CN100427629C - 具有优良冷锻性能的调质钢丝 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有良好冷锻性能的调质钢丝，基本上由0.1-0.5wt%C，1.0wt%或更少Si，0.20-2.5wt%Mn，0.03wt%或更少P和0.03wt%S，余量是Fe和不可避免的杂质所组成，其抗拉强度为700-1300MPa，且碳化物的球化百分数至少为30%。这种在短时间内通过高频感应加热经调质工艺处理，而不进行需要长时间的球化退火工艺处理的调质钢丝，具有等同于或优于球化退火钢丝的锻造性能，因此提高了生产率。因此，该调质钢丝可应用于制造作为需要高强度机械结构部件的各种螺栓和轴承。

Description

具有优良冷锻性能的调质钢丝

技术领域

本发明涉及适用于为机械结构制造各种部件(比如具有较高强度的螺栓和轴)的钢丝或钢条。更特别地，本发明涉及具有良好冷锻性能的调质钢丝，特征在于通过将一种新因子保持在影响钢丝冷锻性能的特定范围，而不必在冷锻后进行调质工艺。

背景技术

一般而言，用于机械的部件(比如六角头螺栓、球头螺栓、轴等)是通过将钢丝或钢条(以下称为钢丝)进行冷锻步骤生产的。特别地，具有在700～1300Mpa之间的较高抗拉强度的部件是用这种方法制造的，其中钢丝在约700℃加热十个小时以上，使它们的微观结构球化以提高冷锻性能，然后进行冷锻。之后，冷锻部件有必要进行另外的热处理，比如调质，以增加强度和韧性。也就是说，由于其复杂的制造工艺，有必要进行多种制造步骤，其复杂的制造工艺如下所示：(常规的制造工艺)

钢丝或钢条→球化较长时间→冷锻→在高温(850℃或更高)加热→淬火(水或油)→回火→产品。

因此，常规工艺具有以下问题，应该在能量效率、生产率和工作条件上进行改善。

(1)长时间的钢丝球化退火工艺导致高能量损失和低生产率。

(2)由于冷锻部件要进行另外的调质处理以加强其在制造工艺中的强度和韧性，因此延长了它们的制造时间。另外，工作条件恶化，它们要在制造地进行热处理。热处理被转包到外部的生产者，热处理的成本和管理交货进度表的劳力就会增加，因此，使整个工艺管理复杂化。

(3)由于上述(1)和(2)条公开的问题，考虑到热处理工艺，生产率就会降低。因此，急需提高生产率。

因此，由于冷锻工艺前或后的热处理导致的低生产率、高制造成本和恶劣的工作条件应该有效改善。

发明的公开

为了本发明，本发明人在调质钢丝的有效制造工艺上进行了透彻和全面的研究以避免相关技术遇到的问题，结果发现常规在冷锻后进行的调质工艺可在冷锻工艺前进行，借此，调质钢丝可只进行冷锻来制造所需产品，而不进行球化退火。

因此，本发明的目的是提供一种具有良好冷锻性能的调质钢丝。

附图简述

图1是表示本发明调质试样中临界可压缩性(H_临界)和碳化物球化百分数之间关系的曲线；

图2是本发明调质钢丝结构中存在的碳化物的截面图；

图3a和3b是通过透射电子显微镜拍摄的调质钢丝结构的放大照片，其中图3a表示常规调质钢丝的结构，图3b表示根据本发明调质钢丝的结构；

图4a和4b是表示压缩试样形状的视图，其中图4a是整个形状的透视图，图4b是凹口部件的平面图；和

图5是表示六角头凸缘螺栓的正视图。

实施本发明的最佳模式

由于调质钢丝具有高强度，所需产品不能仅仅通过将此钢丝进行冷锻工艺来制造。因此，作为通过冷锻工艺由高强度钢丝制造各种复杂机械结构部件的大量研究的结果，本发明人已经发现，当抗拉强度为700-1300Mpa的调质钢丝具有在其中沉积碳化物的球化百分数为30％或更大时，会导致良好的冷锻性能，正如透射电子显微镜观察到的一样。

