一种高强度螺栓、用钢及其生产工艺

技术领域

本发明涉及螺栓加工制造技术领域，更具体地说它涉及一种高强度螺栓、用钢及其生产工艺。

背景技术

高强度紧固件连接具有承接能力高、受力性好、耐疲劳、不松动、较安全及施工简便、可拆换等优点，在基础建设的钢结构连接中被广泛使用。但是，由于高强度螺栓属于缺口零件，因此具有很高的缺口敏感性。在潮湿空气、雨水等环境中长期暴露的高强度螺栓易发生不同程度的腐蚀，腐蚀坑处腐蚀反应生成的微量氢及螺栓中自身存在的微量氢在应力作用下扩散、富集，易引起高强度螺栓的氢致延迟断裂。

公开号为CN105579603A的中国专利申请文件公开了一种耐延迟断裂性能和螺栓成形性优异的高强度螺栓用钢和螺栓，该耐延迟断裂性能和螺栓成形性优异的高强度螺栓用钢以质量％计，分别含有C：0.10～0.30％、Ni：0.4～0.7％、Si：0％以上且0.2％以下、Mn：0.3～0.8％、P：高于0％并在0.03％以下、S：高于0％并在0.03％以下、Cr：0.8～1.2％、Mo：0.8～1.5％、V：0.05～0.13％、Ti：0.02～0.08％、Al：0.01～0.1％、N：0.001～0.01％，余量由铁和不可避免的杂质构成，并且，满足下述(1)式和(2)式：

0.85≤[C]+[Si]/7+[Mn]/5+[Ni]/20+[Cr]/9+[Mo]/2≤1.3…(1)

[C]-(0.07×[Mo]+0.20×[V])≤0.20…(2)

其中，[C]、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cr]、[Mo]和[V]分别表示以质量％计的C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo和V的含量。

但是该耐延迟断裂性能和螺栓成形性优异的高强度螺栓用钢对于材料的成分控制难度大，生产成本高，在严酷环境中的耐延迟断裂性能不足且难以达到超过1500MPa的抗拉强度，有待改进。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种高强度螺栓，该高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高强度螺栓，包括合金主体，所述合金主体的外侧设置有金属共渗层和合金外层；所述金属共渗层采用离子注入工艺形成于所述合金主体的外侧，所述合金外层采用沉积工艺附着在所述金属共渗层的外侧；其中，所述金属共渗层为向所述合金主体的外侧注入Bi和/或Sb与Mn形成，且所述合金外层为CoFeB或FeBX，X为V、Nb、Zr、W、Mg或Mo。

通过采用上述技术方案，由合金主体、金属共渗层和合金外层组成的高强度螺栓具有通过离子注入工艺将Bi和/或Sb与Mn注入合金主体的外侧从而对合金主体的内侧进行保护，并使得Bi和/或Sb与Mn显著提升合金主体外侧的机械强度，并进而在降低析氢反应概率的同时，与采用沉积工艺附着在金属共渗层外侧的合金外层结合，以在进一步提升该高强度螺栓的机械强度的同时，令该高强度螺栓达到提高耐延迟断裂性能的目的。

本发明进一步设置为：所述金属共渗层的厚度为10-25μm，且Bi和/或Sb与Mn的质量比为16-18:1。

通过采用上述技术方案，通过采用Bi和/或Sb与Mn在质量比为16-18:1时以离子注入工艺将相应的金属离子注入合金主体的外侧，从而将形成对合金主体内部进行有效保护的金属共渗层，在显著提升高强度螺栓的抗拉强度的同时有效避免降低耐延迟断裂性能的效果。

本发明进一步设置为：所述合金外层的厚度为3-6μm，且FeBX中Fe、B和X的质量比为73-85:15-22:0-5。

通过采用上述技术方案，通过采用CoFeB或FeBX在沉积工艺下形成附着在金属共渗层外侧的合金外层时，将显著提升该高强度螺栓的机械强度，并在形成致密膜层结构的同时，与金属共渗层协同降低析氢反应概率，从而达到提高耐延迟断裂性能的目的。

