌铝涂层内加入质量百分比为3～5％的纳米多孔Fe-N合金粉末，能够保证纳米多孔Fe-N合金粉末均匀的分散于锌铝涂层内，并覆盖于螺栓体的表面，以起到改善耐蚀性能、阻尼性能和摩擦系数的功效；通过控制锌铝涂层的厚度为5μm～8μm，就能够有效的提高高强度螺栓表面的耐蚀性、阻尼性能和摩擦系数。

在一些可选的实施方案中，中碳低合金钢中杂质按质量百分比包括：S<0.015％，P<0.015％，O<0.0015％，N<0.0020％。

上述技术方案中，通过严格的控制S、P、O、N等杂质元素的含量，能够避免它们降低制备得到的高强度螺栓的组织均匀度和晶粒粒度，保证制备得到的高强度螺栓具有足够的强度和硬度。

在一些可选的实施方案中，氮氧碳共渗层包括设于螺栓体表面的气体共渗扩散层和设于气体共渗扩散层表面的气体共渗化合物层；可选的，气体共渗扩散层的厚度为0.15mm～0.25mm；可选的，气体共渗化合物层的厚度为5μm～20μm。

上述技术方案中，氮氧碳共渗层由设于螺栓体表面的气体共渗扩散层和设于气体共渗扩散层表面的气体共渗化合物层组成，气体共渗扩散层是由气体共渗化合物层在热处理时溶解并向螺栓体内部扩散形成的。通过控制气体共渗扩散层的厚度为0.15mm～0.25mm及控制气体共渗化合物层的厚度为5μm～20μm，能够有效的提高螺栓体的结构强度和抗腐蚀性能。

第二方面，本申请实施例还提供了第一方面中高强度螺栓的制备方法，包括以下步骤：

将中碳低合金钢制成的螺栓胚体加热、淬火处理，得到螺栓体；

将螺栓体进行回火处理，并在回火处理的同时进行氮氧碳共渗处理。

本申请实施例提供的高强度螺栓的制备方法是将中碳低合金钢制成螺栓胚体后，加热、淬火处理得到螺栓体，随后将螺栓体进行回火处理的同时进行氮氧碳共渗处理，以在螺栓体表面形成氮氧碳共渗层。该高强度螺栓的制备方法改进了传统的热处理工艺，在螺栓胚体成型后直接加热水浴淬火，并在回火的过程中进行碳氮表面气体共渗处理，整个加工过程中不需要进行酸洗、活化、除油等工序，在制备过程中无废液、固体废弃物排放，能够在保证螺栓产品性能和质量的前提下，大幅度减少环境污染和节约成本。

在一些可选的实施方案中，将中碳低合金钢制成的螺栓胚体加热至840℃～860℃后使用50℃～60℃的水浴进行淬火。

上述技术方案中，通过在840℃～860℃下使用50～60℃的水浴进行淬火，能够降低成本和减少环境污染，使螺栓体表面无需再进行酸洗或除油等清洁处理。

在一些可选的实施方案中，氮氧碳共渗处理是在回火处理时先通入空气，随后通入氨气、空气和雾化后渗透剂组成的混合气体，混合气体中氨气和空气的体积比为5～7：1，混合气体中氨气和空气的总体积和渗透剂的体积比为1：35×10^-6～50×10^-6；渗透剂中C、H、O的原子比为10～14：40～44：10～12。

上述技术方案中，通过在回火过程中依次通过入空气和氨气、空气和雾化后渗透剂组成的混合气体，能够在螺栓体表面形成氮氧碳共渗层，通过控制混合气体中氨气、空气和雾化后渗透剂的体积比和渗透剂中C、H、O的原子比，能够进一步的控制螺栓体表面形成的氮氧碳共渗层的结构，以改善制备得到的高强度螺栓的强度和耐蚀性。

在一些可选的实施方案中，回火处理的温度为550℃～650℃，回火处理的时间为0.5h～1.5h；可选的，回火处理时通入空气的时间和通入混合气体的时间比为1：2～4。

