CN102712963B - 高碳热轧钢板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供含有0.5质量%以上的C、钢板内的特性波动小、并且加工性和淬透性优良的高碳热轧钢板的制造方法。一种高碳热轧钢板的制造方法，其特征在于，将钢片在Ar3相变点或Arcm相变点以上的终轧温度下进行热轧，以60℃/秒以上的平均冷却速度进行一次冷却，直至550~650℃的冷却停止温度，然后，放冷1.0~10秒，接着以120℃/秒以上的平均冷却速度进行二次冷却，直至500~600℃的冷却停止温度并进行卷取，然后，在640℃以上且Ac1相变点以下的温度下进行退火，其中，所述钢片具有如下组成：以质量%计，含有C：0.5~1.0%、Si：2.0%以下、Mn：2.0%以下、P：0.03%以下、S：0.03%以下、sol.Al：0.08%以下、N：0.01%以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

Description

高碳热轧钢板的制造方法
技术领域
本发明涉及高碳热轧钢板的制造方法，特别是涉及含有0.5质量%以上的C、钢板内的特性波动小、并且加工性和淬透性优良的高碳热轧钢板的制造方法。
背景技术
用于机械结构部件和工具等的高碳钢板，在利用冷轧成形加工成各种形状后，多数情况下为了进行硬质化而实施淬火回火处理。因此，这种用途的高碳钢板要求优良的加工性和淬透性，迄今为止已提出了各种技术。
例如，在专利文献1中，公开了一种成形性良好的高碳薄钢板的制造方法，其中，将高碳钢在(Ac1相变点+30℃)以上的终轧温度下进行热轧后，以10~100℃/秒的冷却速度冷却至20~500℃的温度，保持1~10秒后，再加热至500℃~(Ac1相变点+30℃)的温度范围，在该温度范围内进行卷取，其中，上述高碳钢具有如下组成：以质量%计，含有C：0.30~1.20%、Si：2.00%以下、Mn：1.00%以下、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Al：0.01~0.08%、N：0.010%以下，余量实质上由Fe及不可避免的合金成分构成。
在专利文献2中，公开了一种延伸凸缘性优良的高碳热轧钢板的制造方法，其中，将含有0.2~0.7质量%的C的钢在终轧温度(Ar3相变点-20℃)以上进行热轧后，在冷却速度为超过120℃/秒且冷却停止温度为650℃以下的条件下进行冷却，接着在600℃以下的卷取温度下进行卷取，进行酸洗后，在640℃以上且Ac1相变点以下的退火温度下进行退火。
在专利文献3中，公开了一种高碳热轧钢板的制造方法，具有：将钢在(Ar3相变点-20℃)以上的终轧温度下进行热轧而制成热轧钢板的工序；将上述热轧钢板以60℃/秒以上且低于120℃/秒的冷却速度冷却至650℃以下的温度的工序；将上述冷却后的热轧钢板在600℃以下的卷取温度下进行卷取的工序；以及将上述卷取后的热轧钢板在640℃以上且Ac1相变点以下的退火温度下进行退火的工序，其中，上述钢具有如下组成：以质量%计，含有C：0.2~0.7%、Si：2%以下、Mn：2%以下、P：0.03%以下、S：0.03%以下、sol.Al：0.01%以下、N：0.01%以下。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-9588号公报
专利文献2：日本特开2003-13145号公报
专利文献3：日本特开2008-156712号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，对于通过专利文献1~3中记载的制造方法制造的高碳热轧钢板、特别是含有0.5质量%以上的C的钢板而言，存在如下问题：钢板内的特性容易产生较大波动，未必能够得到优良的加工性和淬透性。
本发明的目的在于提供含有0.5质量%以上的C、钢板内的特性波动小、并且加工性和淬透性也优良的高碳热轧钢板的制造方法。
