一种含镍铜的高强紧固件用钢及其热处理方法技术领域
本发明涉及钢铁行业中的微合金钢，具体涉及对高强度、高韧性紧固件用钢的钢种设计。
背景技术
紧固件是作紧固连接用，且应用极其广泛的一类机械零件，广泛应用于各种机械、设备、
车辆、铁路等上面，是很多核心设备中的关键性零部件之一。近年来，随着我国轨道交通行
业的高速蓬勃发展，对高性能紧固件的需求量越来越大。但受国内高强紧固件强韧性不匹配
问题的影响，大量轨道交通移动装备用高强紧固件仍需进口。
传统用于制造紧固件的国产42CrMo钢，由于其化学成分配伍不合理，导致其力学性能
不能满足要求。现有技术为了改进材料力学性能的不足，采用改进材料的处理方法来提高其
力学性能和表面性能。
如中国专利号ZL200710013633.6，授权公告日为2008年12月24日，发明创造名称为：
一种提高42CrMo力学性能的热处理方法，该申请案采用以下步骤：第一步，正火：840～860℃
≥5h，出炉空冷至室温；第二步，回火：600～620℃≥6h，出炉空冷至室温；第三步，调质：
840～860℃≥5h，油冷60～70分钟后空冷，淬火油添加8％的复合剂，零件温度空冷至200℃
左右时回火，回火温度460～480℃≥6h，出炉空冷至室温。该申请案能在一定程度上提高
42CrMo钢的力学性能，但是由于42CrMo钢本身化学成分的限制，其力学性能特别是塑性和
韧性尚无法达到高强度紧固件的要求。
中国专利号ZL201210468094.6，授权公告日为2015年2月18日，发明创造名称为：一
种高强度紧固件及其处理方法，该申请案在普通的42CrMo钢的基础上降低了硫(S)、磷(P)、
硅(Si)、锰(Mn)的含量，并增加了Mo的含量，且该申请案除了对42CrMo钢的成分进行了调
整，还公开了一种新的钢处理方法，包括以下步骤：(1)热处理：将机械粗加工的紧固件半
成品先正火处理，温度为870-910℃，保温时间为10-20小时，出炉空冷至室温；然后回火处
理，温度为680-700℃，保温时间为10-20小时；出炉空冷至室温；再调质处理：在920-960℃
条件下用淬火油进行淬火处理，油冷80-120分钟空冷，冷至200℃左右时回火，回火温度
600-650℃，保温时间6-15小时；出炉空冷至室温；(2)发黑处理：将上述经过热处理后的
紧固件粗品经过除油、酸洗除锈后在pH值为1.5-3.5的条件下常温发黑处理10-20分钟，常
温发黑处理后经过清洗，然后立即作脱水封闭处理后即得成品。该申请案在对42CrMo钢的
成分进行了调整之后，再进行热处理，强度和韧性都有了很大的提升，但是其热处理过程要
耗费35个小时以上，为工程化生产带来了很大的局限性。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明为了克服现有技术中紧固件用钢力学性能不能满足要求的不足，提供了一种含镍
铜的高强紧固件用钢及其热处理方法；本发明提供的高强紧固件用钢具有稳定的冲击性能和
较高的强度，可用来制作10.9级耐延迟断裂高强度紧固件。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢，包括如下质量百分比的组分：C：0.38～0.45％；
Si：0.17～0.30％；Mn：0.60～0.80％；P≤0.010％；S≤0.010％；Cr：0.90～1.20％；Mo：0.15～0.22％；
Ni：0.05～0.15％；Cu：0.10～0.20％；余量为Fe和不可避免的杂质。
更进一步地，Ni和Cu含量比例为1：1～3。
更进一步地，所述的高强紧固件用钢包括如下质量百分比的组分：C：0.42％；Si：0.21％；
Mn：0.74％；P：0.008％；S：0.004％；Cr：0.95％；Mo：0.213％；Ni：0.100％；Cu：0.200％；
余量为Fe和不可避免的杂质，Ni和Cu含量比例为1：2。
本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢的热处理方法，将所述的高强紧固件用钢在
920℃～930℃温度下，用淬火油进行淬火处理；油冷至低于200℃时回火，回火温度为550℃
～580℃，保温时间为2.5～3.5h，出炉空冷至室温。
更进一步地，将所述的高强紧固件用钢在930℃温度下，用淬火油进行淬火处理；油冷
