CN103517999A

CN103517999A - 具有优良表面性能、高强度和高韧性的线材及其制造方法

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Publication number: CN103517999A
Application number: CN201280022481.5A
Authority: CN
Inventors: 金东炫; 李侑焕; 曹炯根
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: EP2708614B1; WO2012157902A2; JP5908066B2; EP2708614A2; EP2708614A4; US20140027025A1; CN103517999B; WO2012157902A3; KR20120127095A; JP2014518942A

Abstract

本发明涉及具有高强度和高韧性的线材，所述线材抑制了表面氧化物的生成，并且通过均匀氧化物的形成而具有优良表面性能，以及涉及所述线材的制造方法。为此，根据本发明，提供了包含0.005至0.02重量％的Sb、具有优良表面性能、高强度和高韧性的线材，以及所述线材的制造方法。

Description

具有优良表面性能、高强度和高韧性的线材及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于结构钢的线材，特别是用于诸如螺栓、拉杆等需要冷锻的汽车部件的线材，以及所述线材的制造方法。

背景技术

大多数结构钢是在热加工之后通过对钢进行再加热、淬火和回火增加其强度和韧性而形成的热处理钢。与此相反，非热处理钢是指在热加工之后即使不对其进行热处理也具有与热处理钢几乎相似的强度和韧性水平的钢。韩国和日本使用术语“非热处理钢”且该术语也称为“微合金化钢”，这是因为其材料是通过加入少量的合金元素形成的。

同时，由于高强度钢通过回火制造，因此具有900MPa或更高的拉伸强度和优异的延展性，使得所述钢可以应用于需要抗冲击性能的部件。然而，在大多数钢中，由于当其强度增加时，其延展性可能会降低，所以其应用可能会受到限制。

此外，在线材轧制时不可避免地生成氧化铁，这可能会导致在制造线材之后的拉丝过程中在线材上产生表面缺陷，从而劣化其质量。因此，存在加工缺陷，需要在制造线材之后通过后加工例如酸洗等除去线材表面上的氧化铁（氧化皮）层。因此，尚未解决在线材的制造过程中由于在线材热轧之前使用喷水或热轧件火焰清理除去氧化皮以控制氧化皮而使加工成本增加的问题。

同时，为了制造非热处理钢、特别是具有高强度和高延展性的非热处理钢，在轧制和冷却操作中需要通过加速作用的控制的轧制和冷却过程，同时加入合金元素如钛（Ti）、钒（V）、铌（Nb）等。这种控制的轧制和冷却过程可能是有利的，这是因为能够获得具有微小粒径的线材，从而可以制造具有优异强度和延展性的线材。然而，随着合金元素的价格上涨和多个工艺变化，这种控制的轧制和冷却过程可能会不可避免地增加加工成本，因此，其应用可能会受到限制。

有鉴于此，日本专利特许公开第2010-242170号公开了一种通过在加入Cr、V、Ti和B之后进行热处理并快速冷却制造贝氏体线材的技术。但是，该技术局限在于：增加了加工成本且还需要冷却装置。此外，在日本专利特许公开第2010-222680号中，为了控制初始奥氏体微结构，具有高强度的非热处理线材可通过向其中加入Al、Cu、Ni、Mo、V等通过控制的轧制和冷却过程制造，但由于需要安装其它设备，不可避免地增加了加工成本。此外，日本专利特许公开第1998-008209号公开了在制造由铁素体和珠光体构成的高强度和高韧性线材时，有必要加入合金元素如Cr、V等，但是由于加入了改善冷加工性的昂贵合金元素，效率降低。

因此，如上所述，对于制造高强度和高韧性的线材，尚未突破提高拉伸强度和减少表面氧化皮的方案的局限。在日本提交了少数与非热处理线材有关的专利申请，但在所述专利申请中，本质上仍然需要加入昂贵的合金元素以及控制的轧制和冷却，导致无法确保有竞争力的价格，特别是，表面氧化皮的除去受到限制。

同时，全球主要的钢铁企业已经进行了如下研究：通过加入廉价的能够形成氧化物的合金元素控制氧化物，从而获得由合金元素所产生的晶粒细化效果。然而，由于大多数能形成氧化物的元素可能是昂贵的，此外，所述元素的加入量与铁合金相同，因此其技术进展缓慢。

因此，考虑到汽车行业未来发展的速度，通过省略非热处理钢所需的基本热处理而降低加工成本，通过加入微量的能形成氧化物的元素而确保有竞争力的价格，以及使线材因氧化皮的减少而能够抑制其表面缺陷是必不可少的。

