CN115747660A - 高强耐候性螺栓及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高强耐候性螺栓及其制备工艺，涉及五金配件制备技术，旨在解决现有涂装的方式难以根本解决螺栓在环境下会发生腐蚀断裂以及氢致延迟断裂等失效的问题，其技术方案要点是：包括栓体，栓体采用中碳合金钢复合微合金化元素制成呈一体结构，微合金化元素按其质量分数比例包括：V0.01‑0.05wt％；Ti 0.01‑0.04wt％；B 0.01‑0.07wt％；Nb 0.35‑0.75wt％；Mo0.2‑0.95wt％；Cu 0.2‑0.35wt％；V、Ti以及B含量的总和为0.03‑0.12wt％，Nb、Mo以及Cu含量的总和为1.2‑2.00wt％。本发明采用热渗透法的方式将多种具备微合金化元素的粉末，复合至栓体的表面形成合金层，能提高螺栓的耐腐蚀、氢致抗延迟断裂性能，从而提高螺栓的耐候性，并且粉末分别采用不同目数的规格，有利于后续回收利用，节约资源。
Description
技术领域
本发明涉及五金配件制备技术，更具体地说，它涉及一种高强耐候性螺栓及其制备工艺。
背景技术
螺栓为常见的五金配件，常用于连接两个物体使其限制分离具备固定连接的关系，由于施工简便、不易松动、安装拆卸方便、劳动条件好等优点，自诞生以来己逐渐成为桥梁、重型机械等钢结构的重要连接方式。
而在桥梁、重型机械这些领域上进行应用时，螺栓在环境下会发生腐蚀断裂以及氢致延迟断裂等失效的情况，存在较大的风险和危害，故在重型机械以及桥梁完成建设、组装之后，需对桥梁以及重型机械进行表面涂装处理，但由于螺栓使用的数量明显较多，而需对每个螺栓的装配处进行表面涂装处理，一方面加重了人们工作处理的工作量，另一方面对于涂装处理的稳定性也存在偏差，在涂装处已尤其气候变化同样发生龟裂、磨损的情况，难以在根本上解决螺栓耐候性差的问题，故需要提出一种新的方案来解决这个问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高强耐候性螺栓及其制备工艺。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：高强耐候性螺栓，其特征在于：包括栓体，所述栓体采用中碳合金钢复合微合金化元素制成呈一体结构，所述中碳合金钢按其质量分数比例包括：
C 0.35-0.4wt％；
Si 0.05-0.25wt％；
Mn 0.5-0.75wt％；
P 0-0.015wt％；
S 0-0.015wt％；
Cr 1.00-1.05wt％；
所述微合金化元素按其质量分数比例包括：
V钒0.01-0.05wt％；
T i钛0.01-0.04wt％；
B硼0.01-0.07wt％；
Nb 0.35-0.75wt％；
Mo 0.2-0.95wt％；
Cu 0.2-0.35wt％；
所述V、T i以及B含量的总和为0.03-0.12wt％，所述Nb、Mo以及Cu含量的总和为1.2-2.00wt％。
本发明进一步设置为：所述栓体包括杆部以及栓头，所述栓头经冷压冲制形成于杆部的一端，所述栓头朝向杆部另一端的一侧设有弧形部。
本发明进一步设置为：所述弧形部的弧形边沿朝向杆部远离栓头的一端弯曲。
高强耐候性螺栓的制备工艺，用于制备如权利要求1-3任意一项的高强耐候性螺栓，其特征在于：其制备流程包括：
送料上机，将钢盘条进行加热使其软化后，再进硫化后浸至石墨油；
拉直矫正，将钢盘条经成型机进行冷拉，将钢盘条进行拉直，达到相应栓体的粗度规格；