至室温时回火，回火温度为570℃，保温时间为3h，出炉空冷至室温。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢，对传统钢材中各个元素配比进行调整以及
优化，控制硫(S)、磷(P)的含量，并适量增加微量合金元素镍(Ni)和铜(Cu)的含量，
调整钢中镍(Ni)和铜(Cu)的比例为1：1～3，来解决铜含量提高带来的韧性下降的问题，
从根本上解决了使用国产42CrMo钢制造紧固件的强韧性不能和使用要求很好匹配的问题；
(2)本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢的热处理方法，对高强紧固件用钢进行简单
的920℃～930℃油淬+550℃～580℃高温回火热处理工艺，即可获得回火索氏体组织，并且有
明显的碳化物析出，使钢具有较好的强度和韧性，整个热处理过程只需7个小时左右，节约
了大量的时间成本，便于在工业中推广。
附图说明
图1～图4为本发明中实例1～4获得的含镍铜的高强紧固件用钢显微组织观察图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
本发明的一种含镍铜的高强紧固件用钢，由以下质量百分比的化学成分组成：C：
0.38～0.45％；Si：0.17～0.30％；Mn：0.60～0.80％；P≤0.010％；S≤0.010％；Cr：0.90～1.20％；
Mo：0.15～0.22％；Ni：0.05～0.15％；Cu：0.10～0.20％，Ni和Cu含量比例为1：1～3；余量为
Fe和不可避免的杂质。
本发明钢种成分特点是控制硫(S)、磷(P)的含量，并适量增加微量合金元素镍(Ni)
和铜(Cu)的含量。镍在钢中可以使铁素体强化同时使珠光体增加和细化，如此可在不影响
钢的塑性的前提下使钢的强度提高。以镍为非碳化物形成元素，也能适当减少C的质量百分
比含量。此外，镍与铁可以形成α和γ固溶体，同时可以增加γ相区的区域，还是使奥氏体
形成和稳定的元素之一；镍使钢的等温转变曲线移向右下方，本实施例通过增加Ni的质量百
分比含量，使得钢孕育期的时间加长，降低相变的速度，从而来使临界淬火速度降低，细化
转变组织，可使韧性和塑性有所改善。
铜在钢中主要通过固溶强化和析出强化的方式来使钢的强度提高，铜还是使奥氏体相的
区域扩大的元素。在钢中添加质量百分比高于1.0％的Cu，利用细小的ε-Cu析出相产生沉
淀强化，可以保证钢的高强度。本发明适当增加钢中铜含量，提高钢的强度，同时调整钢中
镍(Ni)和铜(Cu)的比例为1:1～3，来解决铜含量提高带来的韧性下降的问题。降低硫含
量可提高钢的变形能力；降低磷含量会使钢的变形抗力减小。因此，降低磷、硫含量不仅可
以改善钢的塑韧性和耐延迟断裂性能，还可以改善钢的加工性能。
本发明的另一个目的在于提供一种含镍铜的高强紧固件用钢的热处理方法，即将所述的
高强紧固件用钢在920℃～930℃温度下，用淬火油进行淬火处理；油冷至低于200℃时回火，
回火温度为550℃～580℃，保温时间为2.5～3.5h，出炉空冷至室温。温度在920℃～930℃时
对钢材用淬火油进行油淬处理，可以很容易的获得马氏体，而马氏体钢在550℃～580℃再进
行高温回火后，马氏体分解，碳化物析出，颗粒状的碳化物析出与基体铁素体复合后形成回
火索氏体，解决了板条马氏体组织的强度高但韧性低的问题，使钢具有较好的强度和韧性。
本发明对高强紧固件用钢进行简单的热处理工艺，即可获得回火索氏体组织，其仍保留
着马氏体板条形态，并且有明显的碳化物析出，马氏体钢经过淬火和高温回火后获得回火索
氏体组织，使钢具有较好的强度和韧性，整个热处理过程只需7个小时左右，节约了大量的
时间成本，便于在工业中推广。
本发明具有稳定的冲击性能和较高的强度，适用于制作抗拉强度1000MPa以上的10.9
级高强度紧固件。经过油淬和高温回火后得到的组织均为回火索氏体组织，所述钢材抗拉强
度Rm＝1100～1135MPa，屈服强度Rel＝980～1015MPa，伸长率A＝14.5～17.2％，25℃，V型
缺口冲击功AKv＝70～90J，-20℃，V型缺口冲击功AKv＝55～85J。
实施例1
本实施例的一种含镍铜的高强紧固件用钢，选择的化学组分和各组分的质量百分配比参
见表1：
表1实施例1～4中高强紧固件用钢化学组分质量百分配比表