本发明的第二个目的在于提供一种高强度螺栓用钢，用于生产如上所述的高强度螺栓的合金主体，包括按质量百分比为0.15％-0.25％的C、0.06％-0.12％的Nb、0.01％-0.08％的Al、0.005％-0.016％的Ti、0.03％-0.08％的V、0.001％-0.005％的S、0.20％-0.26％的Cu、0.58％-0.80％的Mn、0.11％-0.18％的Si、0.75％-1.25％的Cr以及作为余量的Fe及不可避免的杂质。

通过采用上述技术方案，使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。

本发明进一步设置为：所述Mn与Ti的质量比公式为：3.8≤Mn/Ti≤138。

通过采用上述技术方案，优化Mn与Ti的含量，使得Ti金属在实现提升耐腐蚀性能的同时，优化耐延迟断裂性能，以结合Mn金属的脱氧脱硫能力，优化高强度螺栓用钢在制备获得合金主体时的组成成分，使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。

本发明进一步设置为：所述杂质按质量百分比包括0≤O＜0.001％、0≤N＜0.0015％和0≤P＜0.001％。

通过采用上述技术方案，限制相应的杂质质量百分比将达到避免杂质影响到高强度螺栓在生产完成后的成分组织和晶粒，从而使得获得的高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

本发明的第三个目的在于提供一种高强度螺栓用钢的生产工艺，包括如下步骤：

S1、将高强度螺栓用钢制成螺栓胚件，再经加热、淬火后获得螺栓胚体；

S2、在真空条件下，采用高温等离子注入技术对螺栓胚体进行处理，并控制高温温度为350-450℃，保温时间为1-4h，完成回火工序并获得由合金主体和金属共渗层组成的螺栓半成品；

S3、将螺栓半成品通过沉积工艺表面附着一层合金外层，并获得高强度螺栓。

通过采用上述技术方案，采用螺栓胚体的制备获取和金属共渗层、合金外层的依次加工生产，从而在降低该高强度螺栓的生产制备难度的同时，显著提高获得的高强度螺栓的抗拉强度，并通过三个步骤对合金材料在依次提高和加强力学性能的同时，显著降低化学析氢反应概率，从而达到显著提升耐延迟断裂性能的目的。

本发明进一步设置为：在S1中，所述螺栓胚件先直接加热至750-820℃，再浸入100-200℃的油液内冷却1-3s，取出并立即放入35-50℃的水中冷却以完成淬火并获得螺栓胚体。

通过采用上述技术方案，油液冷却与水冷却以及加热温度的匹配从而将提高螺栓胚体的耐延迟断裂性能，并通过检测发现其在强度得到显著提升的同时，有效防止塑韧性的降低。

本发明进一步设置为：在S2中，所述高温等离子注入技术为在350-450℃的温度下，采用Bi和/或Sb与Mn的阴极弧源处理所述螺栓胚体的表面，并控制高温等离子注入电压为20-50kV、射频功率为900-1200W、脉冲频率为20-80Hz、Bi和/或Sb与Mn的注入剂量为7.2*10

通过采用上述技术方案，将使得Bi和/或Sb与Mn注入螺栓胚体内外层以形成金属共渗层，并显著降低获得的螺栓半成品的析氢反应概率，并用于与合金外层形成致密连接结构以降低界面形成的结合效果，从而显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

本发明进一步设置为：在S3中，沉积为化学气相沉积或原子层沉积。

通过采用上述技术方案，化学气相沉积和原子层沉积将实现令合金金属材料中的各组分均匀分布在金属共渗层的外侧，从而使得CoFeB或FeBX在均匀分布以形成薄膜层结构的同时，显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

综上所述，本发明具有以下有益效果：通过合金主体的用钢选择成分和相应的含量显著提升机械强度，且通过相应的生产工艺提高合金主体的耐延迟断裂性能；与此同时，结合离子注入技术加工获得的金属共渗层在保护内层合金主体的同时，避免在金属共渗层与合金主体之间形成界面而影响到该高强度螺栓的机械强度，并协同由合金外层CoFeB或FeBX的磁性和薄膜强度，使得合金外层与金属共渗层形成致密的连接结构，并有效降低化学析氢反应概率，使得该高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并提高耐延迟断裂性能的效果。