上述技术方案中，通过控制回火处理的温度和时间，能够根据螺栓的尺寸在螺栓体表面形成氮氧碳共渗层，以提高高强度螺栓的性能；同时通过控制回火处理时通入空气和混合气体的时间比，能够调节在螺栓体表面形成氮氧碳共渗层的厚度，从而调节高强度螺栓的性能。

在一些可选的实施方案中，步骤还包括：将螺栓体进行回火处理，并在回火处理的同时进行氮氧碳共渗处理后，冷却并涂覆含有纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂层，烘干。

上述技术方案中，在螺栓体表面制备得到氮氧碳共渗层后进一步形成含有纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂层，能够有效的改善高强度螺栓的耐蚀性、阻尼性能和摩擦系数。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1提供的高强度螺栓的表面组织的微观形貌示意图。

图中：100-螺栓基体组织；110-气体共渗扩散层；120-气体共渗化合物层；130-锌铝涂层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下结合实施例对本申请的高强度螺栓及其制备方法作进一步的详细描述。

第一方面，本申请实施例提供了一种高强度螺栓，其包括由中碳低合金钢制成的螺栓体及设于螺栓体表面的氮氧碳共渗层；中碳低合金钢中各成分的质量百分比为：C：0.35％～0.40％，Si：0.4％～0.6％，Mn：0.8％～1.0％，Cr：0.8％～1.0％，Mo：0.15％～0.20％，V：0.10％～0.15％，Ni：0.15％～0.2％，Al：0％～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本申请中，所述的中碳低合金钢中，中碳是指碳元素的质量百分比在0.25％～0.65％之间，低合金是指合金元素的质量百分比小于5％；氮氧碳共渗层是向工件表面同时渗入氮、氧、碳元素的化学表面热处理工艺得到的渗层。

本申请提供的高强度螺栓由中碳低合金钢制成的螺栓体及覆盖于螺栓体表面的氮氧碳共渗层组成，通过严格控制中碳低合金钢中碳含量及调整各合金元素含量以获得成分组织均匀、洁净度高、晶粒较细的高强度螺栓用钢材，其中，控制C含量并调节Si、Mn元素含量，能够在控制结构强度的前提下改善抗腐蚀性能；调节加入V元素的含量有利于提高回火稳定性和细化微观组织；调节加入Ni元素的含量有利于改善韧塑性，为表面气体共渗处理奠定基础，而螺栓体表面的氮氧碳共渗层能够进一步的有效提高高强度螺栓的结构强度、硬度和耐腐蚀性。

在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中C的质量百分比还可以为0.35％、0.36％、0.37％、0.38％、0.39％、0.40％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中Si的质量百分比还可以为0.41％、0.42％、0.43％、0.44％、0.45％、0.46％、0.47％、0.48％、0.49％、0.50％、0.51％、0.52％、0.53％、0.54％、0.55％、0.56％、0.57％、0.58％、0.59％、0.60％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中Mn的质量百分比还可以为0.81％、0.82％、0.83％、0.84％、0.85％、0.86％、0.87％、0.88％、0.89％、090％、0.91％、0.92％、0.93％、0.94％、0.95％、0.96％、0.97％、0.98％、0.99％、1.0％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中Cr的质量百分比还可以为0.81％、0.82％、0.83％、0.84％、0.85％、0.86％、0.87％、0.88％、0.89％、090％、0.91％、0.92％、0.93％、0.94％、0.95％、0.96％、0.97％、0.98％、0.99％、1.0％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中Mo的质量百分比还可以为0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.20％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中V的质量百分比还可以为0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中Ni的质量百分比还可以为0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.20％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中Al的质量百分比还可以为0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.10％。

在一些可选的实施例中，氮氧碳共渗层包括设于螺栓体表面的气体共渗扩散层和设于气体共渗扩散层表面的气体共渗化合物层；其中，气体共渗化合物层的厚度为5μm～20μm，或10μm～15μm，例如但不限于5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm；气体共渗扩散层的厚度为0.15mm～0.25mm，例如但不限于0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.20mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm。

