CN115679227A - 一种高强度强韧化螺栓及其热处理工艺 - Google Patents

一种高强度强韧化螺栓及其热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度强韧化螺栓及其热处理工艺，工艺步骤为：S1、螺栓的预先感应正火；S2、将螺栓置于连续网带淬火炉中，淬火温度为820‑900℃，炉内时间50‑60min，冷却介质为无机水溶液；S3、将螺栓置于连续网带回火炉中，回火温度为500‑550℃，炉内时间90‑120min，冷却介质为水；S4、将螺栓置于井式回火炉中，从室温升温到500‑550℃，保温时间75‑105min，冷却介质为空气。在经过本发明的热处理后，本发明所得螺栓抗拉强度可高达1350MPa，‑20℃冲击吸收功KV2达到100J以上，螺栓性能远优于标准中10.9或12.9级，使用中无疲劳断裂失效发生。

Description

一种高强度强韧化螺栓及其热处理工艺
技术领域
本发明涉及螺栓技术领域，具体说的是一种高强度强韧化螺栓及其热处理工艺。
背景技术
本发明中的高强度螺栓应用于采矿机和盾构机的重要连接紧固件，螺纹规格M36-M60mm，抗拉强度可高达1350MPa，目前我国还没有合适的参考标准及技术条件。该螺栓在安装中施加轴向预紧拉伸载荷，在工作中承受横向剪切交变载荷，或由此复合而成的弯曲载荷，还受到较大的冲击载荷，易在螺纹部分或螺纹与杆过渡处产生疲劳断裂而早期失效，给地下连续作业的采矿机和盾构机带来巨大的安全隐患，维修成本高，严重影响施工进度。
如何在材料合金化、热处理工艺上，提高螺栓的高强度同时，具有强韧性，克服螺栓的疲劳断裂，成为本领域技术人员待解决技术问题。专利(202010314474.9)公开了一种抗延迟断裂高强度螺栓热处理方法，材质为42CrMoA，经过阶梯缓慢升温后快速升温奥氏体化，后依次经过两次淬火降温的热处理工艺方法。该专利能有效细化晶粒，提高螺栓的冲击韧性，但工艺采用双液冷却，对降温速度要求苛刻，不易操控且生产难度大。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种高强度强韧化螺栓及其热处理工艺，旨在解决现有采矿机和盾构机用高强度螺栓早期疲劳断裂存在的问题。本发明通过选材及热处理工艺的创新，使得应用于采矿机和盾构机主驱动重要连接紧固件的高强度螺栓的性能得到极大提高，有效解决了大直径螺栓在淬火中淬透性差及变形开裂难题，同时本发明还通过细化晶粒手段保证螺栓在高强度下同时具备高韧性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强度强韧化螺栓，材料为中碳多元合金结构钢，以质量百分比计，其化学成分为：C：0.26～0.36％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.50～0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：1.3～2.2％，Ni：1.3～2.2％，Mo：0.15～0.50％，Al：0.015～0.030％，其余为Fe及杂质。
本发明还提供了一种高强度强韧化螺栓的热处理工艺，包括如下步骤：
步骤一、螺栓的预先感应正火：
步骤二、将螺栓置于连续网带淬火炉中，淬火温度为820-900℃，炉内时间50-60min，冷却介质为无机水溶液；
步骤三、将螺栓置于连续网带回火炉中，回火温度为500-550℃，炉内时间90-120min，冷却介质为水；
步骤四、将螺栓置于井式回火炉中，从室温升温到500-550℃，保温时间75-105min，冷却介质为空气；
步骤五、热处理结束，获得滚丝前半成品。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明将工件预先正火，感应加热时间短，有效细化晶粒，消除应力同时为淬火作组织准备。工件置于连续网带淬火炉中，经820℃均温后快速升温到900℃，可促进材质奥氏体均匀化，后降温至820℃，有效避免奥氏体晶粒长大，并减少淬火应力。
本发明采用无机水溶液，其400-600℃冷却特性与水接近，确保奥氏体组织稳定，300℃冷却特性与油接近，降低淬火过程中的应力。本工艺淬火提高了螺栓的淬透性，解决了大直径工件心部淬不透的问题，又避免了变形与开裂现象。
本发明采用二次回火，利于基体中的Mo等元素形成MC型碳化物，并大量弥散析出且均匀地分布于基体中，阻止了材料强度进一步降低，同时又提高了材料的冲击韧性。
现今我国应用在采矿机和盾构机的高强度螺栓，并没有明确的参考标准及技术条件，参考紧固件机械性能标准GB/T3098.1内容，在经过上述热处理后，本发明所得螺栓抗拉强度可高达1350MPa，-20℃冲击吸收功KV2达到100J以上，螺栓性能远优于标准中10.9或12.9级，使用中无疲劳断裂失效发生。
