本發(fā)明涉及冶金，尤其涉及一種高強度螺栓鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、螺栓是工業(yè)工程中被廣泛使用的結(jié)構(gòu)緊固件。在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中，螺栓連接是僅次于焊接的第二大連接緊固方式。按照強度高低可將螺栓分為普通螺栓和高強度螺栓，其中8.8級及以上為高強度螺栓。高強度螺栓主要應用于汽車、航空航天、風電、工程機械等行業(yè)。隨著結(jié)構(gòu)件更高的應力設(shè)計需求及輕量化發(fā)展，高強度螺栓正在向更高強度級別發(fā)展。

2、螺栓屬于帶缺口零件，且通常承受靜拉伸載荷，缺口敏感性高。當高強度螺栓抗拉強度達到1200mpa以上時，疲勞破壞和延遲斷裂問題十分突出，易在缺口集中部位如桿與頭部的過渡處或螺紋根部產(chǎn)生延遲斷裂或疲勞斷裂。因此，高強度螺栓鋼不僅需要具備良好的冷鐓性能、高的抗拉強度、較高的塑性和韌性，還需要具有良好的耐延遲斷裂性能和較高的疲勞性能。延遲斷裂問題成為阻礙高強度螺栓鋼發(fā)展的主要因素之一。

3、在鋼中導入更多的氫陷阱是解決延遲斷裂問題的有效辦法。如日本研制的knds系列鋼、中國研制的adf系列鋼以及42crmovnb-nj鋼等，通過碳化物彌散析出提高了耐延遲斷裂性能，成功實現(xiàn)了13.9級和14.9級高強度螺栓的工業(yè)化生產(chǎn)。面向更高強度級別螺栓鋼，需在提高材料強度和韌性的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化螺栓鋼的耐延遲斷裂性能。專利cn107604243a中通過向42crmo鋼添加微合金元素ti、nb，使其與c、n元素結(jié)合生成碳氮化物顆粒形成氫陷阱，提升了材料的耐延遲斷裂性能。專利cn115404399a中通過v含量的優(yōu)化設(shè)計，使其與鋼中的c、n元素反應析出尺寸5-50nm的含v碳氮化物，提高材料的耐延遲斷裂性能。專利cn111218618a中通過提高cr、ni等元素含量，添加ti、al等元素，形成ni3al、ni3ti、ni3mo等彌散分布金屬間化合物硬化相，開發(fā)了抗氫脆、高強韌不銹鋼。專利cn110423954a中通過提高cu元素含量，促進沉淀析出并誘導mo、v、nb等元素碳化物的析出，增強其氫陷阱作用并抑制裂紋擴展。專利cn114058974a中同時添加v、nb、ti、b合金元素，生成彌散析出的碳氮化物以細化奧氏體晶粒，在提高強度和韌性的同時提高抗氫致延遲斷裂性能。專利cn116926410a中通過優(yōu)化鋼中c、si、mn、ni、cr、mo元素的含量及配比，并通過相應制備工藝獲得了1700mpa高強度螺栓鋼，但未提及該材料的抗氫致延遲斷裂性能。專利cn115216695a、cn115094337a、cn115216696a分別公開了16.9級、18.8級和20.8級合金鋼，通過元素的協(xié)同效果實現(xiàn)了高強度并兼顧了屈強比，但未提及該材料的抗氫致延遲斷裂性能。專利cn110983199a通過在鋼中加入稀土元素提高了高強度螺栓鋼的低溫性能，同時降低了合金元素ni、cr的含量，節(jié)約了成本，但未提及稀土元素的作用方式及其對抗氫致延遲斷裂性能的影響。

4、綜上所述，面向延遲斷裂這一阻礙12.9級以上高強度螺栓鋼發(fā)展的核心問題，已有部分研究取得進展。但現(xiàn)有技術(shù)均以碳化物或碳氮化物析出相作為氫陷阱以抑制延遲斷裂問題，析出相尺寸較大且數(shù)密度較低，作為氫陷阱的能力受到限制，且碳化物/碳氮化物本身在長期服役過程中的穩(wěn)定性難以保證，顆粒長大時其形狀不規(guī)則，界面處應力集中易導致裂紋萌生，可能導致材料疲勞性能下降。納米氧化物具有球形規(guī)則形狀，穩(wěn)定性優(yōu)異，以高數(shù)密度彌散分布于鋼中作為氫陷阱，可大幅提高材料的耐延遲斷裂性能。然而，在目前已有技術(shù)及公開文獻中，均沒有發(fā)現(xiàn)納米氧化物顆粒彌散強化的高強度螺栓鋼。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的高強度螺栓鋼均以碳化物或碳氮化物析出相作為氫陷阱以抑制延遲斷裂問題，析出相尺寸較大且數(shù)密度較低，作為氫陷阱的能力受到限制，且碳化物/碳氮化物本身在長期服役過程中的穩(wěn)定性難以保證，顆粒長大時其形狀不規(guī)則，界面處應力集中易導致裂紋萌生，可能導致材料疲勞性能下降等問題。本發(fā)明提供了一種高強度螺栓鋼及其制備方法，通過成分及工藝設(shè)計，元素v與o、re、si組合通過形成核-殼結(jié)構(gòu)，促使納米氧化物均勻分布并抑制其長大。高數(shù)密度納米氧化物彌散強化同步提高材料強韌性和耐氫致延遲斷裂性能，可用于生產(chǎn)抗拉強度1500mpa以上的15.8級高強度螺栓，以納米氧化物顆粒作為彌散強化相和氫陷阱，在提高材料強度和韌性的同時，大幅提高了材料的疲勞性能和耐延遲斷裂性能。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高強度螺栓鋼，該合金中，各成分占總質(zhì)量的百分比分別為：c?0.35％～0.45％、o?0.03～0.80％、re?0.05～1.20％、si?0.02％～0.70％、cr?0.80％～1.20％、ti?0.05％～0.85％、nb?0.01％～0.05％、v?0.02～0.35％、b0.001％～0.1％、s≤0.005％、p≤0.015％，余量為fe。