用于解决问题的方法
本发明人对含有0.5质量%以上的C、钢板内的特性波动小、并且加工性和淬透性也优良的高碳热轧钢板的制造方法进行了深入研究，结果发现，下述方法是有效的：在热轧后进行冷却时，按照在550~650℃的温度范围内进行放冷的两阶段急速冷却即急速冷却-放冷-急速冷却的模式进行冷却并进行卷取，然后，进行用于使渗碳体球形化的退火。
本发明基于上述见解而完成，提供一种高碳热轧钢板的制造方法，其特征在于，将钢片在Ar3相变点或Arcm相变点以上的终轧温度下进行热轧，以60℃/秒以上的平均冷却速度进行一次冷却，直至550~650℃的冷却停止温度，然后，放冷1.0~10秒，接着以120℃/秒以上的平均冷却速度进行二次冷却，直至500~600℃的冷却停止温度并进行卷取，然后，在640℃以上且Ac1相变点以下的温度下进行退火，其中，所述钢片具有如下组成：以质量%计，含有C：0.5~1.0%、Si：2.0%以下、Mn：2.0%以下、P：0.03%以下、S：0.03%以下、sol.Al：0.08%以下、N：0.01%以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成。
本发明的高碳热轧钢板的制造方法中，优选一次冷却时的平均冷却速度为120℃/秒以上。另外，钢片中含有的sol.Al量以质量%计为0.01%以下，钢片还可以以质量%计含有选自Cr：0.1~2.0%、Mo：0.1~1.0%、Ni：0.1~2.0%、Cu：0.1~1.0%、Ti：0.01~0.10%、Nb：0.01~0.10%、V：0.01~0.10%、B：0.0005~0.0100%中的至少一种元素。
发明效果
根据本发明，能够制造含有0.5质量%以上的C、钢板内的特性波动小、并且加工性和淬透性也优良的高碳热轧钢板，在产业上发挥显著的效果。
具体实施方式
下面，对本发明的高碳热轧钢板的制造方法详细地进行说明。
(1)钢片的组成
以下，成分元素的含量的单位%在没有特别说明的情况下表示质量%。
C：0.5~1.0%
C是用于提高淬火回火处理后的钢板强度所必需的元素。C量低于0.5%时，无法得到作为机械结构部件和工具的材料所需的强度。另一方面，C量超过1.0%时，钢板变脆而使加工性降低，而且在淬火后也容易存在残余奥氏体，热处理后的强度也饱和或者降低。因此，将C的含量限定为0.5~1.0%。优选为0.6~0.9%。
Si：2.0%以下
Si具有使钢脱氧的作用和提高淬火后的抗回火软化性的作用，因此，可以根据需要含有Si。但是，Si的含有还具有使渗碳体石墨化而降低钢的淬透性的作用，因此，将Si的含量限定为2.0%以下。优选为0.5%以下。
Mn：2.0%以下
Mn具有提高钢的淬透性的作用，可以根据需要含有。但是，过量含有Mn时，会导致钢的韧性和延展性降低，因此，将Mn的含量限定为2.0%以下。优选为1.0%以下。
P：0.03%以下
P具有降低钢板的加工性和热处理后的钢的韧性的作用，因此，将P的含量限定为0.03%以下。优选为0.02%以下。
S：0.03%以下
S具有降低钢板的加工性和热处理后的钢的韧性的作用，因此，将S的含量限定为0.03%以下。优选为0.01%以下。
sol.Al：0.08%以下
Al是为了钢的脱氧而添加的元素，可以根据需要含有。但是，作为Al的含量，钢中的sol.Al量超过0.08%的添加，会导致钢中夹杂物的增加，从而导致钢板的加工性降低。因此，将Al的含量以sol.Al量计限定为0.08%以下。优选为0.04%以下。另外，钢在高温下保持的情况下，固溶Al和固溶N在钢中化合而形成AlN，在淬火加热时抑制奥氏体晶粒的生长，从而有时降低钢板的淬透性。特别是将钢板在氮气气氛中进行退火的情况下，由于从气氛中浸入到钢中的N而使上述作用变得显著。为了避免因AlN的形成而引起的这种钢板的淬透性降低，更优选将Al的含量以sol.Al量计设定为0.01%以下。
N：0.01%以下