在一些可选的实施例中，氮氧碳共渗层中N、O、C的原子比为70～75：20～25：5～10，例如但不限于70：20：10、70：25：10、70：20：5、75：20：10、75：25：5、72：22：8、70：25：5、75：25：10。通过在螺栓体表面制备得到氮氧碳原子比为70～75：20～25：5～10的氮氧碳共渗层，能够有效的提高高强度螺栓的强度和抗腐蚀性能。

在一些可选的实施例中，氮氧碳共渗层表面还设有内含纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂层，锌铝涂层内纳米多孔Fe-N合金粉末的质量百分比为3％～5％。Fe-N合金粉末具有硬度高、耐磨性能好、耐蚀性能强的优点，将其加入到锌铝涂层中能够显著的提高螺栓表面的耐蚀性能、阻尼性能和摩擦系数。在一些可选的实施例中，纳米多孔Fe-N合金粉末的质量百分比还可以为3％、3.5％、4％、4.5％、5％。在一些可选的实施例中，锌铝涂层的厚度为5μm～8μm，例如但不限于5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm。

在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中杂质的质量百分比为：S<0.015％，P<0.015％，O<0.0015％，N<0.0020％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中S的质量百分比还可以为<0.010％、<0.005％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中P的质量百分比还可以为<0.010％、<0.005％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中O的质量百分比还可以为<0.0010％、<0.0005％。在一些可选的实施例中，中碳低合金钢中N的质量百分比还可以为<0.0015％、<0.0010％、<0.0005％。通过严格控制中碳低合金钢中S、P、O、N等杂质元素的含量，能够避免杂质元素对螺栓体的成分组织和晶粒造成不利影响，降低高强度螺栓的机械性能和抗腐蚀能力。

第二方面，本申请还提供了上述第一方面中高强度螺栓的制备方法，包括以下步骤：

将中碳低合金钢加工成螺栓胚体，随后依次进行加热、淬火处理得到螺栓体；

将螺栓体进行回火处理，并在回火处理的同时进行氮氧碳共渗处理，随后冷却即得。

本申请实施例提供的中高强度螺栓的制备方法改进了高强度螺栓的加工工艺，将制成的螺栓胚体加热、淬火处理后，直接在回火处理的同时进行氮氧碳共渗处理，整个加工处理过程不需要进行常规的酸洗、活化、除油等工序，在保证产品性能和质量的前提下，能够大幅度减少环境污染和节约成本，且在制备过程中无废液、固体废弃物排放，对环境无污染，并制备得到具有长疲劳寿命和高耐蚀性的新型高强度螺栓。

在一些可选的实施例中，中碳低合金钢的制备方法可以是：按中碳低合金钢的元素含量配比称取原料，使用真空电炉冶炼后通过气体保护电渣炉熔炼，随后经过热锻造和热轧制成中碳低合金钢坯材，最后去除表面脱碳层和氧化皮得到中碳低合金钢，使制备得到的中碳低合金钢的奥氏体晶粒度保持在7级以上，保证使用中碳低合金钢制备得到的螺栓胚体具有强的结构强度。在一些可选的实施例中，加热可以采用感应加热。

在一些可选的实施例中，淬火处理是在840℃～860℃下使用50℃～60℃的水浴进行淬火。通过使用水浴进行淬火，能够避免使用油浴或聚合物进行淬火时造成的环境污染和成本提升，同时也能够免去后续进行酸洗或除油等清洁工艺，在降低成本和工序的同时也避免了对环境造成污染。在一些可选的实施例中，淬火处理的温度还可为841℃、842℃、843℃、844℃、845℃、846℃、847℃、848℃、849℃、850℃、851℃、852℃、853℃、854℃、855℃、856℃、857℃、858℃、859℃、860℃。在一些可选的实施例中，淬火处理时水浴的温度还可以为51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃、60℃。