本实施例将钢材经普通的机械加工加工成Φ25mm的圆棒，然后进行热处理。热处理的
过程为：将圆棒在920℃的温度下，用淬火油进行淬火处理，处理时间为35min；油冷至200℃
时回火，回火温度为550℃，保温时间3.5h，出炉空冷至室温。
对本实施例制备的高强度紧固件用钢的抗拉强度Rm、屈服强度Rel、伸长率ψ和韧性(冲
击功Akv)进行检测，检测结果如表2所示：
表2实施例1～4制备的高强紧固件的性能检测结果表
对本实施例制备的高强度紧固件用钢进行了显微组织观察，参看图1。从图1中实验钢
的显微组织形貌可以看出，热处理后的微观组织为回火索氏体，其仍保留着马氏体板条形态，
并且有明显的碳化物析出。实验钢经过油淬和高温回火，得到的显微组织为回火索氏体组织，
其使钢具有较好的强度和韧性。实例1钢中镍(Ni)和铜(Cu)的含量分别为0.044％、0.100％，
钢中的原板条马氏体尺寸较大。从表2的检测结果也可以看出此实例1强韧性较好。
实施例2
本实施例的一种含镍铜的高强紧固件用钢，选择的化学组分和各组分的质量百分配比参
见表1。
本实施例对高强紧固件用钢进行热处理的过程为：将圆棒在925℃的温度下，用淬火油
进行淬火处理，处理时间为37min；油冷至150℃时回火，回火温度为560℃，保温时间3h，
出炉空冷至室温。
对本实施例制备的高强度紧固件用钢的抗拉强度Rm、屈服强度Rel、伸长率ψ和韧性(冲
击功Akv)进行检测，检测结果如表2所示。
对本实施例制备的高强度紧固件用钢进行了显微组织观察，参看图2。从图2中实验钢
的显微组织形貌可以看出，热处理后的微观组织为回火索氏体，其仍保留着马氏体板条形态，
并且有明显的碳化物析出。实验钢经过油淬和高温回火，得到的显微组织为回火索氏体组织，
其使钢具有较好的强度和韧性。实例2钢中镍(Ni)和铜(Cu)的含量分别为0.076％、0.160％，
钢中的原板条马氏体尺寸较小。从表2的检测结果也可以看出此实例2强韧性较好。
实施例3
本实施例的一种含镍铜的高强紧固件用钢，选择的化学组分和各组分的质量百分配比参
见表1。
本实施例对高强紧固件用钢进行热处理的过程为：将圆棒在930℃的温度下，用淬火油
进行淬火处理，处理时间为40min；油冷至室温时回火，回火温度为570℃，保温时间3h，
出炉空冷至室温。
对本实施例制备的高强度紧固件用钢的抗拉强度Rm、屈服强度Rel、伸长率ψ和韧性(冲
击功Akv)进行检测，检测结果如表2所示。
对本实施例制备的高强度紧固件用钢进行了显微组织观察，参看图3。从图3中实验钢
的显微组织形貌可以看出，热处理后的微观组织为回火索氏体，其仍保留着马氏体板条形态，
并且有明显的碳化物析出。实验钢经过油淬和高温回火，得到的显微组织为回火索氏体组织，
其使钢具有较好的强度和韧性。实例3钢中镍(Ni)和铜(Cu)的含量分别为0.100％、0.200％，
钢中的原板条马氏体尺寸较小。从表2的检测结果也可以看出此实例3强韧性最好。
实施例4
本实施例的一种含镍铜的高强紧固件用钢，选择的化学组分和各组分的质量百分配比参
见表1。
本实施例对高强紧固件用钢进行热处理的过程为：将圆棒在927℃的温度下，用淬火油
进行淬火处理，处理时间为45min；油冷至200℃时回火，回火温度为580℃，保温时间3.5
h，出炉空冷至室温。
对本实施例制备的高强度紧固件用钢的抗拉强度Rm、屈服强度Rel、伸长率ψ和韧性(冲
击功Akv)进行检测，检测结果如表2所示。
对本实施例制备的高强度紧固件用钢进行了显微组织观察，参看图4。从图4中实验钢
的显微组织形貌可以看出，热处理后的微观组织为回火索氏体，其仍保留着马氏体板条形态，
并且有明显的碳化物析出。实验钢经过油淬和高温回火，得到的显微组织为回火索氏体组织，
其使钢具有较好的强度和韧性。实例4钢中镍(Ni)和铜(Cu)的含量分别为0.092％、0.170％，
钢中的原板条马氏体尺寸较小。从表2的检测结果也可以看出此实例4强韧性较好。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的
限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以
对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。