轴承座式关节的高性能螺栓及其制造方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010026144.X (22)申请日 2020.01.10 (71)申请人 泰尔重工股份有限公司 地址 243000 安徽省马鞍山市经济技术开 发区超山路669号 (72)发明人 杨晓红朱健平黄显贵方凯 李俊杰许训 (74)专利代理机构 芜湖思诚知识产权代理有限 公司 34138 代理人 阮爱农 (51)Int.Cl. C22C 38/02(2006.01) C22C 38/04(2006.01) C22C 38/44(2006.01) C22C 38/46(2006.0。

2、1) C22C 38/48(2006.01) F16B 33/00(2006.01) F16B 33/06(2006.01) C21D 1/25(2006.01) C21D 1/28(2006.01) C21D 9/00(2006.01) C23C 4/129(2016.01) C23C 4/08(2016.01) (54)发明名称 轴承座式关节的高性能螺栓及其制造方法 (57)摘要 本发明公开了一种轴承座式关节的高性能 螺栓， 其化学成分的质量百分比(wt)为： C： 0.20-0.30， Mn： 0.45-0.70， Si0.08， P 0.01， S0.01， Ni： 3.50-3.85。

3、， Cr： 1.60- 2.20， Mo： 0.35-0.55， V： 0.05-0.10， Nb： 0.05-0.10， 余量为Fe。 本发明高性能螺栓的制 造方法为： 冶炼模锻、 正火回火粗加工调 质处理半精加工去应力回火表面处理 精加工。 本发明高性能螺栓能够满足轴承座式关 节等主传动万向轴对螺栓的高强韧性、 高疲劳强 度及耐腐蚀性的要求， 从而提高轴承座式主传动 万向轴使用寿命。 本发明同时还提供了高性能螺 栓的制造方法。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 111101064 A 2020.05.05 CN 111101064 A 1.轴承座式关节的高性能螺栓， 其特征是： 。

4、其化学成分的质量百分比(wt)为： C： 0.20-0.30， Mn： 0.45-0.70， Si0.08， P0.01， S0.01， Ni： 3.50-3.85， Cr： 1.60-2.20， Mo： 0.35-0.55， V： 0.05-0.10， Nb： 0.05-0.10， 余量为Fe。 2.根据权利要求1所述的高性能螺栓， 其特征是： 其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.22， Mn： 0.51， Si： 0.056， P： 0.0005， S： 0.0019， Ni： 3.80， Cr： 1.88， Mo： 0.35， V： 0.08， Nb： 0.08， 余量为Fe。 3。

5、.根据权利要求1所述的高性能螺栓， 其特征是： 其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.25， Mn： 0.66， Si： 0.046， P： 0.0008， S： 0.0012， Ni： 3.58， Cr： 2.14， Mo： 0.40， V： 0.09， Nb： 0.06， 余量为Fe。 4.根据权利要求1所述的高性能螺栓， 其特征是： 其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.28， Mn： 0.62， Si： 0.06， P： 0.001， S： 0.001， Ni： 3.72， Cr： 1.96， Mo： 0.44， V： 0.07， Nb： 0.10， 余量为Fe。 5.权利要求。

6、1-4任一所述的高性能螺栓的制造方法为： 冶炼模锻、 正火回火粗加工 调质处理半精加工去应力回火表面处理精加工。 6.根据权利要求5所述的制造方法， 其具体步骤为： (1)冶炼： 将优质合金原材进行电炉冶炼， 并采取相应的LF炉外精炼、 VD真空脱气工艺、 电渣重熔； (2)模锻并正火回火： 将铸锭在10001150进行锻打， 在900-950左右终锻成型， 锻 后缓冷至300350保温6h， 再经过900920正火， 快速冷却至620650回火保温6h； (3)粗加工： 将锻坯按图纸进行粗加工； (4)热处理： 将粗加工的螺栓毛坯在88010保温90min后油冷至室温， 然后进行520 20。

7、保温6h油冷至室温； (5)半精加工： 将热处理后的螺栓毛坯按图纸进行半精加工， 螺纹部分采用滚丝机滚压 加工成型； (6)去应力回火： 将半成品螺栓在300350回火处理； (7)表面处理： 将半成品螺栓和镍铝合金粉末进行80100充分预热， 使用高速氧- 煤油火焰喷涂镍铝合金粉末， 氮气保护； 高纯氧气与煤油质量百分比为34， 高纯氧气流量 可选18002000scfh； 煤油可选航空煤油， 流量可选56gal/h， 氮气流量可选2040scfh， 工件转速可选160190rpm， 送粉速度可选7090g/min； (8)精加工： 将螺栓的六角头部过渡圆角、 螺杆、 螺纹及过渡圆角进行抛光。