发明内容

技术问题

本发明的一个方面提供能够具有高强度和高韧性并且能够抑制表面氧化物的生成、以及能够通过形成均匀氧化物而具有优异表面性能的线材，和所述线材的制造方法。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种具有优良的表面性能、高强度和高韧性的线材，所述线材包括：0.005至0.02%的锑（Sb），按重量百分比计。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造具有优良表面性能、高强度和高韧性线材的方法，该方法包括：对包含0.005至0.02%锑（Sb）的钢进行再加热，按重量百分比计；在700至1100℃下对经再加热的钢进行线材轧制；和在线材轧制后以0.5至2℃/s的冷却速率进行冷却。

有益效果

根据本发明的实施方案，在具有高强度和高韧性且表面缺陷得以抑制的线材的制造方法中，可增加线材的拉伸强度和延展性，同时可通过加入少量的锑（Sb）形成氧化物而实现其晶粒细化，最终氧化皮的厚度可通过在加热炉中的热轧过程中于高温下抑制氧化铁的生长并且均匀形成氧化铁而减小。随着机械部件的轻量化和高功能化，本发明实施方案的线材采用用于制造高强度和高延展性线材的通用技术制造，并且要求是无限制的。在制造非热处理钢线材时，本发明实施方案线材的制造方法与现有竞争产品的制造方法相比在以下方面具有优势：通过省略相对昂贵的合金元素而获得的价格竞争力、拉伸强度和表面质量，并且所述实施方案可以是通用技术，因为它提供了一种没有工艺条件限制的新型制造方法。

附图说明

图1是示出了现有技术钢和根据本发明实施方案的本发明钢1的微结构的照片。

图2是示出了根据本发明实施方案的本发明钢1的氧化锑（Sb）的照片。

图3是示出表2结果的图。

最佳实施方式

在下文中，将详细描述本发明的实施方案。

根据本发明的实施方案，在制造线材时包含少量的锑（Sb），使得可以抑制奥氏体晶粒的晶粒尺寸增长并且可使用氧化锑（Sb）通过结构控制来调整在线材表面上氧化物的形成，以提高线材的强度和韧性。另外，可以抑制在线材表面上形成氧化铁（氧化皮），使得形成薄且均匀的氧化物，从而减少表面缺陷。

首先，详细说明本发明实施方案的线材。

本发明实施方案的线材可包括：0.005至0.02％锑（Sb），按重量百分比计。锑（Sb）——在本发明的实施方案中发挥关键作用的元素——可在奥氏体基础结构中形成氧化锑（Sb）（通常为Sb₂O₅），以抑制晶界的生长并且抑制氧化铁的形成，从而使线材具有精细的最终表面。

如锑（Sb）的含量低于0.005％，其与氧反应的量可能不足，以致于不可能形成热力学上足够的氧化锑（Sb），导致无法形成锑（Sb）金属形式的固溶体，进而导致难以形成氧化物。如锑（Sb）的含量大于0.02％，加入超出能够形成氧亲和力的量的过量的锑（Sb），并且过量锑可以溶质原子的形式溶析至奥氏体基础结构中，从而导致在拉丝过程中线材断裂，同时导致冷锻性能快速退化。因此，必须限制锑（Sb）的量。

同时，除锑（Sb）之外，本发明实施方案的线材可不含有加入其中的沉淀元素。代表性的沉淀元素可包括钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）等。在加入Ti和Sb的组合的情况下，钢水中的氧可首先与Ti反应以提取TiO₂，使得无法有效地生成氧化锑（Sb），并且无法实现晶粒细化的效果。此外，在添加Nb或V的情况下，在奥氏体晶粒细化方面可能是有利的，但不可避免地导致成本增加。另外，由于Nb或V可以很容易与氧发生反应，阻止氧化锑（Sb）的形成，可能无法实现有效的晶粒细化效果。

同时，在本发明的实施方案的线材中，除锑（Sb）之外的成分没有特别的限制，只要它们是用于一般结构线材的成分。例如，本发明的实施方案的线材除锑（Sb）之外还可包括C：0.25至0.45％、Si：0.1至0.2％，和Mn：0.1至0.7％，按重量百分比计。

由于以下原因，这些成分是受到限制的。

碳（C）可以是确保钢的强度的元素。如碳（C）的含量小于0.25％，可能不容易确保强度，如碳（C）的含量大于0.45％，在轧制或拉丝工艺中可能会导致线材中产生裂缝或线材断裂。

硅（Si）可以溶于铁素体中以加强基础材料的强度。如硅（Si）的含量小于0.1％，通过溶解的强度增加可能不充分，如硅（Si）的含量大于0.2％，在冷锻过程中可能会增强加工硬化效应，导致韧性变差。

锰（Mn）可提高钢的强度并且增强轧制性能，同时降低脆性。如锰（Mn）的含量小于0.1％，强度增强可能不完全，如锰（Mn）的含量大于0.7％，随着强度的增强，硬化现象可能会加剧。

