一种提高非调质型螺栓疲劳强度的加工方法

技术领域

本发明属于紧固件制造技术领域，涉及一种提高非调质型螺栓疲劳强度的加工方法。

背景技术

紧固件行业通常将8.8级及以上的紧固件称为高强度紧固件，目前行业中常见的高强度紧固件级别有8.8级、9.8级、10.9级、12.9级等，广泛用于机械、建筑、汽车、高铁、船舶、交通等领域。高强度紧固件主流产品包括螺栓、螺母、螺柱、自攻钉等，其中螺栓占比最高，也是最具代表性的产品。

目前国内生产高强度螺栓主要有两大类生产工艺：第一类生产工艺较为传统，通常以中碳钢热轧盘条为原料，包括硼钢、优质碳素钢、合金钢，加工成螺栓后进行调质热处理，获得调质型螺栓；第二类生产工艺较为新兴，通常以非调质冷镦钢热轧盘条为原料，通过材料性能和冷作硬化获得非调质型螺栓。第一类生产工艺的代表性流程为：盘条—酸洗—磷化—皂化—冷拉拔—球化退火—酸洗—磷化—皂化—冷拉拔—冷镦成型—搓丝—调质热处理—表面处理，其中精线制备需要两次酸洗、磷化、皂化和拉拔，并进行一次球化退火，螺栓的机械性能通过调质热处理来保证。第二类生产工艺的代表性工艺流程为：盘条—酸洗—磷化—皂化—冷拉拔—冷镦成型—搓丝—表面处理，获得非调质型螺栓，其中精线制备只进行一次酸洗、磷化、皂化和拉拔，并且无需进行球化退火和调质热处理。相对于第一类生产工艺，第二类生产工艺流程大幅度减少，生产效率有效提升，生产成本显著降低，并且可以减少能源消耗与环境污染。

基于非调质型螺栓制造工艺的优势，国内紧固件制造企业和使用企业正逐步推广和扩大其使用量，代替传统的调质型螺栓。非调质型螺栓的机械性能虽然可以满足标准要求，但存在螺栓不同部位硬度差过大，且疲劳强度不足的问题，进而无法满足紧固件制造企业和使用企业的实际内控要求。在现有技术中采用非调质型冷镦钢盘条为原料，经过拉拔、冷镦成型、搓丝、稳定化热处理等工序生产的非调质型螺栓，普遍存在两个问题：一是螺头、法兰盘、螺杆、螺牙等不同部位硬度差过大；二是螺栓疲劳强度偏低；上述两个问题导致非调质型螺栓与传统调质型螺栓存在较大的性能差距。

开发一种低能耗、低成本、易操作的非调质型螺栓加工方法，有效降低螺栓不同部位的硬度差，提高螺栓的疲劳强度，满足工业化应用需要，是目前亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明通过冷镦成型后先进行稳定化处理再搓丝的制造工艺流程，同时优化稳定化处理方案，有效降低了螺栓不同部位的硬度差，提高了非调质型螺栓的疲劳强度；达到了工业化应用要求，降低了制造成本，减少了能源消耗和污染排放。

一种提高非调质型螺栓疲劳强度的加工方法，其特征在于螺栓制造和稳定化处理。下面对本发明的螺栓制造和稳定化处理做详细叙述。

螺栓制造：

非调质型螺栓以热轧盘条为原料，制造工艺流程：热轧盘条—酸洗—磷化—皂化—冷拉拔—冷镦成型—稳定化处理—搓丝—表面处理。

冷镦成型后先进行稳定化处理，再搓丝。盘条经过酸洗、磷化、皂化后冷拉拔制成精线，盘条及拉拔后的精线均无需进行退火处理，且拉拔工艺为单道次拉拔，即通过一道模具将钢丝拉拔至所需要的规格，保证单道次拉拔减面率28～35％，通过拉拔产生更多的位错，为低温稳定化处理效果提供关键的基础；精线经过多工位冷镦机直接冷镦成型，成型后的螺栓无需进行调质热处理，而是进行稳定化处理。

螺栓化学成分按重量百分数计为C：0.08～0.13％，Si：≤0.30％，Mn：1.60～2.00％，Nb：0.010～0.040％，V：0.015～0.050％。

稳定化处理：

冷镦成型后的螺栓采用稳定化处理，稳定化处理采用电阻炉加热和保温，稳定化处理分两个阶段：第一阶段，炉温加热至520～550℃，保温20min；第二阶段，以25～30℃/min冷却速率将炉温降低至180～200℃，保温180min，之后随炉冷却至常温。