8、处理。 7.根据权利要求6所述的制造方法， 其特征是： 经步骤(1)和(2)后得到的螺栓坯料中： H1.0ppm、 O15ppm、 N40ppm、 晶粒度9级、 带状组织1级、 夹杂物面积平均尺 寸12 m2、 夹杂物长度平均尺寸5 m、 每平方厘米内可变形的MnS夹杂物数量60个。 8.根据权利要求6所述的制造方法， 其特征是： 经步骤(4)调质处理后， 螺栓硬度为370 至400HB， 组织为保持马氏体位向的回火索氏体， Nb和V元素以NbC、 VC化合物方式在晶界、 亚 晶界等处沉淀析出， 从而细化晶粒， 晶粒度达到10级。 9.根据权利要求6所述的制造方法， 其特征是： 经步骤(2)、。

9、 (5)、 (8)加工后， 螺栓的螺纹 部分含有明显的金属流线， 粗糙度Ra0.8以上； 经步骤(7)后， 螺栓表面镍铝合金涂层0.1 0.2mm， 涂层结合力70MPa， 经过24004800h中性盐雾腐蚀试验， 未发生明显腐蚀。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111101064 A 2 10.根据权利要求6所述的制造方法， 其特征是： 螺栓23的力学性能为： 抗拉强度 1300MPa； 屈服强度1200MPa； 断后伸长率17； 断面收缩率65； 冲击功150J。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111101064 A 3 轴承座式关节的高性能螺栓及其制造方法 技术领域 0001 本。

10、发明涉及一种高性能螺栓及其制造方法， 尤其涉及用于承受大扭矩、 大工作倾 角、 并承受附加弯矩和冲击振动， 在水及油污、 氧化皮、 高温等恶劣的工况下使用的轴承座 式关节等主传动万向轴的锁紧螺栓。 背景技术 0002 主传动万向轴是各钢厂的碳钢、 不锈钢、 特钢等轧钢生产线的重要设备。 现在的万 向轴中进口件占多数。 万向轴下线后的检测和修复也大多由国外制造商完成， 万向轴修复 周期长、 成本很高， 大大增加了钢厂整体运行成本。 0003 从图1可知， 在主传动轴的轴承座式关节中， 螺栓1连接十字轴总成2与叉头轴套4 和叉头法兰3， 螺栓1是传动轴中的核心零件。 与进口螺栓相比， 国产螺栓虽然。

11、在强度方面取 得较大的突破， 但韧性和接触疲劳强度往往不如进口产品， 螺栓质量不稳定， 在使用一定周 期后会出现疲劳裂纹、 断裂的问题， 严重影响整个万向轴的使用寿命， 现场更换麻烦， 且一 旦出现质量问题， 将造成整条轧钢线停产。 0004 具体地说， 轴承座式关节主传动万向轴是轧钢生产线重要部件， 设计扭矩一般在 5000kNm， 5 工作倾角下关节附加弯矩约450kNm， 螺栓承受的最大拉应力可达850MPa。 轴承座式关节螺栓设计要求不低于12.9级(即： b1200MPa、 s1050MPa)， 进口螺栓选用 SNCM630材质， 国产螺栓一般选用34CrNi3Mo、 34Cr2Ni。

12、2Mo、 30Cr2Ni2Mo、 40CrNiMoA等。 在检 修过程中经常发现紧固螺栓存在疲劳裂纹及断裂、 腐蚀问题， 经分析， 进口螺栓冲击功在 89J左右， 而国产螺栓冲击功仅75J左右， 螺栓在高强度下冲击功较低是导致螺栓疲劳断裂 的主要原因。 同时， 普通螺栓防腐工艺为发黑或达克罗， 有效涂层薄、 表面粗糙度差、 对环境 有害、 表面硬度不高、 耐磨性不好。 发明内容 0005 本发明所要解决的问题是提供一种高性能螺栓， 它能够满足轴承座式关节等主传 动万向轴对螺栓的高强韧性、 高疲劳强度及耐腐蚀性的要求， 从而提高轴承座式主传动万 向轴使用寿命。 本发明同时还提供了高性能螺栓的制造。

13、方法。 0006 本发明轴承座式关节的高性能螺栓， 其化学成分的质量百分比(wt)为： C： 0.20- 0.30， Mn： 0.45-0.70， Si0.08， P0.01， S0.01， Ni： 3.50-3.85， Cr： 1.60- 2.20， Mo： 0.35-0.55， V： 0.05-0.10， Nb： 0.05-0.10， 余量为Fe。 0007 进一步地， 高性能螺栓其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.22， Mn： 0.51， Si： 0.056， P： 0.0005， S： 0.0019， Ni： 3.80， Cr： 1.88， Mo： 0.35， V： 0.08，。