具体实施方式
本发明的螺栓材料为中碳多元合金结构钢，以质量百分比计，其化学成分为：C：0.26～0.36％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.50～0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：1.3～2.2％，Ni：1.3～2.2％，Mo：0.15～0.50％，Al：0.015～0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质。进一步，当螺栓抗拉强度≥1300MPa，优选各元素含量C：0.26～0.31％，Cr：1.8～2.2％，Ni：1.8～2.2％，Mo：0.30～0.50％；当螺栓抗拉强度1150～1300MPa，优选各元素含量C：0.31～0.36％，Cr：1.3～1.8％，Ni：1.3～1.8％，Mo：0.15～0.30％。较普通高强度螺栓选用42CrMoA或40CrNiMo材质，本发明选材上降低C元素含量，添加Cr、Ni、Mo、AL元素多元合金化，通过细化晶粒，提高位错强化效应，在保证高强度的情况下，尽可能提高回火温度，实现强韧化。
本发明的热处理工艺包括如下步骤：
S1、螺栓的预先感应正火：
螺栓采用超音频感应加热，螺栓温度达到1050℃后空冷；
S2、将螺栓置于连续网带淬火炉中，淬火温度为820-900℃，炉内时间50-60min，冷却介质为无机水溶液，其中：
(1)连续网带淬火炉1-6区设定温度分别为820-820-860-900-820-820℃。
(2)无机水溶液波美度为10-13°，温度控制在20-40℃；
S3、将螺栓置于连续网带回火炉中，回火温度为500-550℃，炉内时间90-120min，冷却介质为水，其中：连续网带回火炉1-6区设定温度相同；
S4、将螺栓置于井式回火炉中，从室温升温到500-550℃，保温时间75-105min，冷却介质为空气；其中：螺栓经校直、机加后竖直置于井式回火炉中，甲醇气氛保护。
S5、热处理结束，获得滚丝前半成品。
为使本申请的技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例一
一种采矿机用高强度螺栓，其化学成分为C：0.31％，Si：0.28％，Mn：0.57％，P：0.011％，S：0.007％，Cr：2.06％，Ni：2.15％，Mo：0.36％，Al：0.021％。热处理工艺包括如下步骤：
S1、螺栓的预先感应正火。
具体的，工件采用超音频感应加热，温度达到1050℃后空冷。
S2、将工件置于连续网带淬火炉中淬火处理。
具体的，连续网带淬火炉1-6区设定温度分别为820-820-860-900-820-820℃，室温装炉，炉内时间50min；冷却介质为无机水溶液，无机水溶液波美度为11.5°，温度控制在20-40℃。
S3、将工件置于连续网带回火炉中回火处理。
具体的，连续网带回火炉1-6区设定温度500℃，炉内时间90min；冷却介质为水，水温控制在20-50℃。
S4、将工件置于井式回火炉中二次回火处理。
具体的，工件经校直、机加后竖直置于井式回火炉中，从室温升温到500℃，保温时间75min；出炉空冷；优选的，二次回火采用甲醇气氛保护。
S5、热处理结束，获得滚丝前半成品。
经过上述热处理的螺栓，抗拉强度1350MPa，延伸率15％，断面收缩率57％，-20℃冲击吸收功KV2达到85J，螺栓强度等级远优于GB/T3098.1中12.9级，使用中无疲劳断裂失效发生。
实施例二
一种盾构机用高强度螺栓，其化学成分为C:0.33％，Si：0.33％，Mn：0.66％，P：0.012％，S：0.009％，Cr：1.47％，Ni：1.45％，Mo：0.18％，Al：0.020％。热处理工艺包括如下步骤：
S1、螺栓的预先感应正火。
具体的工件采用超音频感应加热，温度达到1050℃后空冷。
S2、将工件置于连续网带淬火炉中淬火处理。
具体的，连续网带淬火炉1-6区设定温度分别为820-820-860-900-820-820℃，室温装炉，炉内时间60min；冷却介质为无机水溶液，无机水溶液波美度为10.5°，温度控制在20-40℃。
S3、将工件置于连续网带回火炉中回火处理。
具体的，连续网带回火炉1-6区设定温度550℃，炉内时间120min；冷却介质为水，水温控制在20-50℃；
S4、将工件置于井式回火炉中二次回火处理。
具体的，工件经校直、机加后竖直置于井式回火炉中，从室温升温到550℃，保温时间105min；出炉空冷；优选的，二次回火采用甲醇气氛保护。
S5、热处理结束，获得滚丝前半成品。
经过上述热处理的螺栓，抗拉强度1198MPa，延伸率17％，断面收缩率60％，-20℃冲击吸收功KV2达到106J，螺栓强度等级远优于GB/T3098.1中10.9级，使用中无疲劳断裂失效发生。