分段冲剪，将完成拉直矫正的钢盘条切割形成指定长度的盘条段，盘条段的长度大于栓体的长度；
端头冷压，将盘条端经冷压锻设备分多步骤冲压制成位于杆部一端的栓头及弧形部；
滚花成纹，将完成端头冷压的杆部通过螺纹滚丝机于杆部上形成有螺纹段，得到螺栓胚件；
热处理，将完成螺栓胚件置于密闭容器中，并加入混合有微合金化元素的渗透材料，于高温高压条件下反应运行3-5小时，而后进行淬火、回火处理。
本发明进一步设置为：所述渗透材料依照各组分的质量百分比构成：镍粉1.5-3％，铜粉7-12％，硼粉或硼铁合金粉2-3.5％，纳米二氧化钛粉末1-2.5％，钒粉1-2.5％，钼粉2-4％，铌粉2％，三氧化二铝粉末70-75％。
本发明进一步设置为：所述热处理的具体步骤包括：
热渗透处理，将配置完成的渗透材料与螺栓胚件投至密封容器内，加热密封密封容器，加热温度至350℃，恒温时间2-3小时，然后对密封容器进行边滚动边加热，于螺栓胚件表面形成合金层；
振动筛灰，将完成热渗透处理的螺栓胚件放置振动筛中进行振筛，除去螺栓胚件表面多余的渗透材料；
水洗脱尘，将螺栓胚件浸水后除去螺栓胚件表面多余的粉末，而后离心脱水烘干；
淬火油冷，将螺栓胚件在870℃的温度下淬火一小时，而后通过油冷工艺进行冷却；
高温回火，再将淬火油冷后的螺栓胚件加热至500-650℃，保温1+0.5n小时，其中n为杆部的截面尺寸。
本发明进一步设置为：所述端头冷压的具体步骤包括：
一段冷压，对盘条段沿其轴向方向相互冲压，将盘条段上距端面3-5cm处挤压形成扁平部以及位于扁平部一侧的端头部；
二段冷压，对经一段冷压处理后的盘条段进行再次冷压，对盘条端的端头部进行冷压，形成截面呈圆形的栓帽部；
三段冷压，对经二段冷压完成后的盘条段上形成的栓帽部进行进行二次冲制，将栓帽部冲制成正多边形结构，并将扁平部冲压形成弧形部。
本发明进一步设置为：所述淬火油冷的具体步骤包括：
高温淬火，将螺栓胚件在870℃的温度下进行淬火1小时；
晶体调质，将完成螺栓胚件空冷至300-375℃后恒温保温1小时后，二次进行淬火，淬火温度为800-870℃，调质螺栓胚件的晶粒直径<2um；
油冷。
本发明进一步设置为：所述硼粉或硼铁合金粉、纳米二氧化钛粉末以及钒粉的目数小于镍粉、铜粉、钼粉、铌粉的目数，所述镍粉、铜粉、钼粉、铌粉的目数小于三氧化二铝粉末的目数。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、该螺栓选用中碳合金钢材质并复合了钒、钛、硼、钼、铌、铜等微合金化元素，与中碳合金钢中的碳、氮氧都具有良好的结合力，形成稳定的化合物，能对细晶粒起到加强的作用，同时，合成的碳化钒能将钢中的氢吸附，使得钢中科扩散性氢含量下降，提高螺栓的氢致抗延迟断裂性能，使得螺栓具有良好的耐候性；
2、结构上，通过螺栓上形成呈一体结构的弧形部，能在螺栓拧紧时，通过弧形部的弧形结构，实现螺栓在拧紧时，弧形部可承受螺栓挤压桥梁或重性机械表面的相互挤压产生的应力，可提供螺栓连接的强度，在受到外界环境因素影响时，不易出现松动的情况；
3、采用多段分步式冲压的方式，对螺栓的端部进行冲压，逐步形成正多边形的栓帽部以及弧形部，虽增加了冲制的步骤，但逐步冲制的方式，提高了栓帽部以及弧形部的规格精度，且减小栓体在冲制过程中所受应力，从而避免栓体在后段冷压冲制过程出现开裂的情况，提高了该螺栓制备的良品率；
4、二次的淬火能改善栓体的晶体状况，减小晶体直径，使得螺栓具备良好的综合力学性能，尤其提高螺栓采用材料的强度，提高栓体的塑韧性。
