CN104704135A - 具有良好的强度和延展性的盘条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可用于车辆发动机螺栓和机器结构零件的盘条，和一种用于制备所述盘条的方法，其中所述盘条包含：0.7重量％-0.9重量％的C，13重量％-17重量％的Mn，1重量％-3重量％的Cu，余量为Fe和不可避免的杂质。

Description

具有良好的强度和延展性的盘条及其制备方法
技术领域
本公开涉及一种用于超高强度零件(例如汽车发动机螺栓或结构机械零件)的钢盘条(steel wire rod)，和一种用于制备所述钢盘条的方法。
背景技术
常规的高强度钢盘条或钢盘条的中间产物通常通过两种方法制备。在这两种方法的第一种中，在热轧工艺和冷拔工艺之间在钢盘条上使用焊锡锅(solder pot)进行一次或两次热处理，以便提高钢盘条的强度。该方法广泛用于制备金属丝轮胎胎圈(tire bead wire)和用于切割半导体晶片的锯丝。
在这两种方法的第二种中，将通过热轧工艺制备的钢盘条通过淬火及回火工艺进行处理以便其具有所期望的拉伸强度。
第一种方法通常用于制备窄钢盘条(其直径为约0.1mm至约5mm)。也就是说，第一种方法不适于制备结构机械零件的钢盘条。因此，通过热处理而获得所需强度的第二种方法通常用于制备结构机械零件的钢盘条。使用淬火及回火工艺制备的钢盘条具有由热处理及向其中添加的合金元素决定的机械特性，因此，可形成具有高拉伸强度和高延展性的钢盘条。然而，大量相对昂贵的元素(如钼(Mo)、钒(V)、铬(Cr)、或镍(Ni))加入到钢盘条中以保证所述钢盘条在诸如耐氢致延迟断裂(hydrogen delayed fracture)的因素方面的稳定性，因此其制造成本可能增加。
近年来，已经要求汽车相对轻质并同时具有高性能和节能特征，因此，要求零件如用于驱动装置或发动机的螺栓具有高强度。当前高强度螺栓由具有约1200MPa的强度的高强度盘条制成并通过使用合金钢(例如SCM435或SCM440)进行淬火及回火工艺而制成。然而，由于具有1200MPa或更高的拉伸强度的钢盘条可能容易地发生氢致延迟断裂，因此这种钢盘条的使用受到限制。
大多数高强度钢盘条由调质钢(quenched and tempered steel)通过以下步骤制成：进行热轧处理以便形成热轧盘条(中间产物)，并在热轧盘条上进行再加热、淬火和回火处理。然而，也可使用非调质钢。非调质钢可具有与热处理钢(调质钢)相似的延展性和强度水平，甚至在热轧工艺之后没有进行热处理而制造的非调质钢的情况下。在韩国和日本，这种钢被称为“非调质钢”。但是，在一些国家例如英国和美国，这种钢被称为“非热处理钢”，因为在其上没有进行热处理，或“微合金钢”，因为向其中加入了少量的合金元素。
通常，使用调质钢制造钢盘条的工艺包括：热轧工艺、冷拔工艺、球化热处理工艺、冷拔工艺、冷锻工艺、淬火工艺和回火工艺；而使用非淬火和回火钢制备钢盘条的工艺包括：热轧工艺、冷拔工艺和冷锻工艺。因此，由非调质钢制造的钢盘条由于其低制造成本而更经济。
如上所述，非调质钢由于省略了热处理工艺而是经济的。此外，由于最后没有进行淬火和回火工艺，而不存在由热处理引起的缺陷如弯曲，并获得所需的平直度(straightness)。因此，许多产品使用非调质钢制造。但是，由于省略了热处理和重复了冷成型，该产品的延展性随着工艺的进行逐渐降低，但是产品的强度增加。
一种涉及此的技术公开于专利文献1中。在专利文献1(日本专利特许公开号第2012-041587号)中，提出一种具有先共析铁素体(pro-eutectoid ferrite)和贝氏体组织(bainite microstructure)中的一种或两种的特殊钢，并且通过热处理所述特殊钢形成具有回火马氏体组织作为最终组织的调质钢盘条。根据专利文献1，所述钢盘条通过以下步骤制造：加热具有如下组分的合金组合物的板坯：碳(C)：0.35重量％至0.85重量％、硅(Si)：0.05重量％至2.0重量％、锰(Mn)：0.20重量％至1.0重量％、铬(Cr)：0.02重量％至1.0重量％、镍(Ni)：0.02重量％至0.5重量％、钛(Ti)：0.002重量％至0.05重量％、钒(V)：0.01重量％至0.20重量％、铌(Nb)：0.005重量％至0.1重量％、硼(B)：0.001重量％至0.0060重量％；轧制板坯以形成盘条并冷却该盘条；加热盘条至750℃至950℃；并在400℃至600℃的恒定温度下于盐浴中处理该盘条。最后，该盘条的强度范围为1500MPa至2000MPa。根据公开于专利文献1中的技术，最终强度通过热处理获得。然而，该技术是没有用的，这是因为盘条组成复杂且制造成本由于热处理工艺而增加。