14、 Nb： 0.08， 余量为Fe。 0008 进一步地， 高性能螺栓其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.25， Mn： 0.66， Si： 0.046， P： 0.0008， S： 0.0012， Ni： 3.58， Cr： 2.14， Mo： 0.40， V： 0.09， Nb： 0.06， 余量为Fe。 说明书 1/5 页 4 CN 111101064 A 4 0009 进一步地， 高性能螺栓其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.28， Mn： 0.62， Si： 0.06， P： 0.001， S： 0.001， Ni： 3.72， Cr： 1.96， Mo： 0.44， V：。

15、 0.07， Nb： 0.10， 余量为Fe。 0010 本发明高性能螺栓的制造方法为： 冶炼模锻一次正火回火粗加工调质处 理半精加工去应力回火表面处理精加工。 0011 本发明制造方法， 其具体步骤为： 0012 (1)冶炼： 将优质合金原材进行电炉冶炼， 并采取相应的LF炉外精炼、 VD真空脱气 工艺、 电渣重熔； 0013 (2)模锻并正火回火： 将铸锭在10001150进行锻打， 在900-950左右终锻成 型， 锻后缓冷至300350保温6h， 再经过900920正火， 快速冷却至620650回火保 温6h； 0014 (3)粗加工： 将锻坯按图纸进行粗加工； 0015 (4)热处理。

16、： 将粗加工的螺栓毛坯在88010保温90min后油冷至室温， 然后进行 52020保温6h油冷至室温； 0016 (5)半精加工： 将热处理后的螺栓毛坯按图纸进行半精加工， 螺纹部分采用滚丝机 滚压加工成型； 0017 (6)去应力回火： 将半成品螺栓在300350回火处理； 0018 (7)表面处理： 将半成品螺栓和镍铝合金粉末进行80100充分预热， 使用高 速氧-煤油火焰喷涂镍铝合金粉末， 氮气保护； 高纯氧气与煤油质量百分比为34， 高纯氧 气流量可选18002000scfh； 煤油可选航空煤油， 流量可选56gal/h， 氮气流量可选20 40scfh， 工件转速可选160190r。

17、pm， 送粉速度可选7090g/min； 0019 (8)精加工： 将螺栓的六角头部过渡圆角、 螺杆、 螺纹及过渡圆角进行抛光处理。 0020 进一步地， 经步骤(1)和(2)后得到的螺栓坯料中： H1.0ppm、 O15ppm、 N 40ppm、 晶粒度9级、 带状组织1级、 夹杂物面积平均尺寸12 m2、 夹杂物长度平均尺 寸5 m、 每平方厘米内可变形的MnS夹杂物数量60个。 0021 进一步地， 经步骤(4)调质处理后， 螺栓硬度为370至400HB， 组织为保持马氏体位 向的回火索氏体， Nb和V元素以NbC、 VC化合物方式在晶界、 亚晶界等处沉淀析出， 从而细化 晶粒， 晶粒度。

18、达到10级。 0022 进一步地， 经步骤(2)、 (5)、 (8)加工后， 螺栓的螺纹部分含有明显的金属流线， 粗 糙度Ra0.8以上； 经步骤(7)后， 螺栓表面镍铝合金涂层0.10.2mm， 涂层结合力70MPa， 经 过24004800h中性盐雾腐蚀试验， 未发生明显腐蚀。 0023 进一步地， 螺栓23的力学性能为： 抗拉强度1300MPa； 屈服强度1200MPa； 断 后伸长率17； 断面收缩率65； 冲击功150J。 0024 本发明轴承座式关节的高性能螺栓通过优化合金元素含量， 配合VD真空脱气工 艺、 电渣重熔工艺， 具有以下优点： 一、 降低S、 P有害元素含量， 以达到。

19、控制非金属夹杂物数 量和形态， 尤其是减少可变形的MnS夹杂物数量； 二、 在合金中增加0.05-0.10的V元素， 0.05-0.10的Nb元素， 控制Si元素含量0.08； 适量的Nb、 V、 Si元素能细化奥氏体基体 晶粒， 且Nb和V以NbC、 VC等强化相析出， 从而改善螺栓的力学性能， 强度会增加； 同时， Si元 素含量减少使得冲击功较高； 三、 优化螺栓坯料锻造工艺， 采用专用的模具锻造成型， 并采 说明书 2/5 页 5 CN 111101064 A 5 用滚压加工方式精加工螺纹， 使得螺栓的螺纹部分含有明显的金属流线， 形成表面压应力， 提升螺纹部位的抗疲劳性能； 四、 采。

