CN119177403B

CN119177403B - 一种高强度螺栓

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Publication number: CN119177403B
Application number: CN202411514020.0A
Authority: CN
Inventors: 连红校; 连珂轩; 游路飞; 游路杰
Original assignee: Hebei Enquan Fastener Manufacturing Co ltd
Current assignee: Hebei Enquan Fastener Manufacturing Co ltd
Priority date: 2024-10-29
Filing date: 2024-10-29
Publication date: 2025-07-25
Anticipated expiration: 2044-10-29
Also published as: CN119177403A

Abstract

本发明涉及紧固件技术领域，提出了一种高强度螺栓，螺栓由坯料加工而成，坯料包括基体和增强相，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.13%~0.22%、Mn 0.6%~2.4%、V 0.6%~2.7%、Zr 1.4%~2.4%、Ni 0.1%~0.3%、Cr 0.2%~0.5%、P≤0.01%、S≤0.01%，其余为Fe以及不可避免的杂质；增强相为氮化钼，基体和增强相的重量比为100:2~6。通过上述技术方案，解决了相关技术中螺栓强度较低的问题。

Description

一种高强度螺栓

技术领域

本发明涉及紧固件技术领域，具体的，涉及一种高强度螺栓。

背景技术

螺栓作为关键的连接元件，在诸多工程应用领域，如大型桥梁、高层建筑以及重型机械等工程中发挥着至关重要的作用。螺栓的强度性能直接关乎连接结构的可靠性与稳定性。伴随工业的不断发展，工程应用对螺栓的强度要求愈发严苛。

传统的普通螺栓在高负荷、高振动且对安全性有着极高要求的场合中，逐渐暴露出自身的局限性，其强度往往难以满足复杂工况下的连接需求。鉴于此情况，为进一步拓展螺栓的服役范围，开发一种高强度螺栓具有重大意义。

发明内容

本发明提出一种高强度螺栓，解决了相关技术中螺栓强度较低的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提出一种高强度螺栓，由坯料加工而成，所述坯料包括基体和增强相，所述基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.13%~0.22%、Mn 0.6%~2.4%、V 0.6%~2.7%、Zr 1.4%~2.4%、Ni 0.1%~0.3%、Cr 0.2%~0.5%、P≤0.01%、S≤0.01%，其余为Fe以及不可避免的杂质；所述增强相为氮化钼，所述基体和增强相的重量比为100:2~6。

作为进一步的技术方案，所述Mn和V的重量和与所述Zr的重量之比为1≤(Mn+V)/Zr≤2。

本发明中，当Mn和V的重量和与Zr的重量之比为1≤(Mn+V)/Zr≤2时，有助于进一步提高螺栓的强度。

作为进一步的技术方案，所述Mn的重量小于所述V的重量。

本发明中，当Mn和V的重量和与Zr的重量之比为1≤(Mn+V)/Zr≤2且Mn的重量小于V的重量时，有助于进一步提高螺栓的强度。

作为进一步的技术方案，所述氮化钼的平均粒径为20~50μm。

作为进一步的技术方案，所述氮化钼为钛掺杂氮化钼，所述钛掺杂氮化钼的原料包括钛粉和氮化钼。

本发明中，虽然氮化钼以增强相的形式加入到基体中可以在一定程度上提高螺栓的强度，但发明人发现通过在氮化钼中掺杂钛可以进一步提高螺栓的强度。推测认为：这是由于相较氮化钼，钛掺杂氮化钼与钢液的润湿性能更好导致的。

作为进一步的技术方案，所述钛粉的平均粒径为50~100nm。

作为进一步的技术方案，所述钛粉和氮化钼的重量比为1:20~30。

本发明中，当钛粉和氮化钼的重量比为1:20~30时，有助于进一步提高螺栓的强度。

作为进一步的技术方案，所述钛掺杂氮化钼的制备方法，包括以下步骤：将钛粉和氮化钼混合均匀，热压烧结，粉碎，得到所述钛掺杂氮化钼。

作为进一步的技术方案，所述热压烧结时，温度为1000~1200℃，压力为20~30MPa，时间为2~4h。

本发明还提出所述的一种高强度螺栓的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照基体的重量百分比组分配料，熔炼，得到钢液；