专利文献2(日本专利特许公开号第2005-002413号)公开了一种钢盘条，其中形成珠光体层间间距为200μm至300μm的过共析珠光体。该钢盘条的最终强度为4000MPa至5000MPa。所述钢盘条通过以下步骤制造：通过加热、线轧(wire roll)和冷却制备中间产物，并在中间产物上进行第一和第二冷拔处理以及铅淬火处理。所述钢盘条具有下述组成的合金组合物：碳(C)：0.8重量％至1.1重量％；硅(Si)：0.1重量％至1.0重量％；锰(Mn)：0.1重量％至1.0重量％；铬(Cr)：0.6重量％或更少；硼(B)：0.005重量％或更少。然而，所述钢盘条需要拉拔处理至最高达约0.18mm，因此，所述盘条不适于用作结构钢盘条。
专利文献3(日本专利特许公开号第2011-225990号)公开了一种用于拉拔工艺的钢盘条。所述钢盘条具有100或更少的BN系化合物的珠光体组织并且通过冷成型工艺进行处理以便该钢盘条可具有约3500MPa的拉伸强度。所述钢盘条通过形成中间产物而制造，所述中间产物通过加热至100℃至1300℃、线轧和以35℃/s的速率从850℃至950℃冷却至600℃而形成。然后，在中间产物上进行热轧处理、第一和第二冷拔处理以及铅淬火处理以形成钢盘条。所述钢盘条的主要合金元素包括碳(C)：0.70重量％至1.2重量％；硅(Si)：0.1重量％至1.5重量％；锰(Mn)：0.1重量％至1.5重量％；铜(Cu)：0.25重量％或更少；铬(Cr)：1.0重量％或更少；硼(B)：0.0005重量％至0.001重量％和氮(N)：0.002重量％至0.005重量％。然而，所述钢盘条需要拉拔处理至最高达约0.18mm，因此，所述钢盘条不适于用作结构钢盘条。
(专利文献1)日本专利特许公开号第2012-041587号
(专利文献2)日本专利特许公开号第2005-002413号
(专利文献3)日本专利特许公开号第2011-225990号
发明内容
技术问题
本公开的方面可提供一种用于结构机械零件的钢盘条和一种用于制备所述钢盘条的方法，所述钢盘条通过冷拔处理提高强度和延展性，而没有额外的热处理。
技术方案
根据本公开的一方面，具有高强度和高延展性的钢盘条可包含碳(C)：0.7重量％至0.9重量％；锰(Mn)：13重量％至17重量％；铜(Cu)：1重量％至3重量％；及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质。
根据本公开的另一方面，用于制备具有高强度和高延展性的钢盘条的方法可包括：将钢锭再加热至Ae3+150℃至Ae3+250℃的温度，所述钢锭包含碳(C)：0.7重量％至0.9重量％、锰(Mn)：13重量％至17重量％、铜(Cu)：1重量％至3重量％，及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质；将再加热的钢锭冷却并在Ae3+50℃至Ae3+150℃的温度范围内将冷却的钢锭热轧，以便形成热轧盘条；以1℃/s至5℃/s的冷却速率将热轧盘条冷却至600℃或更低的温度；以60％至80％的断面收缩率(area reduction ratio)将冷却的热轧盘条冷拔以便形成钢盘条。
有益效果
根据本公开，通过使用冷拔工艺提供一种用于超高强度、高延展性零件(如汽车发动机螺栓或结构机械零件)的钢盘条。
附图说明
图1为示出本公开的示例性实施方案的热轧盘条的微观结构的图像。
图2为示出在热轧盘条上进行最后的冷拔处理之后图1的热轧盘条的微观结构的图像。
具体实施方式
在本公开中，术语“钢盘条”指的是在冷拔工艺完成之后获得的最终产物，而术语“热轧盘条”指的是通过热轧处理获得的盘条。此外，将通过冷却热轧盘条获得的产物称作中间产物。
在下文中，将根据本公开的示例性实施方案详述钢盘条。首先，将根据本公开的示例性实施方案详述钢盘条的组成(下文中，百分数(％)指的是重量％)。
碳(C)：0.7％至0.9％