在一些可选的实施例中，氮氧碳共渗处理是在回火处理时先通入空气，随后通入氨气、空气和雾化后渗透剂组成的混合气体，混合气体中氨气和空气的体积比为5～7：1，混合气体中氨气和空气的总体积和渗透剂的体积比为1：35×10-⁶～50×10^-6；渗透剂中C、H、O的原子比为10～14：40～44：10～12。通过在回火处理过程中依次通过空气及氨气、空气和雾化后渗透剂组成的混合气体，能够在螺栓体的表面形成氮氧碳共渗层，从而有效的提高螺栓体的硬度和抗腐蚀能力。在一些可选的实施例中，混合气体中氨气和空气的体积比还可以为5：1、5.5：1、6：1、6.5：1、7：1。在一些可选的实施例中，混合气体中氨气和空气的总体积和渗透剂的体积比还可以为1：35×10^-6、1：40×10^-6、1：45×10^-6、1：50×10^-6。在一些可选的实施例中，渗透剂中C、H、O的原子比还可以为12：42：10、10：40：10、10：42：12、12：42：12、11：41：11、14：44：11。在一些可选的实施例中，渗透剂可以由丙酮、甲醇、苯胺混合制备得到。通过控制渗透剂中C、H、O的原子比为10～14：40～44：10～12，并调节回火处理时通入空气及氨气、空气和雾化后渗透剂组成的混合气体的体积和时间比，能够控制螺栓体表面形成的氮氧碳共渗层中N、O、C的原子比为70～75：20～25：5～10，从而保证螺栓体具有优异的抗腐蚀性能和机械性能。

在一些可选的实施例中，回火处理的温度还可以为550℃～650℃，或575℃～625℃，例如但不限于560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃、620℃、630℃、640℃、650℃；回火处理的时间还可以为0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h，回火处理的时间还可以根据螺栓样品的尺寸和实际需求延长或减少。

在一些可选的实施例中，回火处理时通入空气的时间和通入混合气体的时间比为1：2～4。通过控制回火时通入空气的时间和通入混合气体的时间比，能够控制在螺栓体表面形成的氮氧碳共渗层的厚度大小，通入空气的时间和通入混合气体的时间比越大，氮氧碳共渗层的厚度越小，通入空气的时间和通入混合气体的时间比越小，氮氧碳共渗层的厚度越大。在一些可选的实施例中，回火处理时通入空气的时间和通入混合气体的时间比还可以为1：2、1：2.5、1：3、1：3.5、1：4。

在一些可选的实施例中，将螺栓体进行回火处理，并在回火处理的同时进行氮氧碳共渗处理、冷却后，还可以进一步涂覆含有纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂层，烘干。可选的，烘干的温度为300℃～350℃，如烘干的温度可以为310℃、320℃、330℃、340℃、350℃。

以下结合实施例对本申请实施例提供的高强度螺栓的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

一种高强度螺栓的制备方法，该螺栓采用中碳低合金钢制造，中碳低合金钢坯材成分的质量百分比如下：碳C：0.35％；硅Si：0.6％；锰Mn：0.80％；铬Cr：1.0％；钼Mo：0.20％；钒V：0.10％；镍Ni：0.15％；铝Al：0.10％；铁Fe：96.87％；其中杂质元素，硫S：0.015％；磷P：0.015％；

按上述元素配比称取原料，采用真空电炉冶炼，再通过气体保护电渣炉熔炼，最后经过热锻造和热轧制成中碳低合金钢坯材，热轧后的中碳低合金钢坯材去除表面脱碳层和氧化皮，使奥氏体晶粒度保持在7级以上。

以该中碳低合金钢坯材为原料，经中频感应加热后对螺栓进行成型得到M24×80的大六角头螺栓，成型后螺栓在850℃温度下放入50℃的水浴中进行淬火，淬火后的螺栓体直接放入550℃的气氛炉中进行回火，回火总时间为1h，回火时前20min为空气气氛，后40min在氨气、空气和液体渗透剂的雾化气体组成的混合气氛中同时进行回火和气体共渗处理形成氮氧碳共渗层；其中混合气氛中氨气和空气的体积比为5：1，液体渗透剂由丙酮、甲醇、苯胺混合制备得到且碳C、氢H、氧O的原子比例为14：44：11，在共渗过程中，向气氛炉中每通入1m³氨气和空气的混合气体，则通入35ml液体渗透剂的雾化气体。