换句话说，当在冷锻工艺前调质以具有700-1300Mpa抗拉强度的钢丝中沉积碳化物的球化百分数不小于30％时，钢丝即使强度较高也会具有良好的冷锻性能。因此，冷锻工艺可以有效进行。而且，即使在冷锻工艺后，冷锻部件也具有用于机械结构的各种部件所需的较高强度。因此，不需要进行另外的热处理(比如调质)来增加强度。

在本发明中，调质钢丝包括C-Si-Mn合金，基本由0.1-0.5wt％C、1.0wt％或更少Si、0.2-2.5wt％Mn，余量铁和不可避免的杂质组成。必要时，调质钢丝还包括任何选自0.05-2.0wt％Cr、0.05-1.5wt％Mo、0.0003-0.0050wt％B和它们混合物之一。

组成调质钢丝的每个成分根据性能和总量定义如下。

C：0.1-0.5wt％

C是淬火工艺中用于增加强度的最主要元素。一般来说，如果所用碳的总量小于0.1wt％，就不能通过淬火热处理获得预期硬化效果。同时，如果所用碳的总量超过0.5wt％，碳化物就会过量沉积，从而降低韧性和增加变形抗力，导致制造工具使用寿命的减少以及在冷锻工艺时产生裂纹。

Si：1.0wt％或更少

Si用于钢脱氧和通过固溶特性增加强度。然而，Si的添加超过1.0wt％会导致韧性的降低，且冷锻工艺时变形抗力的增加，从而产生裂纹和缩短工具的使用寿命。这是因为Si在沉积碳化物中固溶，因而中断了碳的移动，以致阻止了碳化物的球化。

Mn：0.2-2.5wt％

Mn用来加强固溶特性。当少量使用C和Si以避免变形抗力的加强时，由于C和Si的过量添加，当C和Si量较低时，Mn被用来补充钢的强度。由此，Mn的使用量至少为0.2wt％，且不能超过2.5wt％，因为过量的添加Mn会导致韧性和变形抗力的增加。

Cr：0.05-2.0wt％

Cr用来增加强度、可淬火性和韧性。Cr的添加小于0.05wt％会导致上述性能的降低。而且，当使用昂贵的Cr的量超过2.0wt％时，就没有了经济利益。因此，规定Cr的下限设为0.05wt％，上限为2.0wt％。

Mo：0.05-1.5wt％

Mo与Cr具有相同的添加作用。也就是，当Mo的使用量小于0.05wt％时，上述性能就会变差。另一方面，当Mo的添加超过1.5wt％时，会导致变形抗力的增加。因此，Mo不应该超过1.5wt％。

B：0.0003-0.0050wt％

B被用来增加可淬火性。如果B的添加量小于0.0003wt％，就没有添加作用。同时，如果总量超过0.0050wt％时，可淬火性会轻微降低。而且，B与钢结构中的N反应生成使晶界变脆的BN。因此，与N有更高亲和力的Ti以0.01-0.05wt％的量加入，以便增加B的添加作用。同时，优选使用与Ti具有相同作用的Zr或Nb。

P和S，作为不可避免的杂质，用于降低常温加工时的变形程度。特别是，如果这些成分的使用量超过0.030wt％，常温加工时就会出现大量裂纹。因此，优选P和S的总量在0.030wt％或更少的范围。

对于调质钢丝，调质处理后的抗拉强度被限制在700-1300Mpa的范围。如果抗拉强度小于700Mpa，延展性就会增加。因此，仅当进行少量冷锻时，热轧线材(结构：铁氏体+珠光体)才进行冷锻工艺。而且，具有上述抗拉强度的钢丝不适合用于机械部件。在另一方面，抗拉强度超过1300Mpa时，线材的硬度较高，因此降低了工具的使用寿命。另外，难以制造具有复杂形状的机械部件。