显而易见的是，除上述成分之外，不排除其它的成分且剩余物可包括Fe和不可避免的杂质。

本发明实施方案的线材可包括氧化锑（Sb）并且氧化锑（Sb）的形式通常可为Sb₂O₅。氧化锑（Sb）可通过曳力效应抑制晶界的生长，该曳力效应中，通过晶界的提取来控制晶粒生长，以细化铁素体和珠光体晶粒，从而提高线材的拉伸强度和延展性。同时，氧化锑（Sb）可以在加热炉中的热轧过程中于高温下抑制氧化铁的生长并且使得氧化铁均匀形成，以减少最终氧化皮的厚度，从而抑制表面缺陷。

氧化锑（Sb）的平均晶粒直径可以是20至50nm。氧化锑（Sb）可以通过控制铁素体和珠光体晶粒的生长控制其晶粒直径。为了优化晶界钉扎效应（grain boundary pinning effect），氧化锑（Sb）可具有20至50nm的平均晶粒直径。

分布在每单位面积（μm²）线材中的氧化锑（Sb）的量可以是50至100。如分布在单位面积中的氧化锑（Sb）的量大于100，由于提取除了从晶界处进行之外也可从晶粒内进行，因此强度迅速增加，导致延展性降低。如分布在单位面积中的氧化锑（Sb）的量小于50，钉扎效应可能不足从而降低强度。因此，可优选每单位面积（μm²）50至100氧化锑（Sb）。

本发明实施方案的线材的微结构可包括铁素体和珠光体。在线材的微结构中，铁素体的相对面积可以是70％或更高，珠光体可占据面积的其余部分。

铁素体的平均晶粒尺寸可以为10至20μm且珠光体的平均晶粒尺寸可以是20至25μm。

微结构份数与强度和延展性相关。也就是说，由于延展性随着铁素体份数的增加而提高，在具有小平均晶粒尺寸的铁素体的相对面积大的情况下，强度和延展性可同时增加。因此，晶粒尺寸和份数应受到限制。

当铁素体的晶粒尺寸大于20μm时，由于晶粒的尺寸大，延展性提高而强度未充分提高。当铁素体的晶粒尺寸小于10μm时，晶粒可变为超细晶粒，不可避免地导致延展性随着强度的增强而变差。因此，铁素体的平均晶粒尺寸可以是15至20μm。

同理，当铁素体份数小于70％时，由于延展性未随着强度的增强而增加，铁素体份数可以是70％或更高。

本发明实施方案的线材在其表面上形成有厚度为20至150μm的氧化铁（氧化皮）。如氧化皮的厚度小于20μm，由于线材表面和氧化皮之间的耦合力可显著强，需要单独的设备例如喷水器等来除去氧化皮。此外，即使在使用设备例如热轧件火焰清理等除去氧化皮时，由于氧化皮的厚度显著小，可能会在线材的表面上产生缺陷。同时，如氧化皮的厚度大于150μm，额外需要用于除去氧化皮的时间和工艺条件，从而导致加工成本的增加。尽管这样处理，由于厚的氧化皮仍可能无法获得具有精细表面的线材。

因此，当氧化皮的厚度为20至150μm时，由于氧化皮具有合适的厚度，可使用氧化皮本身进行拉丝，并且，可有利地制造因除去氧化皮具有精细表面的线材。

本发明实施方案的线材可具有600至900MPa的拉伸强度和25％或更高的伸长率。

在下文中，将详细地说明本发明实施方案的线材的制造方法。

为了制造本发明实施方案的线材，可对包含0.005至0.02％的锑（Sb）的钢进行再加热，按重量百分比计。再加热可以实现均质化处理，其温度可以是1100℃或更高。

可以热轧经再加热的钢。热轧可以是线材热轧，并可以在900至1100℃、优选800至1050℃的温度下进行。在热轧时，如轧制温度低于900℃，会在两相区进行轧制而产生压降，导致结构的快速轧制，以致氧的扩散速率不足，进而导致难以提取氧化锑（Sb）。如温度高于1100℃，在轧制过程中氧化锑（Sb）可能会完全溶解，而未能有效地扩散到晶界，导致沉淀物尺寸增加。

通过轧制制造的线材可以0.5至2℃/s的冷却速率冷却。如冷却速率小于0.5℃/s，由于所提取的氧化锑（Sb）之间的表面能减小而产生的老化现象，线材可由铁素体和珠光体构成，铁素体和珠光体的结构被拉长，晶粒取向多种多样，从而因结构各向异性的产生影响并导致延展性变差。此外，由于老化现象，轧制状态的线材的强度可自然增加，而延展性变差。同时，如冷却速率等于或大于2℃/s，即使在线材是中碳钢线材的情况下，随着马氏体相变点降低，线材表面形成马氏体，从而表现出脆性。因此，冷却速率应受到限制。