N的大量含有有时会通过在钢中形成AlN而降低钢板的淬透性。因此，将N的含量限定为0.01%以下。优选为0.005%以下。
本发明中使用的钢片具有上述的成分组成。需要说明的是，由于会导致钢板的制造成本增加，因此，在没有特殊理由的情况下不需要使上述各元素的含量超出通常实施的程度的精炼范围，例如降低至低于0.001%。
本发明中使用的钢片的余量为Fe及不可避免的杂质。但是，为了提高淬透性或提高抗回火软化性而进一步添加Cr、Mo、Ni、Cu、Ti、Nb、V、B中的一种以上元素，也不会损害本发明的效果。
在钢片中添加这些元素的情况下，优选设定为如下范围的含量：Cr：0.1~2.0%、Mo：0.1~1.0%、Ni：0.1~2.0%、Cu：0.1~1.0%、Ti：0.01~0.10%、Nb：0.01~0.10%、V：0.01~0.10%、B：0.0005~0.0100%。在含量低于各自范围的下限时，不能充分地得到添加的效果。另外，在含量超过各自范围的上限时，有时会导致制造成本增加，并且降低钢板的加工性和韧性。另外，更优选的含量的范围分别为Cr：0.1~1.0%、Mo：0.1~0.5%、Ni：0.1~1.0%、Cu：0.1~0.5%、Ti：0.01~0.05%、Nb：0.01~0.05%、V：0.01~0.05%、B：0.0005~0.0050%。
作为不可避免的杂质，例如有O、Sn、Pb等。优选尽可能不含有这些元素，但只要含量低于0.01%则可以容许。
2)制造条件
在本发明的高碳热轧钢板的制造方法中，将具有上述成分组成的钢片在Ar3相变点或Arcm相变点以上的终轧温度下进行热轧，以60℃/秒以上的平均冷却速度进行一次冷却，直至550~650℃的冷却停止温度，然后，放冷1.0~10秒，接着以120℃/秒以上的平均冷却速度进行二次冷却，直至500~600℃的冷却停止温度并进行卷取，然后，在640℃以上且Ac1相变点以下的温度下进行退火。需要说明的是，优选在退火前通过酸洗将形成在钢板表层的氧化皮除去。下面，对本发明的制造条件的限定理由进行说明。
热轧的终轧温度：Ar3相变点或Arcm相变点以上
热轧的终轧温度低于Ar3相变点或Arcm相变点时，在先共析铁素体或先共析渗碳体部分析出的状态下进行轧制，形成不均匀的钢板组织，从而使钢板内的特性的均匀性降低。因此，将热轧的终轧温度设定为Ar3相变点或Arcm相变点以上。
需要说明的是，对于钢片的Ar3相变点或Arcm相变点而言，例如可以测定从奥氏体温度范围开始的冷却过程中的热收缩曲线，由曲线的变化点求出。
一次冷却的平均冷却速度：60℃/秒以上
一次冷却的冷却停止温度(放冷温度)：550~650℃
热轧后的一次冷却需要在热轧后以60℃/秒以上的平均冷却速度冷却至550~650℃范围的冷却停止温度。在本发明中，为了在降低钢板内的特性波动的同时避免因低温相变相的生成而引起的制造性的降低，将热轧后的钢板组织制备成以均匀的珠光体为主体的组织。因此，在热轧后的冷却过程中，需要避免铁素体或渗碳体的粗大析出。因此，需要以60℃/秒以上的平均冷却速度对热轧后的钢板快速地进行一次冷却，直至550~650℃的冷却停止温度。
在一次冷却的平均冷却速度低于60℃/秒的情况下，在一次冷却中明显生成先共析铁素体或先共析渗碳体，从而不能形成均匀的显微组织。另外，当冷却停止温度超过650℃时，即使以60℃/秒以上的平均冷却速度进行冷却，在冷却停止后也会大量生成先共析铁素体或先共析渗碳体。另一方面，在冷却停止温度低于550℃的情况下，部分生成贝氏体、马氏体等低温相变相，使钢板形状恶化，从而有可能产生之后的冷却不均甚至钢板内的特性波动。需要说明的是，为了可靠地避免先共析相的生成而得到更均匀的钢板组织，优选将一次冷却的平均冷却速度设定为120℃/秒以上。
放冷时间：1.0~10秒
一次冷却后，将钢板放冷1.0~10秒。通过继一次冷却中的急冷之后进行放冷，使珠光体相变在短时间内进行，从而形成均匀的珠光体组织。本发明的要点在于将退火前的高碳钢板的显微组织制备成以均匀的珠光体为主体的组织，由放冷带来的珠光体相变的促进发挥非常重要的作用。