附图说明

图1是本实施例的高强度螺栓的结构示意图。

附图标记说明：1、合金主体；2、金属共渗层；3、合金外层。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图对本发明作进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

以下将针对本申请的高强度螺栓、用钢及其生产工艺具体说明。

如图1所示，一种高强度螺栓，包括作为核心柱体的合金主体1。该高强度螺栓通过优化合金主体的合金成分，并在合金主体1的外侧设置金属共渗层2和合金外层3，以使得该高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

需要说明的是，金属共渗层2采用离子注入工艺形成于合金主体的外侧。因此，金属共渗层2为合金主体1的外侧部分，而非独立于合金主体1的部分结构，从而避免在金属共渗层2和合金主体1之间因形成界面而影响到该高强度螺栓的机械强度。与此同时，合金外层3采用沉积工艺附着在所述金属共渗层2的外侧。其中，金属共渗层2为向合金主体1的外侧注入Bi和/或Sb与Mn形成，且合金外层3为CoFeB或FeBX，X为V、Nb、Zr、W、Mg或Mo。因此，由合金主体1、金属共渗层2和合金外层3组成的高强度螺栓具有通过离子注入工艺将Bi和/或Sb与Mn注入合金主体1的外侧从而对合金主体1的内侧进行保护，并使得Bi和/或Sb与Mn显著提升合金主体1外侧的机械强度，并进而在降低析氢反应概率的同时，与采用沉积工艺附着在金属共渗层2外侧的合金外层3结合，以在进一步提升该高强度螺栓的机械强度的同时，令该高强度螺栓达到提高耐延迟断裂性能的目的。针对于该高强度螺栓，其经离子注入工艺形成金属共渗层2后，获得的金属共渗层2的厚度为10-25μm，且所采用的Bi和/或Sb与Mn的质量比为16-18:1；在经沉积工艺形成合金外层后，获得的合金外层3的厚度为3-6μm，且FeBX中Fe、B和X的质量比为73-85:15-22:0-5。因此，该高强度螺栓通过采用Bi和/或Sb与Mn在质量比为16-18:1时以离子注入工艺将相应的金属离子注入合金主体1的外侧，从而将形成对合金主体1内部进行有效保护的金属共渗层2，在显著提升高强度螺栓的抗拉强度的同时有效避免降低耐延迟断裂性能的效果；并且，通过采用CoFeB或FeBX在沉积工艺下形成附着在金属共渗层2外侧的合金外层3时，将显著提升该高强度螺栓的机械强度，并在形成致密膜层结构的同时，与金属共渗层2协同降低析氢反应概率，从而达到提高耐延迟断裂性能的目的。

一种高强度螺栓用钢，用于生产如上所述的高强度螺栓的合金主体1，包括按质量百分比为0.15％-0.25％的C、0.06％-0.12％的Nb、0.01％-0.08％的Al、0.005％-0.016％的Ti、0.03％-0.08％的V、0.001％-0.005％的S、0.20％-0.26％的Cu、0.58％-0.80％的Mn、0.11％-0.18％的Si、0.75％-1.25％的Cr以及作为余量的Fe及不可避免的杂质。为了提升经采用该高强度螺栓用钢生产获得高强度螺栓的机械强度和提高耐延迟断裂性能，设定Mn与Ti的质量比公式为：3.8≤Mn/Ti≤138，从而在优化Mn与Ti的含量时使得Ti金属在实现提升耐腐蚀性能的同时，优化耐延迟断裂性能，以结合Mn金属的脱氧脱硫能力，优化高强度螺栓用钢在制备获得合金主体时的组成成分，使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。因此，将在采用相应质量百分比的合金组成成分后使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。

需要说明的是，杂质按质量百分比包括0≤O＜0.001％、0≤N＜0.0015％和0≤P＜0.001％，以通过限制相应的杂质质量百分比将达到避免杂质影响到高强度螺栓在生产完成后的成分组织和晶粒，从而使得获得的高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