20、用喷涂镍铝合金粉末， 使螺栓表面具有较好的耐腐蚀、 耐热、 良好的耐金属-金属摩擦磨损性能的涂层， 防腐保护周期长。 0025 因此， 本发明通过优化螺栓的合金成分设计， 配合冶炼、 锻造、 防腐技术改进， 减少 氢脆和夹杂物危害， 提升了螺栓的冲击功、 强度、 断后伸率、 断面收率等各方面的力学性能 指标， 提高了螺栓的韧性、 接触疲劳强度及耐腐蚀性， 增加了产品的使用寿命。 所以， 本发明 高性能螺栓解决了螺栓在满足高强度下冲击功较低及耐腐蚀性差的问题， 可满足轴承座式 关节主传动万向轴用于承受大扭矩， 大工作倾角， 并承受附加弯矩和冲击振动， 并可适用于 水及油污、 氧化皮、 高温等恶劣。

21、的工况。 附图说明 0026 图1是轴承座式关节结构示意图。 0027 图2是本发明轴承座式关节的高性能螺栓示意图。 0028 图3是本发明轴承座式关节的高性能螺栓的组织金相照片。 0029 图4是本发明轴承座式关节的高性能螺栓的螺纹金属流线。 具体实施方式 0030 下面结合实施例更清楚地说明本发明高性能螺栓的技术方案， 未注明具体条件的 按照常规条件进行。 0031 本发明轴承座式关节的高性能螺栓， 其化学成分的质量百分比(wt)为： C： 0.20- 0.30， Mn： 0.45-0.70， Si0.08， P0.01， S0.01， Ni： 3.50-3.85， Cr： 1.60- 2。

22、.20， Mo： 0.35-0.55， V： 0.05-0.10， Nb： 0.05-0.10， 余量为Fe。 0032 实施例1 0033 本发明轴承座式关节的高性能螺栓， 其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.22， Mn： 0.51， Si： 0.056， P： 0.0005， S： 0.0019， Ni： 3.80， Cr： 1.88， Mo： 0.35， V： 0.08， Nb： 0.08， 余量为Fe。 0034 实施例2 0035 本发明轴承座式关节的高性能螺栓， 其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.25， Mn： 0.66， Si： 0.046， P： 0.0008，。

23、 S： 0.0012， Ni： 3.58， Cr： 2.14， Mo： 0.40， V： 0.09， Nb： 0.06， 余量为Fe。 0036 实施例3 0037 本发明轴承座式关节的高性能螺栓， 其化学成分的质量百分比优选为： C： 0.28， Mn： 0.62， Si： 0.06， P： 0.001， S： 0.001， Ni： 3.72， Cr： 1.96， Mo： 0.44， V： 0.07， Nb： 0.10， 余量为Fe。 0038 本发明三个实施例与背景技术中的进口材料SNCM630的化学成分质量百分比如表 1所示。 0039 表1、 轴承座式关节高性能螺栓材料成分(wt,) 。

24、0040 类别CMnSiPSCrMoNiVNb 实施例10.220.510.0560.00050.00191.880.353.800.080.08 说明书 3/5 页 6 CN 111101064 A 6 实施例20.250.660.0460.00080.00122.140.403.580.090.06 实施例30.280.620.060.0010.0011.960.443.720.070.10 对比例0.330.440.240.0230.0122.760.682.57/ 0041 从上表可以看出， 本发明高性能螺栓： 降低S、 P有害元素含量， 以达到控制非金属 夹杂物数量和形态， 尤其是减。

25、少可变形的MnS夹杂物数量； 增加0.05-0.10的V元素， 0.05- 0.10的Nb元素， 控制Si元素含量0.08； 适量的Nb、 V、 Si元素能细化奥氏体基体晶粒， 且Nb和V以NbC、 VC等强化相析出， 从而改善螺栓的力学性能， 强度会增加； 同时， Si元素含量 减少使得冲击功较高， 提高抗疲劳强度， 因此螺栓不易断裂。 0042 本发明高性能螺栓的制造方法为： 冶炼模锻、 正火回火粗加工调质处理 半精加工去应力回火表面处理精加工。 0043 本发明高性能螺栓的制造方法， 其具体步骤为： 0044 (1)冶炼： 将优质合金原材进行电炉冶炼， 并采取相应的LF炉外精炼、 VD真。