5、采用热渗透法的方式将多种具备微合金化元素的粉末，复合至栓体的表面形成合金层，能提高螺栓的耐腐蚀、氢致抗延迟断裂性能，从而提高螺栓的耐候性，并且粉末分别采用不同目数的规格，有利于后续回收利用，节约资源。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、杆部；2、栓头；21、弧形部；22、栓帽部。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
实施例一、
高强耐候性螺栓，如图1所示，包括栓体，栓体包括杆部1以及栓头2，栓头2经冷压冲制形成于杆部1的一端，栓头2朝向杆部1另一端的一侧设有弧形部21，弧形部21的弧形边沿朝向杆部1远离栓头2的一端弯曲，通过螺栓上形成呈一体结构的弧形部21，能在螺栓拧紧时，通过弧形部21的弧形结构，实现螺栓在拧紧时，弧形部21可承受螺栓挤压桥梁或重性机械表面的相互挤压产生的应力，可提供螺栓连接的强度，在受到外界环境因素影响时，不易出现松动的情况。
并且，栓体采用中碳合金钢复合微合金化元素制成呈一体结构，中碳合金钢按其质量分数比例包括：碳C 0.35-0.4wt％；硅Si 0.05-0.25wt％；锰Mn0.5-0.75wt％；磷P 0-0.015wt％；硫S 0-0.015wt％；铬Cr 1.00-1.05wt％；
微合金化元素按其质量分数比例包括：钒V 0.01-0.05wt％；钛Ti0.01-0.04wt％；硼B 0.01-0.07wt％；铌Nb 0.35-0.75wt％；钼Mo 0.2-0.95wt％；铜Cu 0.2-0.35wt％；其中，钒V、钛Ti以及硼B含量的总和为0.03-0.12wt％，Nb、Mo以及Cu含量的总和为1.2-2.00wt％，
在本实施例中，中碳合金钢材质并复合了钒、钛、硼、钼、铌、铜等微合金化元素，与中碳合金钢中的碳、氮氧都具有良好的结合力，形成稳定的化合物，能对细晶粒起到加强的作用，同时，合成的碳化钒能将钢中的氢吸附，使得钢中科扩散性氢含量下降，提高螺栓的氢致抗延迟断裂性能，使得螺栓具有良好的耐候性，并且复合形成的碳化钛的固溶强化作用极强，能改善晶粒的细化作用，降低螺栓的延迟断裂敏感性，但会降低固溶体的韧性，但钒和钛以及铌的共同作用将显著提高螺栓的抗氢致延迟断裂性能，综合的，加入钒、钛、硼、钼、铌，能在保障螺栓原先强力以及韧性不发生较大变化的前提下，作为氢陷阱，提高螺栓的抗氢致延迟断裂性能。
实施例二、
高强耐候性螺栓的制备工艺，用于制备实施例1的高强耐候性螺栓，其制备流程包括：
送料上机，将钢盘条进行加热使其软化后，再进硫化后浸至石墨油，对钢盘条进行加热软化，便于后续的拉直矫正操作，且对钢盘条进行硫化处理，提高钢件的耐磨性、抗咬合能力及抗拈着磨损性，并且在硫化处理后将钢盘条浸置在石墨油中，可对钢盘条的上料起到润滑作用，并减小钢盘条在生产过程中出现磨损以及腐蚀生锈的情况；
拉直矫正，将钢盘条经成型机进行冷拉，将钢盘条进行拉直，达到相应栓体的粗度规格，通过以冷拉的方式使钢盘条拉伸形成指定粗细及截面圆度；
分段冲剪，将完成拉直矫正的钢盘条切割形成指定长度的盘条段，盘条段的长度大于栓体的长度，具体依照螺栓的规格，裁剪后盘条段的长度大于栓体长度2-6cm；
端头冷压，将盘条端经冷压锻设备分多步骤冲压制成位于杆部1一端的栓头2及弧形部21，采用多段分步式冲压的方式，对螺栓的端部进行冲压，逐步形成正多边形的栓帽部22以及弧形部21，虽增加了冲制的步骤，但逐步冲制的方式，提高了栓帽部22以及弧形部21的规格精度，且减小栓体在冲制过程中所受应力，从而避免栓体在后段冷压冲制过程出现开裂的情况，提高了该螺栓制备的良品率；