一种高强度螺栓用钢的生产工艺，包括如下步骤：

S1、将高强度螺栓用钢制成螺栓胚件，再将螺栓胚件直接加热至750-820℃，再浸入100-200℃的油液内冷却1-3s，取出并立即放入35-50℃的水中冷却以完成淬火并获得螺栓胚体；

S2、在真空条件下，采用高温等离子注入技术对螺栓胚体进行处理，且高温等离子注入技术为在350-450℃的温度下，采用Bi和/或Sb与Mn的阴极弧源处理所述螺栓胚体的表面，并控制高温等离子注入电压为20-50kV、射频功率为900-1200W、脉冲频率为20-80Hz、Bi和/或Sb与Mn的注入剂量为7.2*10

S3、将螺栓半成品通过化学气相沉积或原子层沉积工艺表面附着一层合金外层，并获得高强度螺栓。

因此，通过采用螺栓胚体的制备获取和金属共渗层、合金外层的依次加工生产，从而在降低该高强度螺栓的生产制备难度的同时，显著提高获得的高强度螺栓的抗拉强度，并通过三个步骤对合金材料在依次提高和加强力学性能的同时，显著降低化学析氢反应概率，从而达到显著提升耐延迟断裂性能的目的。需要说明的是，油液冷却与水冷却以及加热温度的匹配从而将提高螺栓胚体的耐延迟断裂性能，并通过检测发现其在强度得到显著提升的同时，有效防止塑韧性的降低。并通过采用将Bi和/或Sb与Mn注入螺栓胚体内外层以形成金属共渗层后显著降低获得的螺栓半成品的析氢反应概率，并用于与合金外层形成致密连接结构以降低界面形成的结合效果，从而显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

其中，化学气相沉积和原子层沉积将实现令合金金属材料中的各组分均匀分布在金属共渗层的外侧，从而使得CoFeB或FeBX在均匀分布以形成薄膜层结构的同时，显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

实施例一

如图1所示，一种高强度螺栓，包括作为核心柱体的合金主体1。该高强度螺栓通过优化合金主体的合金成分，并在合金主体1的外侧设置金属共渗层2和合金外层3，以使得该高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

需要说明的是，金属共渗层2采用离子注入工艺形成于合金主体的外侧。因此，金属共渗层2为合金主体1的外侧部分，而非独立于合金主体1的部分结构，从而避免在金属共渗层2和合金主体1之间因形成界面而影响到该高强度螺栓的机械强度。与此同时，合金外层3采用沉积工艺附着在所述金属共渗层2的外侧。其中，金属共渗层2为向合金主体1的外侧注入Bi与Mn形成，且合金外层3为CoFeB。因此，由合金主体1、金属共渗层2和合金外层3组成的高强度螺栓具有通过离子注入工艺将Bi与Mn注入合金主体1的外侧从而对合金主体1的内侧进行保护，并使得Bi与Mn显著提升合金主体1外侧的机械强度，并进而在降低析氢反应概率的同时，与采用沉积工艺附着在金属共渗层2外侧的合金外层3结合，以在进一步提升该高强度螺栓的机械强度的同时，令该高强度螺栓达到提高耐延迟断裂性能的目的。针对于该高强度螺栓，其经离子注入工艺形成金属共渗层2后，获得的金属共渗层2的厚度为10μm，且所采用的Bi与Mn的质量比为16:1；在经沉积工艺形成合金外层后，获得的合金外层3的厚度为3μm。因此，该高强度螺栓通过采用Bi与Mn在质量比为16:1时以离子注入工艺将相应的金属离子注入合金主体1的外侧，从而将形成对合金主体1内部进行有效保护的金属共渗层2，在显著提升高强度螺栓的抗拉强度的同时有效避免降低耐延迟断裂性能的效果；并且，通过采用CoFeB在沉积工艺下形成附着在金属共渗层2外侧的合金外层3时，将显著提升该高强度螺栓的机械强度，并在形成致密膜层结构的同时，与金属共渗层2协同降低析氢反应概率，从而达到提高耐延迟断裂性能的目的。