随着冷却速率下降，老化现象可导致结构各向异性，由于在冷却速率大于2℃/s的情况下线材中可能形成马氏体（低温结构），冷却率可以是0.5至2℃/s。

另外，可对线材进行拉丝，从而可以制造线材。

具体实施方式

在下文中，将详细地描述本发明实施方案的实施例。以下实施例仅仅用于理解本发明，本发明并不限于此。

（实施例）

制备满足表1组成的钢并且使其在1100℃下进行固溶热处理。随后，在950℃下以0.6和10/s的应变速率向钢施加应变之后，以2℃/s的冷却速率对其进行冷却。然后，以10至80％对其进行拉丝，从而制造线材。

表1

分类	C	Si	Mn	P	S	Sb	剩余物
								本发明钢1	0.25	0.15	0.6	0.2	0.015	0.005	Fe
本发明钢2	0.25	0.15	0.6	0.2	0.015	0.015	Fe
								本发明钢3	0.25	0.15	0.6	0.2	0.015	0.02	Fe
现有技术钢	0.25	0.25	0.6	0.2	0.015	-	Fe
								对比钢1	0.25	0.15	0.6	0.2	0.015	0.002	Fe
对比钢2	0.25	0.15	0.6	0.2	0.015	0.05	Fe

图1A和图1B分别示出了用光学显微镜观察到的现有技术钢和本发明钢1的微结构。如图1所示，现有技术钢具有铁素体-珠光体结构，但其铁素体份数小于40％且铁素体结构尺寸是约35至50μm。另一方面，对于本发明钢1，可以确定，铁素体份数是40％或更高且结构尺寸微小，在20至25μm的范围内。

另外，图2A示出了本发明钢1的氧化锑（Sb）。如图2A所示，可以确定，氧化锑（Sb）作为纳米尺寸的氧化物形成。另外，每单位面积分布有50至100氧化锑（Sb）。根据本发明的实施方案，分布着足够量的如上所述的微小氧化锑（Sb），由于晶界钉扎效应能够抑制奥氏体晶粒的初始晶粒生长，从而降低铁素体的平均晶粒尺寸。因此，可以确定，随着微小铁素体晶粒含量的增加，本发明钢1确保了高强度和高韧性。

对根据表1制造的线材进行拉丝来制造线材。对于制造的各个线材，测定拉伸强度和伸长率随拉丝量的变化，测得的结果示于表2和图3中。

表2

如表2和图3所示，在本发明实施方案的本发明钢中，其强度随着拉丝量的增加而增加，同时确保优异的伸长率。即，在本发明实施方案的本发明钢中，在80％拉丝的情况下确保了25％或更高的伸长率。但是，在现有技术钢或对比钢的情况下，可以确定，强度略微增加且伸长率迅速降低。

Claims

1.具有优良表面性能、高强度和高韧性的线材，所述线材包括：0.005至0.02%的锑（Sb），按重量百分比计。

2.权利要求1的线材，其中线材包含氧化锑（Sb），所述氧化锑（Sb）包括Sb₂O₅。

3.权利要求2的线材，其中所述氧化锑（Sb）具有20至50nm的平均晶粒直径。

4.权利要求2的线材，其中每μm²分布的氧化锑（Sb）的量是50至100。

5.权利要求1的线材，还包含C：0.25至0.45％、Si：0.1至0.2％，和Mn：0.1至0.7％，按重量百分比计。

6.权利要求1的线材，其中在线材的微结构中，铁素体的相对面积是70％或更高，珠光体占据面积的其余部分。

7.权利要求6的线材，其中铁素体的平均晶粒尺寸是10至20μm且珠光体的平均晶粒尺寸是20至25μm。

8.权利要求1的线材，其中线材具有形成于其表面的厚度为20至150μm的氧化皮。

9.权利要求1的线材，其中线材具有600至900MPa的拉伸强度和25％或更高的伸长率。

10.制造具有优良的表面性能、高强度和高韧性的线材的方法，所述方法包括：

对包含0.005至0.02%的锑（Sb）的钢进行再加热，按重量百分比计；

在700至1100℃下对经再加热的钢进行线材轧制；和

在线材轧制后以0.5至2℃/s的冷却速率进行冷却。

11.权利要求10的方法，其中所述钢还包括C：0.25至0.45％、Si：0.1至0.2％，和Mn：0.1至0.7％，按重量百分比计。

12.权利要求10的方法，还包括：在进行冷却之后进行拉丝。