CN111334706B - 一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓制造方法,主要通过在调质处理前添加一道热处理工艺,使调质处理后的组织均匀化以及晶粒细化,即工艺流程中的析出相调整处理。在通过这种析出相调整处理后,在基体组织中充分弥散析出AlN、TiN、TiC、VC、NbC、V(C、N)、Nb(C、N)等细小第二相颗粒,在后续调质处理淬火加热时起钉扎晶界作用,阻碍加热时奥氏体晶粒的长大,起到细化晶粒作用;这种析出相调整处理还可获得细小珠光体和铁素体平衡状态组织,在后续淬火加热时提高奥氏体形核率并形核均匀。在析出相调整处理后进行调质处理,最后获得组织均匀及晶粒细化的高强度螺栓。
Description
技术领域
本发明涉及一种组织均匀化及晶粒细化高强度螺栓制造方法,还涉及该方法获得的螺栓钢。
背景技术
高强度螺栓在汽车上使用十分普遍,同时,随着汽车轻量化的要求、发动机高功率小型化的要求以及整车性能的不断提高,对高强度螺栓的性能要求也在不断提高。当螺栓所受的应力增大,而截面尺寸的增加又受到设计结构的限制时,提高螺栓的强度级别、疲劳性能、延迟断裂性能等也就显得尤为重要。传统调质处理工艺,晶粒在奥氏体化温度下长时间保温容易长大,而粗大的晶粒又会使材料的强度、塑韧性下降。同时淬火加热保温温度较低不利于难溶的V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素溶入奥氏体基体中,只有加热时溶入奥氏体中的合金元素,在冷却时才能有效的在钢中生成能钉扎晶界的第二相颗粒。微合金螺栓钢是在原有材料的基础上加入V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素,微合金元素在钢中将以稳定的第二相形式析出,从而能起到阻碍晶粒长大的作用。但是这些第二相颗粒在热加工过程中若工艺设置不当会发生溶解(或不完全溶解)、析出、长大现象,第二相颗粒不能大量细小弥散析出,其钉扎晶界阻碍晶粒长大的作用不能充分发挥。
发明内容
为了使螺栓钢调质处理后晶粒细化,提高其强度和塑韧性,在螺栓钢中添加V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素。为使第二相能充分析出并钉扎晶界阻碍晶粒长大,本发明提供了一种析出相调整处理方法来细化调质处理后的晶粒。
一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓钢制造方法,主要工序为原材料球化退火、冷拔、球化退火、冷镦成型、调质处理、机加工、滚丝和表面磷化处理,原材料球化退火、冷拔、球化退火、冷镦成型、调质处理、机加工、滚丝、表面磷化处理等为工业常规工艺;在冷镦成型和调质处理之间设有析出相调整处理工序,析出相调整处理具体为:S1冷镦成型的工件在1150℃~1250℃下加热奥氏体化,保温至少50min,确保微合金元素充分溶入奥氏体中;在1150℃以上主要是为了让第二相颗粒充分溶入奥氏体中,不超过1250℃是为了防止螺栓钢过热后在冷却时产生异常组织。
S2冷却至800℃~900℃,保温不超过90min,确保第二相颗粒充分细小弥散析出;
S3再次冷却至650℃~700℃并保温至少60min,使奥氏体向平衡组织转变获得片层间距细小的珠光体和铁素体组织,使奥氏体向平衡组织转变,获得片层间距细小的珠光体和铁素体组织,同时使得相间沉淀析出TiC、VC、NbC等细小第二相颗粒;
S4随炉冷却至室温后进行调质处理;
调质处理具体为加热淬火和高温回火,奥氏体化加热时细小弥散分布的第二相颗粒可起到钉扎晶界的作用,能有效地阻碍晶粒的长大;平衡状态的细小珠光体和铁素体组织在调质处理淬火加热时能提高奥氏体形核率并使其形核均匀,从而达到调质处理后晶粒细化和组织均匀化的效果,最后获得组织均匀及晶粒细化的高强度螺栓。
本发明进一步限定的技术方案为:
进一步的,S1中,微合金元素为V、Ti、Nb、N、Al。
进一步的,S2和S3中,第二相颗粒具体为TiN、VC、NbC、Nb(C、N)、V(C、N)、AlN,这些颗粒粒径不一,最小可达纳米级。
进一步的,S1中,工件直径小于16mm,保温50min,工件尺寸大于16mm则保温时间大于50min。
进一步的,S2中,以0.5~3.0℃/s的冷却速度冷至800℃~900℃,使更为细小的第二相颗粒TiN、VC、NbC、Nb(C、N)、V(C、N)、AlN等充分均匀弥散析出。
进一步的,S3中,以大于2.0℃/s的冷却速度快速冷却至650℃~700℃,使奥氏体向平衡组织转变,获得片层间距细小的珠光体和铁素体组织,同时使得相间沉淀析出TiC、VC、NbC等细小第二相颗粒,然后随炉冷却。
一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓钢,螺栓钢的化学成分质量百分数为:C:0.38~0.45;Si≤0.25;Mn:0.30~0.60;P≤0.015;S≤0.010;Cr:0.90~1.10;Mo:0.50~0.60;V:0.15~0.35;Nb:0.02~0.04;Cu≤0.2;Al≤0.030;Ti≤0.01;N:0.009~0.018,余量为Fe和不可避免的杂质。
钢中加入V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素,将以稳定的第二相形式析出,如AlN、TiN、TiC、VC、NbC、V(C、N)、Nb(C、N)等,这些第二相颗粒在较高的奥氏体化温度下而不溶解,从而能起到阻碍晶粒长大的作用。