在放冷时间小于1.0秒时，不能充分得到上述的相变促进效果。对于含有0.5质量%以上的C的高碳钢而言，由于C含量高而使淬透性高，容易生成低温相变相。因此，小于1.0秒的短时间的放冷中，珠光体相变的促进效果变得不充分，从而不能制备成期望的组织。另一方面，在放冷时间超过10秒的情况下，随着珠光体相变的进行，产生由相变发热引起的钢板温度的升高，在放冷过程的后期生成的珠光体粗大化，从而导致钢板内的特性不均匀化。因此，将放冷时间限定为1.0~10秒的范围。优选为3~8秒。需要说明的是，放冷是指不通过注水等进行强制冷却而是将钢板暴露在大气中。但是，为了清除在一次冷却工序中注入的冷却水，向钢板短时间喷射压缩空气等流体等，由于因喷射产生的冷却效果非常小，不会损害本发明的效果，因此可以容许。
二次冷却的平均冷却速度：120℃/秒以上
二次冷却的冷却停止温度(卷取温度)：500~600℃
对放冷预定时间后的钢板以120℃/秒以上的平均冷却速度再次进行冷却，在500~600℃的冷却停止温度下停止冷却并进行卷取。放冷后的钢板因相变发热而温度升高，因此，为了抑制钢板的显微组织的粗大化，在再次冷却至500~600℃温度之后进行卷取。在冷却停止温度超过600℃的情况下，容易产生粗大的珠光体，不能完全避免钢板组织的不均匀化。另一方面，在冷却停止温度低于500℃的情况下，生成贝氏体、马氏体等低温相变相，钢板过度硬化而使卷形状变差，并且导致加工性的大幅降低。以低温相变相为主体的组织也具有使渗碳体在退火后容易微细地分散这一优点，但对于含有0.5质量%以上的C的高碳钢而言，由于C含量高而使低温相变相的硬度高，不能容许钢板的制造性和加工性降低，因此，将冷却停止温度限定为500℃以上。
为了提高钢板组织的均匀性，需要使放冷后的平均冷却速度为120℃/秒以上。在利用普通的注水进行冷却的情况下，500~600℃的温度范围成为从膜沸腾开始向核沸腾过渡的范围，容易产生钢板的冷却不均。在这种温度范围内，以平均冷却速度为120℃/秒以上的方式在核沸腾为主体的条件下进行水冷时，不易产生钢板的冷却不均，从而能够将钢板内的特性波动抑制在较低水平。更优选平均冷却速度为240℃/秒以上的水冷。
退火温度：640℃以上且Ac1相变点以下
为了实现渗碳体的球形化而对卷取后的热轧钢板进行退火。此时，在退火温度低于640℃时，渗碳体的球形化不能快速进行。另外，当退火温度超过Ac1相变点时，在退火中钢板组织的一部分再次形成奥氏体之后被冷却，因此，在退火后的钢板组织中混合有珠光体、即未被球形化的渗碳体，钢板内的特性的均匀性以及加工性和淬透性均降低。因此，将退火温度限定为640℃以上且Ac1相变点以下的范围。优选为680℃以上且Ac1相变点以下。
在本发明中，由于将退火前的热轧钢板的组织制备成以均匀的珠光体为主体的组织，因此，渗碳体的球形化高效地进行，因此，将热轧钢板保持在退火温度的时间设定为10小时以上即可。优选为15~35小时。为了矫正钢板的形状或调节表面性状，可以根据需要对退火后的钢板实施表面光轧。
需要说明的是，对于钢板的Ac1相变点而言，例如，可以测定从常温开始的加热过程中的热膨胀曲线，由曲线的变化点求出。
本发明中使用的高碳钢的熔炼可以使用转炉或电炉中的任意一种。熔炼后的钢通过连铸或铸锭后的开坯轧制制成钢片(钢坯)。根据制造设备的能力，将热轧前的钢片加热至能够确保预定的终轧温度的温度即可。可以将连铸得到的钢片在不冷却至常温的情况下直接或者在短时间的加热后进行热轧。另外，还可以利用板带加热器、边部加热器等感应加热装置对热轧中途的钢片进行追加加热。
实施例
将具有含有表1所示的元素且余量由Fe及不可避免的杂质构成的组成、并具有该表1所示的Ar3相变点或Arcm相变点以及Ac1相变点的钢片A~L在表2所示的热轧条件下制成板厚为4.0mm的热轧钢板，然后，通过酸洗除去氧化皮，在该表2所示的退火条件下在氮气气氛中进行退火，接着，实施伸长率为0.5%的表面光轧，得到钢板1~24。需要说明的是，表1中的各相变点通过上述的方法求出。