回火处理后的螺栓在流动的空气中冷却至室温，然后参照GB/T26110-2010标准，再在螺栓的表面涂覆一层含有质量百分比为3％的纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂料，涂覆的锌铝涂料的厚度控制在5μm，在300℃的环境下烘干30min，然后空冷至室温，获得高强度螺栓。

如图1所示，对本实施例制备得到的高强度螺栓进行微观金相形貌分析，高强度螺栓包括螺栓基体组织100、依次设于螺栓基体组织100表面的气体共渗扩散层110、气体共渗化合物层120和锌铝涂层130，气体共渗扩散层110的厚度约0.15mm，气体共渗化合物层120的厚度约10μm。经检测，高强度螺栓的抗拉强度达到1220MPa，抗滑移载荷达到598kN，经过1200h的中性盐雾腐蚀试验，未发生明显腐蚀。

实施例2

一种高强度螺栓的制备方法，该螺栓采用中碳低合金钢制造，中碳低合金钢坯材成分的质量百分比如下：碳C：0.40％；硅Si：0.4％；锰Mn：1.0％；铬Cr：0.8％；钼Mo：0.15％；钒V：0.15％；镍Ni：0.2％；铁Fe：96.878％；其中杂质元素，硫S：0.012％；磷P：0.010％；称取上述元素累计相加为100％。

采用真空电炉冶炼，再通过气体保护电渣炉熔炼，最后经过热锻造和热轧制成中碳低合金钢坯材，热轧后的中碳低合金钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度保持在7级以上。

以该中碳低合金钢坯材为原料，经中频感应加热后对螺栓进行成型得到M24×80的大六角头螺栓，成型后螺栓在870℃温度下放入60℃的水浴中进行淬火，淬火后的螺栓体直接放入600℃的气氛炉中进行回火，回火总时间为80min，回火时前20min为空气气氛，后60min在氨气、空气和液体渗透剂的雾化气体组成的混合气氛中同时进行回火和气体共渗处理形成氮氧碳共渗层；其中混合气氛中氨气和空气的体积比为7：1，液体渗透剂由丙酮、甲醇、苯胺混合制备得到且碳C、氢H、氧O的原子比例为14：44：11，在共渗过程中，向气氛炉中每通入1m³氨气和空气的混合气体，则通入50ml液体渗透剂的雾化气体。

回火处理后的螺栓在流动的空气中冷却至室温，然后参照GB/T26110-2010标准，再在螺栓表面涂一层含有质量百分比为5％的纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂料，涂覆的锌铝涂料的厚度控制在8μm，涂覆后在350℃的环境下烘干30min，然后空冷至室温，获得高强度螺栓。

该高强度螺栓表面的氮氧碳共渗层中，气体共渗化合物层的厚度约15μm，气体共渗扩散层的厚度约0.20mm。经检测，高强度螺栓的抗拉强度达到1135MPa，抗滑移载荷达到591kN，经过2400h的中性盐雾腐蚀试验，未发生明显腐蚀。

实施例3

一种高强度螺栓的制备方法，该螺栓采用中碳低合金钢制造，中碳低合金钢坯材成分的质量百分比如下：碳C：0.36％；硅Si：0.5％；锰Mn：0.8％；铬Cr：0.9％；钼Mo：0.18％；钒V：0.12％；镍Ni：0.2％；铁Fe：96.92％；其中杂质元素，硫S：0.010％；磷P：0.010％；称取上述元素累计相加为100％。

采用真空电炉冶炼，随后通过气体保护电渣炉进行熔炼，最后经过热锻造和热轧制成中碳低合金钢坯材，将中碳低合金钢坯材去除表面的脱碳层和氧化皮，使奥氏体晶粒度保持在7级以上。