Claims (10)

1.一种高强度强韧化螺栓，其特征在于：材料为中碳多元合金结构钢，以质量百分比计，其化学成分为：C：0.26～0.36％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.50～0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：1.3～2.2％，Ni：1.3～2.2％，Mo：0.15～0.50％，Al：0.015～0.030％，其余为Fe及杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强度强韧化螺栓，其特征在于：当螺栓抗拉强度≥1300MPa时，各元素含量为：C：0.26～0.31％，Cr：1.8～2.2％，Ni：1.8～2.2％，Mo：0.30～0.50％。
3.根据权利要求1所述的一种高强度强韧化螺栓，其特征在于：当螺栓抗拉强度为1150～1300MPa时，各元素含量为：C：0.31～0.36％，Cr：1.3～1.8％，Ni：1.3～1.8％，Mo：0.15～0.30％。
4.一种高强度强韧化螺栓的热处理工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、螺栓的预先感应正火：
步骤二、将螺栓置于连续网带淬火炉中，淬火温度为820-900℃，炉内时间50-60min，冷却介质为无机水溶液；
步骤三、将螺栓置于连续网带回火炉中，回火温度为500-550℃，炉内时间90-120min，冷却介质为水；
步骤四、将螺栓置于井式回火炉中，从室温升温到500-550℃，保温时间75-105min，冷却介质为空气；
步骤五、热处理结束，获得滚丝前半成品。
5.根据权利要求4所述的一种高强度强韧化螺栓的热处理工艺，其特征在于：步骤一所述预先感应正火的方法为：对螺栓采用超音频感应加热，使螺栓温度达到1050℃后进行空冷。
6.根据权利要求4所述的一种高强度强韧化螺栓的热处理工艺，其特征在于：步骤二所述连续网带淬火炉1-6区的设定温度分别为：820℃、820℃、860℃、900℃、820℃、820℃。
7.根据权利要求4所述的一种高强度强韧化螺栓的热处理工艺，其特征在于：步骤二所述无机水溶液波美度为10-13°，温度控制在20-40℃。
8.根据权利要求4所述的一种高强度强韧化螺栓的热处理工艺，其特征在于：步骤三所述连续网带回火炉1-6区的设定温度相同。
9.根据权利要求4所述的一种高强度强韧化螺栓的热处理工艺，其特征在于：步骤四中先将螺栓经校直、机加后，再竖直置于井式回火炉中。
10.根据权利要求4所述的一种高强度强韧化螺栓的热处理工艺，其特征在于：步骤四所述井式回火炉中采用甲醇气氛保护。
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