一种高强度螺栓用钢，用于生产如上所述的高强度螺栓的合金主体1，包括按质量百分比为0.15％的C、0.06％的Nb、0.01％的Al、0.016％的Ti、0.08％的V、0.005％的S、0.20％的Cu、0.80％的Mn、0.11％的Si、1.25％的Cr以及作为余量的Fe及不可避免的杂质。为了提升经采用该高强度螺栓用钢生产获得高强度螺栓的机械强度和提高耐延迟断裂性能，设定Mn与Ti的质量比公式为：3.8≤Mn/Ti≤138，且在本实施例中3.8≤Mn/Ti＝50≤138，从而在优化Mn与Ti的含量时使得Ti金属在实现提升耐腐蚀性能的同时，优化耐延迟断裂性能，以结合Mn金属的脱氧脱硫能力，优化高强度螺栓用钢在制备获得合金主体时的组成成分，使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。因此，将在采用相应质量百分比的合金组成成分后使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。

需要说明的是，杂质按质量百分比包括O＜0.001％、N＜0.0015％和P＜0.001％，以通过限制相应的杂质质量百分比将达到避免杂质影响到高强度螺栓在生产完成后的成分组织和晶粒，从而使得获得的高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

一种高强度螺栓用钢的生产工艺，包括如下步骤：

S1、将高强度螺栓用钢制成螺栓胚件，再将螺栓胚件直接加热至750℃，再浸入100℃的油液内冷却1s，取出并立即放入35℃的水中冷却以完成淬火并获得螺栓胚体；

S2、在真空条件下，采用高温等离子注入技术对螺栓胚体进行处理，且高温等离子注入技术为在350℃的温度下，采用Bi与Mn的阴极弧源处理所述螺栓胚体的表面，并控制高温等离子注入电压为20kV、射频功率为900W、脉冲频率为20Hz、Bi与Mn的注入剂量为7.2*10

S3、将螺栓半成品通过化学气相沉积工艺表面附着一层合金外层，并获得高强度螺栓。

因此，通过采用螺栓胚体的制备获取和金属共渗层、合金外层的依次加工生产，从而在降低该高强度螺栓的生产制备难度的同时，显著提高获得的高强度螺栓的抗拉强度，并通过三个步骤对合金材料在依次提高和加强力学性能的同时，显著降低化学析氢反应概率，从而达到显著提升耐延迟断裂性能的目的。需要说明的是，油液冷却与水冷却以及加热温度的匹配从而将提高螺栓胚体的耐延迟断裂性能，并通过检测发现其在强度得到显著提升的同时，有效防止塑韧性的降低。并通过采用将Bi与Mn注入螺栓胚体内外层以形成金属共渗层后显著降低获得的螺栓半成品的析氢反应概率，并用于与合金外层形成致密连接结构以降低界面形成的结合效果，从而显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

其中，化学气相沉积和原子层沉积将实现令合金金属材料中的各组分均匀分布在金属共渗层的外侧，从而使得CoFeB在均匀分布以形成薄膜层结构的同时，显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

实施例二

如图1所示，一种高强度螺栓，包括作为核心柱体的合金主体1。该高强度螺栓通过优化合金主体的合金成分，并在合金主体1的外侧设置金属共渗层2和合金外层3，以使得该高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