3、進一步地，該螺栓鋼中氧元素o含量為300～8000ppm，稀土元素re含量為500～12000ppm，且o/(re+ti+si+v)成分比例為1:(1～8)，o和re與ti、si、v中的一種或幾種結(jié)合形成平均顆粒尺寸小于10nm的納米氧化物顆粒，數(shù)密度不小于2×1023m-3，納米氧化物均勻彌散分布于鋼基體中。

4、進一步地，稀土元素包括鑭la、釔y、鈰ce、釓gd、鉺er、釹nd、鐠pr、鋱tb、釤sm、鏑dy或鈧sc元素中的一種或多種。

5、在本發(fā)明的較佳實施方式中，提供了一種高強度螺栓鋼的制備方法，包括以下步驟：

6、按配比將fe、re、ti、v金屬粉及氧化物粉在高純氬氣保護氣氛下進行機械合金化，制備氧過飽和前驅(qū)粉；

7、將氧過飽和前驅(qū)粉加入到連續(xù)鑄造中間合金熔體中，獲得滿足成分設(shè)計要求的鑄坯；

8、將鑄坯進行熱軋或鍛造，得到熱軋/鍛造鋼坯；

9、將熱軋/鍛造鋼坯進行固溶熱處理，固溶熱處理后進行水冷，得到固溶合金；

10、水冷后的固溶合金加熱、保溫，然后油冷；

11、鋼坯重新加熱、保溫，再進行空冷，獲得最終高強度螺紋鋼。

12、進一步地，按配比將fe、re、ti、v金屬粉及氧化物粉在高純氬氣保護氣氛下進行機械合金化，制備氧過飽和前驅(qū)粉，具體是，按配比將fe、re、ti、v金屬粉及氧化物粉在高純氬氣保護氣氛下進行機械合金化；

13、其中，原料各成分占前驅(qū)粉總質(zhì)量的百分比分別為：re?0.1～10.0％、ti+v合計0.1～10.0％、氧化物粉0.1～20.0％，余量為fe；球磨介質(zhì)為直徑5～10mm的陶瓷球，球料比5:1～50:1，球磨時間8-72小時。

14、進一步地，氧化物粉包括sio2、tio2、v2o3中的一種或幾種。

15、進一步地，將氧過飽和前驅(qū)粉加入到連續(xù)鑄造中間合金熔體中，獲得滿足成分設(shè)計要求的鑄坯，中間合金成分為c?0.35％～0.45％、cr?0.80％～1.20％、nb?0.01％～0.05％、v?0.02～0.30％、b?0.001％～0.1％、s≤0.005％、p≤0.015％，余量為fe；氧過飽和前驅(qū)粉引入時中間合金熔體的溫度為1570～1620℃，氧過飽和前驅(qū)粉與中間合金熔體的重量百分比為1/(10～100)。

16、進一步地，將鑄坯進行熱軋或鍛造，熱軋/鍛造開始溫度控制在1150±20℃，熱軋/鍛造變形量為50～90％，得到熱軋/鍛造鋼坯。

17、進一步地，將熱軋/鍛造鋼坯在900～950℃進行固溶熱處理，固溶熱處理的保溫時間為60～120min，固溶熱處理后水冷，得到固溶合金。

18、進一步地，水冷后的固溶合金加熱到850±10℃，保溫20～60min，油冷；鋼坯重新加熱到450±10℃，保溫120～180min，空冷，獲得最終高強度螺紋鋼。

19、技術(shù)效果

20、本發(fā)明提供的高強度螺栓鋼及其制備方法，基于鋼中固溶氧與固溶稀土元素之間具有高親和力的特點，通過將含有過飽和固溶氧和過飽和固溶稀土元素的機械合金化前驅(qū)粉引入中間合金熔體，使凝固組織中o、re、ti、si、v結(jié)合固相析出形成納米氧化物顆粒，實現(xiàn)了鋼中高數(shù)密度均勻彌散的納米氧化物顆粒，顆粒平均尺寸小于10nm，數(shù)密度大于2×1023m-3。納米氧化物顆粒具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，能夠釘扎位錯及晶界，減小奧氏體晶粒尺寸，促進形成精細的回火索氏體組織；同時，高數(shù)密度納米氧化物形成優(yōu)良的氫陷阱并降低元素擴散速率，提高組織熱穩(wěn)定性和材料的耐腐蝕能力。

21、本發(fā)明提供的高強度螺栓鋼基于全新材料設(shè)計思路，通過納米氧化物彌散強化的方式解決了高強度螺栓鋼中存在的疲勞性能下降和延遲斷裂傾向嚴重的問題，其室溫抗拉強度為1550～1750mpa，屈服強度為1230～1460mpa，具有良好的屈強比(約為0.8)；恒載荷延遲斷裂強度比≥0.82，具有優(yōu)異的耐延遲斷裂性能；同時具有較高的疲勞性能和良好的耐蝕性和熱穩(wěn)定性。該高強度螺栓鋼用于生產(chǎn)復雜環(huán)境下使用的15.8級及以上高強度螺栓，可有效提高螺栓的使用壽命、安全性和可靠性，具有顯著的經(jīng)濟效益。

22、以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。