以该中碳低合金钢坯材为原料，经中频感应加热后对螺栓进行成型得到M24×80的大六角头螺栓，成型后螺栓在860℃温度下放入50℃的水浴中进行淬火，淬火后的螺栓体直接放入650℃的气氛炉中进行回火，回火总时间为50min，回火时前10min为空气气氛，后40min在氨气、空气和液体渗透剂的雾化气体组成的混合气氛中同时进行回火和气体共渗处理形成氮氧碳共渗层；其中混合气氛中氨气和空气的体积比为6：1，液体渗透剂由丙酮、甲醇、苯胺混合制备得到且碳C、氢H、氧O的原子比例为14：44：11，在共渗过程中，向气氛炉中每通入1m³氨气和空气的混合气体，则通入40ml液体渗透剂的雾化气体。

回火处理后的螺栓在流动的空气中冷却至室温，参照GB/T26110-2010标准在螺栓表面涂覆一层含有5％质量百分比的纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂料，锌铝涂料的厚度控制在8μm，涂覆后在350℃的环境下烘烤30min，然后在流动的空气中冷却至室温，得到高强度螺栓。

该高强度螺栓表面的氮氧碳共渗层中，气体共渗化合物层的厚度约20μm，气体共渗扩散层的厚度约0.25mm。经检测，高强度螺栓的抗拉强度达到1025MPa，抗滑移载荷达到568kN，经过3500h的中性盐雾腐蚀试验，未发生明显腐蚀。

综上所述，本申请提供的高强度螺栓能够有效的改善硬度和强度、耐蚀性和耐疲劳性能。本申请实施例提供的高强度螺栓的制备方法改进了螺栓加工过程中的热处理工艺，在螺栓成型后回火的过程中进行碳氧氮表面气体共渗处理，整个加工过程中不需要进行酸洗、活化、除油等工序，在制备过程中无废液、固体废弃物排放，能够在保证螺栓产品性能和质量的前提下，大幅度减少环境污染和节约成本。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims

1.一种高强度螺栓，其特征在于，其包括由中碳低合金钢制成的螺栓体及设于所述螺栓体表面的氮氧碳共渗层，所述氮氧碳共渗层的表面还设有内含纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂层；

其中，所述中碳低合金钢中各成分按质量百分比包括：C：0.35％～0.40％，Si：0.4％～0.6％，Mn：0.8％～1.0％，Cr：0.8％～1.0％，Mo：0.15％～0.20％，V：0.10％～0.15％，Ni：0.15％～0.2％，Al：0％～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度螺栓，其特征在于，所述锌铝涂层内含有质量百分比为3％～5％的所述纳米多孔Fe-N合金粉末；所述锌铝涂层的厚度为5μm～8μm。

3.根据权利要求1所述的高强度螺栓，其特征在于，所述中碳低合金钢中所述杂质按质量百分比包括：S<0.015％，P<0.015％，O<0.0015％，N<0.0020％。

4.根据权利要求1所述的高强度螺栓，其特征在于，所述氮氧碳共渗层包括设于所述螺栓体表面的气体共渗扩散层和设于所述气体共渗扩散层表面的气体共渗化合物层；所述气体共渗扩散层的厚度为0.15mm～0.25mm；所述气体共渗化合物层的厚度为5μm～20μm。

5.如权利要求1-4中任一项所述的高强度螺栓的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述螺栓体进行回火处理，并在所述回火处理的同时进行氮氧碳共渗处理；

冷却并涂覆含有纳米多孔Fe-N合金粉末的锌铝涂层，烘干。

6.根据权利要求5所述的高强度螺栓的制备方法，其特征在于，将所述中碳低合金钢制成的所述螺栓胚体加热至840℃～860℃后使用50℃～60℃的水浴进行淬火。

7.根据权利要求5所述的高强度螺栓的制备方法，其特征在于，所述氮氧碳共渗处理是在所述回火处理时先通入空气，随后通入氨气、空气和雾化后渗透剂组成的混合气体，所述混合气体中所述氨气和所述空气的体积比为5～7：1，所述混合气体中所述氨气和所述空气的总体积和所述渗透剂的体积比为1：35×10^-6～50×10^-6；所述渗透剂中C、H、O的原子比为10～14：40～44：10～12。

8.根据权利要求7所述的高强度螺栓的制备方法，其特征在于，所述回火处理的温度为550℃～650℃；所述回火处理时通入空气的时间和通入混合气体的时间比为1：2～4。