S2、向所述钢液中投入增强相，混合，浇铸，得到坯料；

S3、所述坯料经除鳞、冷镦、螺纹加工、热处理后，得到螺栓。

作为进一步的技术方案，步骤S3中，所述热处理时，温度为300~350℃，时间为1~2h。

本发明中，通过热处理可以消除螺栓经冷加工后的残余应力，使得螺栓的内部组织形态达到最佳。

本发明的工作原理及有益效果为：

本发明中，一方面通过优化基体的组分组成，另一方面引入氮化钼增强相，使得螺栓具有较高的强度。其中，通过Mn、V和Zr的优势互补，共同提高了螺栓的强度。此外，氮化钼增强相的加入，可以起到第二相粒子钉扎作用，提高螺栓抵抗外力的能力，从而提高螺栓的强度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

下述实施例和对比例中，如无特殊说明，锰铁中锰含量为75.3wt%；钒铁中钒含量为62.5wt%；锆铁中锆含量为60wt%；镍铁中镍含量为70.3wt%；铬铁中铬含量为55wt%；废铁中铁含量为97.6wt%；氮化钼的平均粒径为45μm；钛粉的平均粒径为50nm。

实施例1

一种高强度螺栓，由坯料加工而成，坯料包括基体和增强相，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.13%、Mn 0.6%、V 0.6%、Zr 1.4%、Ni 0.1%、Cr 0.2%、P 0.01%、S 0.01%，其余为Fe以及不可避免的杂质，增强相为氮化钼，增强相和基体的重量比为2:100；

其制备方法，包括以下步骤：

S1、按照基体的组分目标重量百分比称取锰铁、钒铁、锆铁、镍铁、铬铁和废钢，熔炼，得到钢液；

S2、向钢液中投入增强相，混合，浇铸，得到坯料；

S3、坯料经除鳞、冷镦、螺纹加工、于300℃下热处理2h后，得到螺栓。

实施例2

一种高强度螺栓，由坯料加工而成，坯料包括基体和增强相，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.22%、Mn 2.4%、V 2.7%、Zr 2.4%、Ni 0.3%、Cr 0.5%、P 0.005%、S0.005%，其余为Fe以及不可避免的杂质，增强相为氮化钼，增强相和基体的重量比为4:100；

其制备方法，包括以下步骤：

S2、向钢液中投入增强相，混合，浇铸，得到坯料；

S3、坯料经除鳞、冷镦、螺纹加工、于350℃下热处理1h后，得到螺栓。

实施例3

一种高强度螺栓，由坯料加工而成，坯料包括基体和增强相，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.16%、Mn 0.9%、V 1.2%、Zr 2.4%、Ni 0.2%、Cr 0.4%、P 0.005%、S0.005%，其余为Fe以及不可避免的杂质，增强相为氮化钼，增强相和基体的重量比为6:100；

其制备方法，包括以下步骤：

S2、向钢液中投入增强相，混合，浇铸，得到坯料；

实施例4

本实施例与实施例3的区别仅在于，本实施例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.16%、Mn 1.35%、V 1.75%、Zr 1.4%、Ni 0.2%、Cr 0.4%、P 0.005%、S 0.005%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

实施例5

本实施例与实施例3的区别仅在于，本实施例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.16%、Mn 1%、V 1.25%、Zr 2.25%、Ni 0.2%、Cr 0.4%、P 0.005%、S 0.005%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

实施例6

本实施例与实施例3的区别仅在于，本实施例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.16%、Mn 2%、V 1%、Zr 1.5%、Ni 0.2%、Cr 0.4%、P 0.005%、S 0.005%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

实施例7

本实施例与实施例3的区别仅在于，本实施例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.16%、Mn 1.5%、V 1.5%、Zr 1.5%、Ni 0.2%、Cr 0.4%、P 0.005%、S 0.005%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

实施例8

本实施例与实施例3的区别仅在于，本实施例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.16%、Mn 1%、V 2%、Zr 1.5%、Ni 0.2%、Cr 0.4%、P 0.005%、S 0.005%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

实施例9

本实施例与实施例8的区别仅在于，本实施例中，增强相为钛掺杂氮化钼，钛掺杂氮化钼的制备方法，包括以下步骤：将钛粉和氮化钼混合均匀，于1100℃、25MPa下热压烧结3h，粉碎，得到平均粒径为45μm的钛掺杂氮化钼；