需要说明的是，金属共渗层2采用离子注入工艺形成于合金主体的外侧。因此，金属共渗层2为合金主体1的外侧部分，而非独立于合金主体1的部分结构，从而避免在金属共渗层2和合金主体1之间因形成界面而影响到该高强度螺栓的机械强度。与此同时，合金外层3采用沉积工艺附着在所述金属共渗层2的外侧。其中，金属共渗层2为向合金主体1的外侧注入Sb与Mn形成，且合金外层3为FeBX，X为V。因此，由合金主体1、金属共渗层2和合金外层3组成的高强度螺栓具有通过离子注入工艺将Sb与Mn注入合金主体1的外侧从而对合金主体1的内侧进行保护，并使得Sb与Mn显著提升合金主体1外侧的机械强度，并进而在降低析氢反应概率的同时，与采用沉积工艺附着在金属共渗层2外侧的合金外层3结合，以在进一步提升该高强度螺栓的机械强度的同时，令该高强度螺栓达到提高耐延迟断裂性能的目的。针对于该高强度螺栓，其经离子注入工艺形成金属共渗层2后，获得的金属共渗层2的厚度为20μm，且所采用的Sb与Mn的质量比为17:1；在经沉积工艺形成合金外层后，获得的合金外层3的厚度为5μm，且FeBX中Fe、B和X的质量比为73:22:5。因此，该高强度螺栓通过采用Sb与Mn在质量比为17:1时以离子注入工艺将相应的金属离子注入合金主体1的外侧，从而将形成对合金主体1内部进行有效保护的金属共渗层2，在显著提升高强度螺栓的抗拉强度的同时有效避免降低耐延迟断裂性能的效果；并且，通过采用FeBX在沉积工艺下形成附着在金属共渗层2外侧的合金外层3时，将显著提升该高强度螺栓的机械强度，并在形成致密膜层结构的同时，与金属共渗层2协同降低析氢反应概率，从而达到提高耐延迟断裂性能的目的。

一种高强度螺栓用钢，用于生产如上所述的高强度螺栓的合金主体1，包括按质量百分比为0.20％的C、0.08％的Nb、0.05％的Al、0.010％的Ti、0.06％的V、0.003％的S、0.23％的Cu、0.69％的Mn、0.15％的Si、0.98％的Cr以及作为余量的Fe及不可避免的杂质。为了提升经采用该高强度螺栓用钢生产获得高强度螺栓的机械强度和提高耐延迟断裂性能，设定Mn与Ti的质量比公式为：3.8≤Mn/Ti≤138，且本实施例中3.8≤Mn/Ti＝69≤138，从而在优化Mn与Ti的含量时使得Ti金属在实现提升耐腐蚀性能的同时，优化耐延迟断裂性能，以结合Mn金属的脱氧脱硫能力，优化高强度螺栓用钢在制备获得合金主体时的组成成分，使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。因此，将在采用相应质量百分比的合金组成成分后使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。

需要说明的是，杂质按质量百分比包括O＜0.001％、N＜0.0015％和P＜0.001％，以通过限制相应的杂质质量百分比将达到避免杂质影响到高强度螺栓在生产完成后的成分组织和晶粒，从而使得获得的高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

一种高强度螺栓用钢的生产工艺，包括如下步骤：

S1、将高强度螺栓用钢制成螺栓胚件，再将螺栓胚件直接加热至780℃，再浸入150℃的油液内冷却2s，取出并立即放入40℃的水中冷却以完成淬火并获得螺栓胚体；

S2、在真空条件下，采用高温等离子注入技术对螺栓胚体进行处理，且高温等离子注入技术为在400℃的温度下，采用Sb与Mn的阴极弧源处理所述螺栓胚体的表面，并控制高温等离子注入电压为35kV、射频功率为1050W、脉冲频率为50Hz、Sb与Mn的注入剂量为2.6*10

S3、将螺栓半成品通过原子层沉积工艺表面附着一层合金外层，并获得高强度螺栓。

因此，通过采用螺栓胚体的制备获取和金属共渗层、合金外层的依次加工生产，从而在降低该高强度螺栓的生产制备难度的同时，显著提高获得的高强度螺栓的抗拉强度，并通过三个步骤对合金材料在依次提高和加强力学性能的同时，显著降低化学析氢反应概率，从而达到显著提升耐延迟断裂性能的目的。需要说明的是，油液冷却与水冷却以及加热温度的匹配从而将提高螺栓胚体的耐延迟断裂性能，并通过检测发现其在强度得到显著提升的同时，有效防止塑韧性的降低。并通过采用将Sb与Mn注入螺栓胚体内外层以形成金属共渗层后显著降低获得的螺栓半成品的析氢反应概率，并用于与合金外层形成致密连接结构以降低界面形成的结合效果，从而显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

其中，化学气相沉积和原子层沉积将实现令合金金属材料中的各组分均匀分布在金属共渗层的外侧，从而使得FeBV在均匀分布以形成薄膜层结构的同时，显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