26、空脱气 工艺、 电渣重熔； 0045 (2)模锻并正火回火： 将铸锭在10001150进行锻打， 在900-950左右终锻成 型， 锻后缓冷至300350保温6h， 再经过900920正火， 快速冷却至620650回火保 温6h； 0046 (3)粗加工： 将锻坯按图纸进行粗加工； 0047 (4)热处理： 将粗加工的螺栓毛坯在88010保温90min后油冷至室温， 然后进行 52020保温6h油冷至室温； 0048 (5)半精加工： 将热处理后的螺栓毛坯按图纸进行半精加工， 螺纹部分采用滚丝机 滚压加工成型； 0049 (6)去应力回火： 将半成品螺栓在300350回火处理； 0050 (7。

27、)表面处理： 将半成品螺栓和镍铝合金粉末进行80100充分预热， 使用高 速氧-煤油火焰喷涂镍铝合金粉末， 氮气保护； 高纯氧气与煤油质量百分比为34， 高纯氧 气流量可选18002000scfh； 煤油可选航空煤油， 流量可选56gal/h， 氮气流量可选20 40scfh， 工件转速可选160190rpm， 送粉速度可选7090g/min； 0051 (8)精加工： 将螺栓的六角头部过渡圆角、 螺杆、 螺纹及过渡圆角进行抛光处理， 如 图2所示。 0052 其中， 经过步骤(1)、 (2)后， 螺栓坯料中： H1.0ppm、 O15ppm、 N40ppm、 晶粒度均9级、 带状组织均1级、。

28、 夹杂物面积平均尺寸12 m2、 夹杂物长度平均尺寸5 m、 每平方厘米内可变形的MnS夹杂物数量约3060个。 从上面可以看出， 非金属夹杂物形 态得到控制， 尤其是MnS夹杂物的数量明显减少。 0053 其中， 经过步骤(4)调质处理后： 螺栓硬度为370-400HB， 组织均为保持马氏体位向 的回火索氏体， Nb和V元素以NbC、 VC化合物方式在晶界、 亚晶界等处沉淀析出， 从而细化晶 粒， 晶粒度达到10级， 如图3所示。 实施例1螺栓硬度为371-378HB； 实施例2螺栓硬度为373- 384HB， 实施例3螺栓硬度为385-396HB。 0054 其中， 步骤(2)、 (5)、。

29、 (8)： 采用专用的模具锻造成型， 并采用滚压加工方式精加工 螺纹， 使得螺栓的螺纹部分含有明显的金属流线， 形成表面压应力， 提升螺纹部位的抗疲劳 性能， 如图4所示。 同时， 螺栓表面粗糙度达到Ra0.8以上， 避免应力集中产生疲劳裂纹。 说明书 4/5 页 7 CN 111101064 A 7 0055 其中， 经过步骤(7)后： 螺栓表面镍铝合金涂层0.10.2mm， 涂层结合力70MPa， 经过24004800h中性盐雾腐蚀试验， 未发生明显腐蚀， 因此螺栓表面具有较好的耐腐蚀、 耐热、 良好的耐金属-金属摩擦磨损性能的涂层， 防腐保护周期长。 因此， 螺栓在200以上 工况下具有。

30、较好的耐腐蚀性能。 0056 需要注意的是， 由于合金元素含量高， 极易在锻造时产生氢脆裂纹。 因此， 应严格 控制螺栓坯料锻造过程中的锻造温度、 终锻温度， 避免过热引起晶粒粗大， 并在锻后及时进 行正火回火处理。 0057 本发明三个实施例与背景技术中的进口材料螺栓的标准力学性能试样检测结果 如表2所示。 0058 表2、 轴承座式关节高性能螺栓力学性能(23) 0059 0060 从上表可以看出， 本发明制造方法得到的高性能螺栓的室温力学性能均达到： 抗 拉强度1300MPa； 屈服强度1200MPa； 断后伸长率17； 断面收缩率65； 冲击功 150J。 所以， 本发明轴承座式关节的高性能螺栓的力学性能明显优于背景技术中的进口材 料， 当然更优于国产螺栓性能。 因此， 本发明高性能螺栓的韧性、 接触疲劳强度及耐腐蚀性 得到了提高， 使得其不易出现疲劳裂纹、 断裂等问题， 延长了整个传动轴的使用寿命。 说明书 5/5 页 8 CN 111101064 A 8 图1 图2 说明书附图 1/2 页 9 CN 111101064 A 9 图3 图4 说明书附图 2/2 页 10 CN 111101064 A 10 。