从得到的各钢板上裁取与轧制方向平行的板厚截面调查用的样品，如下操作，测定板厚截面的维氏硬度和渗碳体的平均粒径，对钢板内的特性波动以及加工性和淬透性进行评价。将结果示于表3中。
板厚截面的维氏硬度：对与轧制方向平行的板厚截面进行镜面研磨，依据JIS Z 2244的规定，在板厚的1/4深度的位置以9.8N(1kgf)的试验力进行测定。每个样品测定5次以上，将它们的平均值作为该样品的板厚截面的维氏硬度HV。利用在钢板板宽的1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8共计七个位置处裁取的样品进行该维氏硬度HV的测定，求出全部七个位置的HV值的最大值(HVmax)与最小值(HVmin)之差(ΔHV＝HVmax-HVmin)和全部七个位置的HV值的平均值(HVave)，将ΔHV/HVave的值作为钢板内的特性均匀性的指标。如果ΔHV/HVave的值为0.10以下，则评价为钢板内的特性波动小。
板厚截面的渗碳体的平均粒径：对在钢板板宽的1/4位置处裁取的样品的与轧制方向平行的板厚截面进行镜面研磨，用苦醛腐蚀溶液进行腐蚀后，利用扫描电子显微镜以5000倍的倍率对板厚的1/4深度的位置进行拍摄，使用拍摄得到的组织照片，将各个渗碳体粒子的长径和短径的几何平均值作为各个渗碳体粒子的粒径，以位于组织照片的视野内的渗碳体粒子的粒径的平均值作为该钢板的渗碳体的平均粒径d。由于该渗碳体的平均粒径d成为由粒子分散带来的强化量、加工时的应力集中度、淬火加热时的分解难易度的标准，因此，可以用作加工性和淬透性的指标，在d值为0.5~2.0μm的情况下，评价为加工性和淬透性优良。
表3所示的本发明例的钢板，作为钢板内的特性均匀性的指标的ΔHV/HVave的值为0.10以下，钢板内的特性波动小，作为钢板的加工性和淬透性的指标的渗碳体的平均粒径d的值也达到0.5~2.0μm，从而成为加工性和淬透性也优良的高碳热轧钢板。
表2
表3

Claims (5)

1.一种高碳热轧钢板的制造方法，其特征在于，将钢片在Ar3相变点或Arcm相变点以上的终轧温度下进行热轧，以60℃/秒以上的平均冷却速度进行一次冷却，直至550～650℃的冷却停止温度，然后，放冷1.0～10秒，接着以120℃/秒以上的平均冷却速度进行二次冷却，直至500～600℃的冷却停止温度并进行卷取，然后，在640℃以上且Ac1相变点以下的温度下进行退火，其中，所述钢片具有如下组成：以质量%计，含有C：0.5～1.0%、Si：2.0%以下、Mn：2.0%以下、P：0.03%以下、S：0.03%以下、sol.Al：0.08%以下、N：0.01%以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成。
2.如权利要求1所述的高碳热轧钢板的制造方法，其特征在于，一次冷却时的平均冷却速度为120℃/秒以上。
3.如权利要求1或2所述的高碳热轧钢板的制造方法，其特征在于，钢片中含有的sol.Al量以质量%计为0.01%以下。
4.如权利要求1或2所述的高碳热轧钢板的制造方法，其特征在于，钢片中以质量%计还含有选自Cr：0.1～2.0%、Mo：0.1～1.0%、Ni：0.1～2.0%、Cu：0.1～1.0%、Ti：0.01～0.10%、Nb：0.01～0.10%、V：0.01～0.10%、B：0.0005～0.0100%中的至少一种元素。
5.如权利要求3所述的高碳热轧钢板的制造方法，其特征在于，钢片中以质量%计还含有选自Cr：0.1～2.0%、Mo：0.1～1.0%、Ni：0.1～2.0%、Cu：0.1～1.0%、Ti：0.01～0.10%、Nb：0.01～0.10%、V：0.01～0.10%、B：0.0005～0.0100%中的至少一种元素。
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