其中，钛粉和氮化钼的重量比为1:15。

实施例10

本实施例与实施例9的区别仅在于，本实施例中，钛粉和氮化钼的重量比为1:35。

实施例11

本实施例与实施例9的区别仅在于，本实施例中，钛粉和氮化钼的重量比为1:20。

实施例12

本实施例与实施例9的区别仅在于，本实施例中，钛粉和氮化钼的重量比为1:30。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.13%、Mn 1.2%、Zr 1.4%、Ni 0.1%、Cr 0.2%、P 0.01%、S 0.01%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

对比例2

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.13%、V 1.2%、Zr 1.4%、Ni 0.1%、Cr 0.2%、P 0.01%、S 0.01%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

对比例3

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.13%、Mn 1.3%、V 1.3%、Ni 0.1%、Cr 0.2%、P 0.01%、S 0.01%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

对比例4

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例中，基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.13%、Zr 2.6%、Ni 0.1%、Cr 0.2%、P 0.01%、S 0.01%，其余为Fe以及不可避免的杂质。

对比例5

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例中，未加入氮化钼增强相。

采用GL2000微机控制电液伺服万能试验机测试实施例1~12和对比例1~5制备得到的螺栓的抗拉强度和屈服强度，其中，试验速率为0.006s^-1，每组以3个试样的结果平均值作为最终结果。

测试结果如下表1所示。

表1抗拉强度和屈服强度测试结果

实施例1和对比例1~4对比表明，通过Mn、V和Zr的优势互补，可共同提高螺栓的强度。实施例1和对比例5对比表明，氮化钼增强相的加入，可明显提高螺栓的强度。

实施例3~4和实施例5~8对比表明，当Mn和V的重量和与Zr的重量之比为1≤(Mn+V)/Zr≤2时，有助于进一步提高螺栓的强度。实施例8和实施例6~7对比表明，当Mn和V的重量和与Zr的重量之比为1≤(Mn+V)/Zr≤2且Mn的重量小于V的重量时，有助于进一步提高螺栓的强度。

实施例8和实施例9~12对比表明，通过在氮化钼中掺杂钛可以进一步提高螺栓的强度。实施例9~10和实施例11~12对比表明，当钛粉和氮化钼的重量比为1:20~30时，有助于进一步提高螺栓的强度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种高强度螺栓，由坯料加工而成，其特征在于，所述坯料包括基体和增强相，所述基体由以下重量百分比的组分组成：C 0.13%~0.22%、Mn 0.6%~2.4%、V 0.6%~2.7%、Zr 1.4%~2.4%、Ni 0.1%~0.3%、Cr 0.2%~0.5%、P≤0.01%、S≤0.01%，其余为Fe以及不可避免的杂质；所述增强相为氮化钼，所述基体和增强相的重量比为100:2~6；

所述Mn和V的重量和与所述Zr的重量之比为1≤(Mn+V)/Zr≤2；

所述氮化钼为钛掺杂氮化钼，所述钛掺杂氮化钼的原料包括钛粉和氮化钼；

所述钛粉和氮化钼的重量比为1:20~30；

所述高强度螺栓的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照基体的重量百分比组分配料，熔炼，得到钢液；

S2、向所述钢液中投入增强相，混合，浇铸，得到坯料；

2.根据权利要求1所述的一种高强度螺栓，其特征在于，所述Mn的重量小于所述V的重量。

3.根据权利要求1所述的一种高强度螺栓，其特征在于，所述氮化钼的平均粒径为20~50μm。

4.根据权利要求1所述的一种高强度螺栓，其特征在于，所述钛掺杂氮化钼的制备方法，包括以下步骤：将钛粉和氮化钼混合均匀，热压烧结，粉碎，得到所述钛掺杂氮化钼。

5.根据权利要求4所述的一种高强度螺栓，其特征在于，所述热压烧结时，温度为1000~1200℃，压力为20~30MPa，时间为2~4h。

6.根据权利要求1~5任意一项所述的一种高强度螺栓的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按照基体的重量百分比组分配料，熔炼，得到钢液；

S2、向所述钢液中投入增强相，混合，浇铸，得到坯料；

7.根据权利要求6所述的一种高强度螺栓的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述热处理时，温度为300~350℃，时间为1~2h。