实施例三

如图1所示，一种高强度螺栓，包括作为核心柱体的合金主体1。该高强度螺栓通过优化合金主体的合金成分，并在合金主体1的外侧设置金属共渗层2和合金外层3，以使得该高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

需要说明的是，金属共渗层2采用离子注入工艺形成于合金主体的外侧。因此，金属共渗层2为合金主体1的外侧部分，而非独立于合金主体1的部分结构，从而避免在金属共渗层2和合金主体1之间因形成界面而影响到该高强度螺栓的机械强度。与此同时，合金外层3采用沉积工艺附着在所述金属共渗层2的外侧。其中，金属共渗层2为向合金主体1的外侧注入Sb与Mn形成，且合金外层3为FeBX，X为Zr。因此，由合金主体1、金属共渗层2和合金外层3组成的高强度螺栓具有通过离子注入工艺将Sb与Mn注入合金主体1的外侧从而对合金主体1的内侧进行保护，并使得Sb与Mn显著提升合金主体1外侧的机械强度，并进而在降低析氢反应概率的同时，与采用沉积工艺附着在金属共渗层2外侧的合金外层3结合，以在进一步提升该高强度螺栓的机械强度的同时，令该高强度螺栓达到提高耐延迟断裂性能的目的。针对于该高强度螺栓，其经离子注入工艺形成金属共渗层2后，获得的金属共渗层2的厚度为25μm，且所采用的Sb与Mn的质量比为18:1；在经沉积工艺形成合金外层后，获得的合金外层3的厚度为6μm，且FeBX中Fe、B和X的质量比为84:15:1。因此，该高强度螺栓通过采用Sb与Mn在质量比为18:1时以离子注入工艺将相应的金属离子注入合金主体1的外侧，从而将形成对合金主体1内部进行有效保护的金属共渗层2，在显著提升高强度螺栓的抗拉强度的同时有效避免降低耐延迟断裂性能的效果；并且，通过采用FeBX在沉积工艺下形成附着在金属共渗层2外侧的合金外层3时，将显著提升该高强度螺栓的机械强度，并在形成致密膜层结构的同时，与金属共渗层2协同降低析氢反应概率，从而达到提高耐延迟断裂性能的目的。

一种高强度螺栓用钢，用于生产如上所述的高强度螺栓的合金主体1，包括按质量百分比为0.25％的C、0.12％的Nb、0.08％的Al、0.005％的Ti、0.03％％的V、0.001％的S、0.26％的Cu、0.58％的Mn、0.18％的Si、0.75％的Cr以及作为余量的Fe及不可避免的杂质。为了提升经采用该高强度螺栓用钢生产获得高强度螺栓的机械强度和提高耐延迟断裂性能，设定Mn与Ti的质量比公式为：3.8≤Mn/Ti≤138，且在本实施例中3.8≤Mn/Ti＝116≤138，从而在优化Mn与Ti的含量时使得Ti金属在实现提升耐腐蚀性能的同时，优化耐延迟断裂性能，以结合Mn金属的脱氧脱硫能力，优化高强度螺栓用钢在制备获得合金主体时的组成成分，使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。因此，将在采用相应质量百分比的合金组成成分后使得通过该高强度螺栓用钢生产获得的合金主体具有抗拉强度高以及耐延迟断裂性能强的效果。

需要说明的是，杂质按质量百分比包括O＜0.001％、N＜0.0015％和P＜0.001％，以通过限制相应的杂质质量百分比将达到避免杂质影响到高强度螺栓在生产完成后的成分组织和晶粒，从而使得获得的高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并避免降低耐延迟断裂性能的效果。

一种高强度螺栓用钢的生产工艺，包括如下步骤：

S1、将高强度螺栓用钢制成螺栓胚件，再将螺栓胚件直接加热至820℃，再浸入200℃的油液内冷却3s，取出并立即放入50℃的水中冷却以完成淬火并获得螺栓胚体；

S2、在真空条件下，采用高温等离子注入技术对螺栓胚体进行处理，且高温等离子注入技术为在450℃的温度下，采用Sb与Mn的阴极弧源处理所述螺栓胚体的表面，并控制高温等离子注入电压为50kV、射频功率为1200W、脉冲频率为80Hz、Sb与Mn的注入剂量为8.6*10