试验表明,采用含有V、Ti、Nb、N、Al微合金元素的42CrMoVNb螺栓钢在1150℃下进行上述析出相调整处理,经调质处理(940℃淬火、590℃回火)后晶粒细小,其等效直径约为20um左右;在1250℃下进行上述析出相调整处理,经调质处理(940℃淬火、590℃回火)后晶粒细小,其等效直径约为15um左右;未经过析出相调整处理直接调质处理的晶粒大约在35um左右。本发明析出相调整处理方法能有效促进第二相颗粒的大量弥散析出,并在后续的调质处理过程中阻碍晶粒长大,细化调质后晶粒。
具体实施方式
实施例1
一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓制造方法,工艺流程主要包括原材料球化退火、冷拔、球化退火、冷镦成型、析出相调整处理、调质处理、机加工、滚丝、表面磷化处理等。析出相调整处理主要包括:升温到1150℃后保温50min,然后以0.5℃/s的冷却速度冷却至820℃,保温30min,再以大于2.0℃/s的冷却速度快速冷却至650℃,保温60min以上,随炉冷却至室温。然后对材料进行940℃保温40min(淬火)以及590℃保温60min(高温回火),即调质处理,调质处理后晶粒的等效直径为24um左右,晶粒较细小。
实施例2
一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓制造方法,工艺流程主要包括原材料球化退火、冷拔、球化退火、冷镦成型、析出相调整处理、调质处理、机加工、滚丝、表面磷化处理等。析出相调整处理主要包括:升温到1150℃后保温50min,然后以2.5℃/s的冷却速度冷却至850℃,保温40min,再以大于2.0℃/s的冷却速度快速冷却至650℃,保温60min以上,随炉冷却至室温。然后对材料进行940℃保温40min(淬火)以及595℃保温60min(高温回火),即调质处理,调质处理后晶粒的等效直径为22um左右,晶粒较细小。
实施例3
一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓制造方法,工艺流程主要包括原材料球化退火、冷拔、球化退火、冷镦成型、析出相调整处理、调质处理、机加工、滚丝、表面磷化处理等。析出相调整处理主要包括:升温到1180℃后保温50min,然后以2.5℃/s的冷却速度冷却至880℃,保温50min,再以大于2.0℃/s的冷却速度快速冷却至650℃,保温60min以上,随炉冷却至室温。然后对材料进行940℃保温40min(淬火)以及600℃保温60min(高温回火),即调质处理,调质处理后晶粒的等效直径为20um左右,晶粒较细小。
实施例4
一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓制造方法,工艺流程主要包括原材料球化退火、冷拔、球化退火、冷镦成型、析出相调整处理、调质处理、机加工、滚丝、表面磷化处理等。析出相调整处理主要包括:升温到1200℃后保温50min,然后以2.5℃/s的冷却速度冷却至900℃,保温40min,再以大于2.0℃/s的冷却速度快速冷却至650℃,保温60min以上,随炉冷却至室温。然后对材料进行940℃保温45min(淬火)以及595℃保温90min(高温回火),即调质处理,调质处理后晶粒的等效直径为19um左右,晶粒较细小。
实施例5
一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓制造方法,工艺流程主要包括原材料球化退火、冷拔、球化退火、冷镦成型、析出相调整处理、调质处理、机加工、滚丝、表面磷化处理等。析出相调整处理主要包括:升温到1250℃后保温50min,然后以2.5℃/s的冷却速度冷却至900℃,保温60min,再以大于2.0℃/s的冷却速度快速冷却至650℃,保温60min以上,随炉冷却至室温。然后对材料进行940℃保温45min(淬火)以及595℃保温90min(高温回火),即调质处理,调质处理后晶粒的等效直径为15um左右,晶粒较细小。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种组织均匀及晶粒细化高强度螺栓的制造方法,主要工序为原材料球化退火、冷拔、球化退火、冷镦成型、析出相调整处理、调质处理、机加工、滚丝和表面磷化处理,其特征在于,在冷镦成型和调质处理之间设有析出相调整处理工序,所述析出相调整处理具体为:S1冷镦成型的工件在1150℃~1250℃下加热奥氏体化,保温至少50min,确保微合金元素充分溶入奥氏体中;
S2以0.5~3.0℃/s的冷却速度冷却至800℃~900℃,保温不超过90min,确保第二相颗粒充分细小弥散析出;
S3再次以大于2.0℃/s的冷却速度快速冷却至650℃~700℃并保温至少60min,使奥氏体向平衡组织转变获得片层间距细小的珠光体和铁素体组织,同时使得相间沉淀析出细小第二相颗粒;
S4随炉冷却至室温后进行调质处理;
所述调质处理为加热淬火和高温回火,最后获得组织均匀及晶粒细化的高强度螺栓;S2和S3中,第二相颗粒具体为TiN、VC、NbC、Nb(C、N)、V(C、N)、AlN。
2.根据权利要求1所述的组织均匀及晶粒细化高强度螺栓的制造方法,其特征在于,S1中,微合金元素为V、Ti、Nb、N、Al。
3.根据权利要求1所述的组织均匀及晶粒细化高强度螺栓的制造方法,其特征在于,S1中,工件直径小于16mm,保温50min,工件尺寸大于16mm则保温时间大于50min。
4.根据权利要求1所述的组织均匀及晶粒细化高强度螺栓的制造方法,其特征在于,螺栓钢的化学成分质量百分数为:C:0.38~0.45;Si≤0.25;Mn:0.30~0.60;P≤0.015;S≤0.010;Cr:0.90~1.10;Mo:0.50~0.60;V:0.15~0.35;Nb:0.02~0.04;Cu≤0.2;Al≤0.030;Ti≤0.01;N:0.009~0.018,余量为Fe和不可避免的杂质。
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