滚花成纹，将完成端头冷压的杆部1通过螺纹滚丝机于杆部1上形成有螺纹段，得到螺栓胚件；
热处理，将完成螺栓胚件置于密闭容器中，并加入混合有微合金化元素的渗透材料，于高温高压条件下反应运行3-5小时，而后进行淬火、回火处理，采用热渗透法的方式将多种具备微合金化元素的粉末，复合至栓体的表面形成合金层，能提高螺栓的耐腐蚀、氢致抗延迟断裂性能，从而提高螺栓的耐候性，并且粉末分别采用不同目数的规格，有利于后续回收利用，节约资源。
在本实施例中，渗透材料依照各组分的质量百分比构成：镍粉1.5-3％，铜粉7-12％，硼粉或硼铁合金粉2-3.5％，纳米二氧化钛粉末1-2.5％，钒粉1-2.5％，钼粉2-4％，铌粉2％，三氧化二铝粉末70-75％，并且硼粉或硼铁合金粉、纳米二氧化钛粉末以及钒粉的目数小于镍粉、铜粉、钼粉、铌粉的目数，镍粉、铜粉、钼粉、铌粉的目数小于三氧化二铝粉末的目数，具体的，硼粉或硼铁合金粉、纳米二氧化钛粉末以及钒粉的目数为300-500，镍粉、铜粉、钼粉和铌粉的目数为600-800。
其中，热处理的具体步骤包括：
热渗透处理，将配置完成的渗透材料与螺栓胚件投至密封容器内，加热密封密封容器，加热温度至350℃，恒温时间2-3小时，然后对密封容器进行边滚动边加热，于螺栓胚件表面形成合金层；
振动筛灰，将完成热渗透处理的螺栓胚件放置振动筛中进行振筛，除去螺栓胚件表面多余的渗透材料；
水洗脱尘，将螺栓胚件浸水后除去螺栓胚件表面多余的粉末，而后离心脱水烘干；
淬火油冷，将螺栓胚件在870℃的温度下淬火一小时，而后通过油冷工艺进行冷却；
高温回火，再将淬火油冷后的螺栓胚件加热至500-650℃，保温1+0.5n小时，其中n为杆部1的截面尺寸。
并且，端头冷压的具体步骤包括：
一段冷压，对盘条段沿其轴向方向相互冲压，将盘条段上距端面3-5cm处挤压形成扁平部以及位于扁平部一侧的端头部；
二段冷压，对经一段冷压处理后的盘条段进行再次冷压，对盘条端的端头部进行冷压，形成截面呈圆形的栓帽部22；
三段冷压，对经二段冷压完成后的盘条段上形成的栓帽部22进行进行二次冲制，将栓帽部22冲制成正多边形结构，并将扁平部冲压形成弧形部21。
淬火油冷的具体步骤包括：
高温淬火，将螺栓胚件在870℃的温度下进行淬火1小时；
晶体调质，将完成螺栓胚件空冷至300-375℃后恒温保温1小时后，二次进行淬火，淬火温度为800-870℃，调质螺栓胚件的晶粒直径<2um；
油冷。
在本实施例中，二次淬火的工艺，能改善解决螺栓材质硬度高而脆性大的问题，并实现材料晶粒直径的细化，从而有效抑制应力集中现象的发生，同时抑制变形裂纹或开裂的过早产生和扩展。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.高强耐候性螺栓，其特征在于：包括栓体，所述栓体采用中碳合金钢复合微合金化元素制成呈一体结构，所述中碳合金钢按其质量分数比例包括：
C 0.35-0.4wt％；
Si 0.05-0.25wt％；
Mn 0.5-0.75wt％；
P 0-0.015wt％；
S 0-0.015wt％；
Cr 1.00-1.05wt％；
所述微合金化元素按其质量分数比例包括：
V 0.01-0.05wt％；
Ti 0.01-0.04wt％；
B 0.01-0.07wt％；
Nb 0.35-0.75wt％；
Mo 0.2-0.95wt％；
Cu 0.2-0.35wt％；