S3、将螺栓半成品通过原子层沉积工艺表面附着一层合金外层，并获得高强度螺栓。

因此，通过采用螺栓胚体的制备获取和金属共渗层、合金外层的依次加工生产，从而在降低该高强度螺栓的生产制备难度的同时，显著提高获得的高强度螺栓的抗拉强度，并通过三个步骤对合金材料在依次提高和加强力学性能的同时，显著降低化学析氢反应概率，从而达到显著提升耐延迟断裂性能的目的。需要说明的是，油液冷却与水冷却以及加热温度的匹配从而将提高螺栓胚体的耐延迟断裂性能，并通过检测发现其在强度得到显著提升的同时，有效防止塑韧性的降低。并通过采用将Sb与Mn注入螺栓胚体内外层以形成金属共渗层后显著降低获得的螺栓半成品的析氢反应概率，并用于与合金外层形成致密连接结构以降低界面形成的结合效果，从而显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

其中，原子层沉积将实现令合金金属材料中的各组分均匀分布在金属共渗层的外侧，从而使得FeBX在均匀分布以形成薄膜层结构的同时，显著提升通过该高强度螺栓用钢的生产工艺生产制备获得的高强度螺栓的抗拉强度并提高耐延迟断裂性能。

实施例四

实施例四与实施例二的区别在于，实施例四中采用摩尔比为2:1的Bi和Sb与Mn的阴极弧源处理螺栓胚体的表面。

对比例一

对比例一与实施例二的区别在于，对比例一中采用Ti与Mn的阴极弧源处理螺栓胚体的表面。

对比例二

对比例二与实施例二的区别在于，对比例二中的高强度螺栓包括作为核心柱体的合金主体1和形成于合金主体1的外侧的合金外层3。

对比例三

对比例三与实施例二的区别在于，对比例三中的高强度螺栓包括作为核心柱体的合金主体1和形成于合金主体1的外侧的金属共渗层2。

测试方法：

1.采用GB/T6394-2017(直线截点法)测试合金主体的原奥氏体晶粒；

2.采用GB/T 3098.1-2010测试抗拉强度；

3.采用恒载荷拉伸试验法在充氢环境中测试延迟断裂性能，并依据断裂试样百分比或断裂时间判断延迟断裂敏感性，敏感性越低则耐延迟断裂性能越强，并从低敏感至高敏感分别为I、II、III、IV、V。

性能测试结果如下表一所示：

表一实施例一至实施例四与对比例一至对比例三性能测试结果

由表一可知，本申请通过相应的合金主体的用钢选择成分和相应的含量组合，从而在结合相应的生产工艺时有效控制并降低合金主体的晶粒规格，从而使得获得的合金主体具有超细化奥氏体晶粒以及显著提高制备获得的高强度螺栓的强度和韧性，使得获得的高强度螺栓的抗拉强度均高于1550MPa，并通过注入合金主体1外侧的Bi和/或Sb与Mn显著提升该高强度螺栓的机械强度，并进而达到降低析氢反应概率和提高耐延迟断裂性能的目的。与此同时，采用沉积工艺在金属共渗层外形成的合金外层通过CoFeB或FeBX与金属共渗层紧密结合，在抵消界面影响机械性能的同时，通过形成的致密膜层结构与金属共渗层协同降低析氢反应概率，从而达到提高耐延迟断裂性能的目的。

综上，本申请通过合金主体的用钢选择成分和相应的含量显著提升机械强度，且通过相应的生产工艺提高合金主体的耐延迟断裂性能；与此同时，结合离子注入技术加工获得的金属共渗层在保护内层合金主体的同时，避免在金属共渗层与合金主体之间形成界面而影响到该高强度螺栓的机械强度，并协同由合金外层CoFeB或FeBX的磁性和薄膜强度，使得合金外层与金属共渗层形成致密的连接结构，并有效降低化学析氢反应概率，使得该高强度螺栓具有显著提升抗拉强度并提高耐延迟断裂性能的效果。

本申请涉及的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。