而且，将钢丝碳化物的球化百分数限制在30％或更多的原因在于实现良好的冷锻性能，正如透射电子显微镜观察到的一样，在后面描述。

参考图1，将16mm横向线材(包括JIS G 4105 SCM420、JIS G 4051S35C和JIS G 4106 SMn433)拉拔使其具有15.0mm的直径，并加热到Ac3点或更高，然后用水或油冷却。每个线材在不同加热温度和加热时间的条件下回火，然后用透射电子显微镜观察。根据线材碳化物球化百分数的临界可压缩性(H_临界)行为示于图1。依赖从马氏体基沉积而来的碳化物形状，冷锻性能是不同的。特别是，当球化百分数不小于30％时，作为表示冷锻性能的指数，临界可压缩性显著地增加到40％或更大。因此，呈现出良好的冷锻性能。

这是因为邻近碳化物之间的距离随沉积碳化物的形状接近于球形而加大，冷锻时产生的断层很容易通过其间，导致冷锻所需延展性的增加。

为了保持碳化物球化百分数在30％或更大，与一般退火条件相比，实施退火工艺所需的温度或时间条件就进一步增加到能够获得所需抗拉强度的范围。

为了确定图1碳化物的临界可压缩性和球化百分数，根据下列步骤制备了试样，并计算出了上述因子的值。

至于碳化物球化百分数的测量，将调质钢丝进行机械切割，将它的横截面化学抛光和电解抛光，以制备具有0.1mm或更小厚度的薄膜。然后，通过透射电子显微镜以50,000-100,000的放大倍数对圆形直径的1/4点进行拍摄。

然后，在照片上，标注具有50-70mm横向距离的圆环，其中测定每个碳化物的长轴长(L)和短轴长(S)，如图2所示。用长轴长除以短轴长，用百分数(％)表示：

球化百分数＝S/L×100(％)

同样地，通过测量每个有记号圆环中的可测量碳化物的球化百分数测定各自的值，然后去掉最大和最小值进行平均。测定不包括在板条边界或晶界的碳化物。

图3a和3b是用透射电子显微镜拍摄的调质钢丝结构的放大照片，其中图3a表示常规调质钢丝的结构，图3b表示根据本发明调质钢丝的结构。在图3a所示的常规调质钢丝情况下，在基体结构中存在针状碳化物，而且邻近碳化物间的距离也非常狭窄。如图3b所示，在根据本发明钢丝中的碳化物以球形存在，且邻近碳化物间的距离较宽。

另外，通过将压缩试样如图4a和4b一样进行V切口工艺，然后在不同的高度进行压缩工艺来测量临界可压缩性，由此通过放大镜以10倍的放大倍数观察V切口部件的底面。当1mm长裂纹出现时，根据下列等式计算临界可压缩性(H_临界)：

其中H₀：试样的原始高度(mm)

H₁：当在V切口底面产生1mm裂纹时试样的高度(mm)。

V切口压缩实验用来评价冷锻性能是否良好。本发明人对大量具有不同临界可压缩性的钢丝试样实验性地进行了冷锻工艺。因而，可以肯定当临界可压缩性为40％或更大时，冷锻性能良好。因此，上述值被认为是表征冷锻性能的参数。

另外，调质后沉积的碳化物的球化百分数也会大大影响调质钢的冷锻性能。特别是，当碳化物的球化百分数不小于30％时，可以制得具有良好冷锻性能的调质钢丝。由此可见，球化百分数是制造具有良好冷锻性能钢丝所需的重要因素。

从下列实施例中可以更清楚地理解本发明。

为了阐明上述结果，采用具有下表1中所示化学成分的7种16mm横向热轧盘条，并将其拉拔至具有15mm直径。

表1钢丝的化学成分(wt％)