稳定化处理时，螺栓的装炉量应根据电阻炉加热能力做调整，选择最大允许装炉量的50％～70％。这是由于稳定化处理第二阶段的温度相对传统调质热处理温度显著降低，且热处理时间也较短，因此需要保证炉内加热效率和均匀性，故适当降低装炉量，而常规工艺不控制装炉量无法达到预期稳定化效果，优选后为50％～70％装炉量(体积)。

按照本发明的加工方法生产的非调质型螺栓：螺栓的螺头、法兰盘、螺杆、螺牙等不同部位HRC硬度差≤3；螺栓疲劳寿命满足50％存活率下≥500万次，对应疲劳强度≥95MPa。螺栓性能达到了工业化应用要求，降低了制造成本，减少了能源消耗和污染排放。

具体实施方式

本发明中非调质型螺栓用盘条的具体化学成分如下：

Wt，％

非调质型螺栓制造工艺流程为：热轧盘条—酸洗—磷化—皂化—冷拉拔—冷镦成型—稳定化处理—搓丝—表面处理。未具体说明的为本领域常规条件。下面以M8螺栓的实际制造作为实施例和对比例，其中原材料盘条规格为Φ9.0mm，精线规格为Φ7.60mm。工业化应用对螺栓的技术要求：螺栓的螺头、法兰盘、螺杆、螺牙等不同部位HRC硬度差≤3；螺栓疲劳寿命满足50％存活率下≥500万次，对应疲劳强度≥95MPa。

实施例1

1、盘条化学成分

盘条原料的化学成分设计按重量百分数计为C：0.09％，Si：0.21％，Mn：1.92％，Nb：0.030％，V：0.029％，P：0.010％，S：0.007％，Cr：0.03％，Ni：0.02％，Cu：0.02％。

2、螺栓制造

Φ9.0mm盘条原料采用工业用盐酸进行酸洗，将热轧盘条表面的氧化皮去除干净，随后依次进行磷化、皂化，完成原材料预处理；将预处理后的盘条，通过单道次拉拔至Φ7.60mm，完成精线生产；精线通过多工位冷镦机直接冷镦成型，冷镦成型后先进行稳定化处理，之后进行搓丝。

3、稳定化处理

将冷镦成型后的螺栓放入电阻炉进行稳定化处理，装炉量为最大允许装炉量的60％；稳定化处理分两个阶段：第一阶段，炉温加热至525℃，保温20min；第二阶段，以28℃/min冷却速率将炉温降低至195℃，保温180min，之后随炉冷却至常温。

4、搓丝及表面处理

搓丝采用紧固件制造领域通用的搓牙，即加工螺牙，表面处理方法为镀锌。

实施例2

1、盘条化学成分

盘条原料的化学成分设计按重量百分数计为C：0.12％，Si：0.15％，Mn：1.72％，Nb：0.022％，V：0.040％，P：0.014％，S：0.011％，Cr：0.02％，Ni：0.01％，Cu：0.01％。

2、螺栓制造

Φ9.0mm盘条原料采用工业用盐酸进行酸洗，将热轧盘条表面的氧化皮去除干净，随后依次进行磷化、皂化，完成原材料预处理；将预处理后的盘条，通过单道次拉拔至Φ7.60mm，完成精线生产；精线通过多工位冷镦机直接冷镦成型，冷镦成型后先进行稳定化处理，之后进行搓丝。

3、稳定化处理

将冷镦成型后的螺栓放入电阻炉进行稳定化处理，装炉量为最大允许装炉量的70％；稳定化处理分两个阶段：第一阶段，炉温加热至540℃，保温20min；第二阶段，以27℃/min冷却速率将炉温降低至185℃，保温180min，之后随炉冷却至常温。

4、搓丝及表面处理

搓丝采用紧固件制造领域通用的搓牙，即加工螺牙，表面处理方法为镀锌。

对比例1

将实施例1步骤2螺栓制造中“精线通过多工位冷镦机直接冷镦成型，冷镦成型后先进行稳定化处理，之后进行搓丝”替换为“精线通过多工位冷镦机直接冷镦成型，冷镦成型后先搓丝，之后进行稳定化处理”其他条件同实施例1。

对比例2

将实施例1步骤3稳定化处理方案替换为“炉温加热至525℃，保温180min”，其他条件同实施例1。

对比例3

将实施例1步骤3稳定化处理方案替换为“炉温加热至195℃，保温180min”，其他条件同实施例1。

本发明实施例与对比例生产的非调质型螺栓硬度均匀性与疲劳强度对比如下表1：

表1

疲劳强度是指：螺栓疲劳寿命满足50％存活率下≥500万次，对应疲劳强度。