所述V、Ti以及B含量的总和为0.03-0.12wt％，所述Nb、Mo以及Cu含量的总和为1.2-2.00wt％。
2.根据权利要求1所述的高强耐候性螺栓，其特征在于：所述栓体包括杆部(1)以及栓头(2)，所述栓头(2)经冷压冲制形成于杆部(1)的一端，所述栓头(2)朝向杆部(1)另一端的一侧设有弧形部(21)。
3.根据权利要求2所述的高强耐候性螺栓，其特征在于：所述弧形部(21)的弧形边沿朝向杆部(1)远离栓头(2)的一端弯曲。
4.高强耐候性螺栓的制备工艺，用于制备如权利要求1-3任意一项的高强耐候性螺栓，其特征在于：其制备流程包括：
送料上机，将钢盘条进行加热使其软化后，再进硫化后浸至石墨油；
拉直矫正，将钢盘条经成型机进行冷拉，将钢盘条进行拉直，达到相应栓体的粗度规格；
分段冲剪，将完成拉直矫正的钢盘条切割形成指定长度的盘条段，盘条段的长度大于栓体的长度；
端头冷压，将盘条端经冷压锻设备分多步骤冲压制成位于杆部(1)一端的栓头(2)及弧形部(21)；
滚花成纹，将完成端头冷压的杆部(1)通过螺纹滚丝机于杆部(1)上形成有螺纹段，得到螺栓胚件；
热处理，将完成螺栓胚件置于密闭容器中，并加入混合有微合金化元素的渗透材料，于高温高压条件下反应运行3-5小时，而后进行淬火、回火处理。
5.根据权利要求4所述的高强耐候性螺栓的制备工艺，其特征在于：所述渗透材料依照各组分的质量百分比构成：镍粉1.5-3％，铜粉7-12％，硼粉或硼铁合金粉2-3.5％，纳米二氧化钛粉末1-2.5％，钒粉1-2.5％，钼粉2-4％，铌粉2％，三氧化二铝粉末70-75％。
6.根据权利要求5所述的高强耐候性螺栓的制备工艺，其特征在于：所述热处理的具体步骤包括：
热渗透处理，将配置完成的渗透材料与螺栓胚件投至密封容器内，加热密封密封容器，加热温度至350℃，恒温时间2-3小时，然后对密封容器进行边滚动边加热，于螺栓胚件表面形成合金层；
振动筛灰，将完成热渗透处理的螺栓胚件放置振动筛中进行振筛，除去螺栓胚件表面多余的渗透材料；
水洗脱尘，将螺栓胚件浸水后除去螺栓胚件表面多余的粉末，而后离心脱水烘干；
淬火油冷，将螺栓胚件在870℃的温度下淬火一小时，而后通过油冷工艺进行冷却；
高温回火，再将淬火油冷后的螺栓胚件加热至500-650℃，保温1+0.5n小时，其中n为杆部(1)的截面尺寸。
7.根据权利要求4所述的高强耐候性螺栓的制备工艺，其特征在于：所述端头冷压的具体步骤包括：
一段冷压，对盘条段沿其轴向方向相互冲压，将盘条段上距端面3-5cm处挤压形成扁平部以及位于扁平部一侧的端头部；
二段冷压，对经一段冷压处理后的盘条段进行再次冷压，对盘条端的端头部进行冷压，形成截面呈圆形的栓帽部(22)；
三段冷压，对经二段冷压完成后的盘条段上形成的栓帽部(22)进行进行二次冲制，将栓帽部(22)冲制成正多边形结构，并将扁平部冲压形成弧形部(21)。
8.根据权利要求6所述的高强耐候性螺栓的制备工艺，其特征在于：所述淬火油冷的具体步骤包括：
高温淬火，将螺栓胚件在870℃的温度下进行淬火1小时；
晶体调质，将完成螺栓胚件空冷至300-375℃后恒温保温1小时后，二次进行淬火，淬火温度为800-870℃，调质螺栓胚件的晶粒直径<2um；
油冷。
9.根据权利要求5所述的高强耐候性螺栓的制备工艺，其特征在于：所述硼粉或硼铁合金粉、纳米二氧化钛粉末以及钒粉的目数小于镍粉、铜粉、钼粉、铌粉的目数，所述镍粉、铜粉、钼粉、铌粉的目数小于三氧化二铝粉末的目数。
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