钢丝试样号	C	Si	Mn	P	S	Cr-	Mo	B	Fe
										1	0.18	0.15	1.45	0.010	0.007	-	-	0.0020	余量
2	0.20	0.25	0.75	0.013	0.008	1.01	-	-	余量
										3	0.23	0.27	0.82	0.009	0.007	0.95	0.23	-	余量
4	0.32	0.96	0.75	0.010	0.009	-	-	-	余量
										5	0.34	0.24	0.92	0.011	0.010	-	-	-	余量
6	0.35	0.43	1.75	0.012	0.007	-	-	-	余量
										7	0.37	0.28	0.73	0.009	0.007	1.11	1.19	-	余量

通过采用能够实施该系列工艺的高频感应加热设备，将7种拉拔盘条的每一个都加热到Ac3转变点的温度或更高，然后用水冷却。然后继续高频感应加热，同时加热温度和时间调整在200℃到Ac1转变点的范围，以使钢丝的抗拉强度在700-1300Mpa的范围，从而制造如下表2所示的如实施例和对比实施例试样的加热处理钢丝。

对每个热处理钢丝的横截面进行机械切割，化学抛光和电解抛光，然后切割并抛光至厚为0.1mm的薄膜。然后，在每个薄膜中，通过透射电子显微镜在200KV的加速电压下，以100,000的放大倍数拍摄圆环直径的1/4点。从而观察每个试样的碳化物形状，并计算它们各自的球化百分数。

另外，将每个试样进行屈服实验以测定抗拉强度(TS)。将如图4a和4b的压缩试样进行压缩实验，以测定临界可压缩性(H_临界)。此外，将图5所示的六角头凸缘螺栓进行常温加工，由此，检查在最脆弱部分是否出现裂纹，用箭头标出。结果示于下表2。

表2  调质钢丝的冷锻性能

备注：○：无裂纹出现，

×：出现裂纹

从表2可以看出，具有30％或更大球化百分数的本发明试样，不管是何钢种，都表现出40％或更大的临界可压缩性。此外，由于实验锻造部件没有裂纹，因此可见本发明的钢丝呈现出良好的冷锻性能。

下表3表示具有表1成分的钢丝在调质处理后拉拔至2-25％的钢丝性能。

表3  调质后拉拔的钢丝冷锻性能

备注：○：无裂纹出现，

×：出现裂纹

如表3所示，调质后的拉拔工艺对本发明调质钢丝碳化物的微观结构没有影响，因此，良好的冷锻性能被保持在预定水平。

工业应用性

如上所述，本发明提供了一种具有良好冷锻性能的调质钢丝。这种钢丝的优势在于：

(1)在钢丝的制造期间，不需要进行需要长时间的球化退火工艺，因此有可能制造冷锻性能等于或优于球化退火钢丝的调质钢丝，因此增加了生产率。

(2)在机械部件的制造期间，不需要进行另外的调质工艺以加强冷锻工艺后的强度，从而实现了能源的节约和工作条件的改善。此外，仅仅通过实施锻造工艺，就可以制造强度和韧性等于或优于常规部件的机械部件。因此，简化了产品质量的管理和工艺，从而提高了生产率。

虽然，由于例证的目的，本发明的优选实施方式已经公开了，但是本领域的技术人员可以理解，在不背离如随后权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种改变、添加和取代。

Claims (2)

1.一种具有良好冷锻性能的调质钢丝，包括0.1-0.5wt％C，1.0wt％或更少Si，0.20-2.5wt％Mn，0.03wt％或更少P和0.03wt％或更少S，余量是Fe和不可避免的杂质，其抗拉强度为700-1300Mpa，并具有从其中沉积的马氏体基碳化物结构，且碳化物的球化百分数不小于30％，其通过在冷锻工艺前进行调质处理制得。

2.如权利要求1的调质钢丝，还包括至少一种选自0.05-2.0wt％Cr，0.05-1.5wt％Mo和0.0003-0.0050wt％B的成分。

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