在本公开的示例性实施方案中，如果钢盘条中的碳(C)含量小于0.7％，钢盘条的孪晶(twin)可能无法以所期望的方式起作用，并因此可能难以获得所期望的强度和延展性。也就是说，如果钢盘条中的碳含量低，则堆垛层错能(stacking fault energy，SFE)在位错或变形倍增过程中降低，并因此可在冷拔处理或冷成型处理过程中形成ε-马氏体。如果在成型期间形成ε-马氏体，则所述钢盘条的强度可能变得低于可由孪晶获得的强度，且该钢盘条的延展性可能显著降低。另一方面，如果钢盘条中的碳(C)含量大于0.9％，则过量的碳(C)可增加在冷却处理过程中在晶界形成碳化物的可能性。如果在晶界形成碳化物，则可能出现晶界脆化，导致钢盘条的延展性大幅度降低。因此，钢盘条的碳含量可保持在等于或小于0.9％。
锰(Mn)：13％至17％
在本公开的示例性实施方案中，将锰(Mn)溶解于钢盘条的微观结构中以形成置换固溶体(substitutional solid solution)且其与奥氏体单相结构的稳定性有关。如果钢盘条中锰(Mn)的含量小于13％，虽然加工硬化的速率增加，但SFE降低，并因此在冷拔处理或冷成型处理过程中增加形成ε-马氏体的可能性。此外，如果钢盘条中锰(Mn)的含量大于17％，则其在经济上是不利的，且由于在用于热轧的再加热处理过程中发生严重的内氧化而使钢盘条的表面质量变差。因此，可优选的是，钢盘条中的锰(Mn)含量保持在13％至17％的范围内。
铜(Cu)：1％至3％
铜(Cu)是稳定奥氏体的主要元素且大大有助于在冷拔处理期间形成孪晶和位错倍增。如果钢盘条中铜(Cu)的含量小于1％，则铜(Cu)的效果很低，且由于频繁断裂而容易进行冷拔处理。另一方面，如果钢盘条中铜(Cu)的含量大于3％，则其在经济上是不利的，且与碳(C)不同的是，铜(Cu)引起钢盘条的拉伸强度降低。因此，可优选的是，钢盘条中的铜(Cu)含量保持在等于或小于3％。
此外，钢盘条包含铁(Fe)和不可避免的杂质。在本公开的示例性实施方案中，并不排除在钢盘条中包含其他元素。在钢铁生产处理过程中，原料或制造环境的杂质可不可避免地包含于钢制品中，并且此类杂质可能无法从钢盘条中除去。钢铁制造领域中的那些技术人员应理解夹杂了不可避免的杂质。
所述不可避免的杂质包含磷(P)和硫(S)。现将描述磷(P)和硫(S)。
磷(P)：0.035％或更少；硫(S)：0.040％或更少
磷(P)使晶界处偏析并因此降低钢盘条的延展性。因此，钢盘条中磷含量的上限可优选为0.035％。硫(S)具有低熔点并在晶界处偏析，从而降低钢盘条的延展性并形成硫化物。硫化物降低耐延迟断裂性并使钢盘条的应力松弛特性变差。因此，钢盘条中硫含量的上限可优选为0.040％。
根据本公开的示例性实施方案，在热轧处理之后，钢盘条(热轧盘条)可具有晶粒尺寸为10μm至100μm的奥氏体单相结构。在热轧盘条中通过热轧处理形成的奥氏体单相结构保持在通过将热轧盘条冷却而获得的中间产物中。图1中示出了热轧盘条的一个实例。图1示出了平均晶粒尺寸为约18μm的奥氏体单相结构。孪晶的形成与晶粒的尺寸有关。因此，如果晶粒的尺寸小于10μm，则可能无法容易地形成孪晶，而如果晶粒的尺寸大于100μm，则可使盘条的延展性和疲劳特性变差。因此，可优选的是，晶粒尺寸保持在10μm至100μm的范围内。
优选地，钢盘条——通过冷拔处理制备的做终产物——可具有微观结构，在所述微观结构中在60％至80％面积分数中形成厚度为10μm至50μm的孪晶。图2示出了通过在约60％的比例下在图1所示的热轧盘条上进行冷拔处理而获得的钢盘条的微观结构。参考图2，当在冷拔处理期间进行硬化加工时，钢盘条形成孪晶(请参考晶粒内的黑带)，并且钢盘条中孪晶的面积分数在60％至80％的范围内。如果在冷拔处理中增加拉拔量，则增加内部孪晶的厚度和面积分数。然而，如果在冷拔处理过程中的拉拔量不够，则钢盘条的孪晶的厚度和面积分数可能会超出上述范围，并且因此钢盘条的强度可能不具有在本公开所提出的范围内的强度。另一方面，如果在冷拔处理中拉拔量过量，则钢盘条的孪晶的厚度和面积分数可能会过度增加。在此情况下，虽然钢盘条可具有很高的拉伸强度，但钢盘条的延展性显著降低，且因此由于脆性而难以把钢盘条加工成结构机械零件。因此，在本公开的示例性实施方案中，钢盘条的孪晶的厚度和面积分数可保持在上述范围内。
根据本公开的示例性实施方案，钢盘条可具有在1800MPa或更高范围内的超高强度和在15％或更高范围内的高延展性。
在下文中，将根据本公开的示例性实施方案详述用于制备所述钢盘条的方法。
将具有上述组成的钢锭再加热。所述钢锭是指用于形成钢盘条的钢坯。优选地，该钢锭可在Ae3+150℃至Ae3+250℃的温度范围内再加热30分钟至一个半小时。
优选地，再加热的温度可维持在等于或高于Ae3+150℃的奥氏体单相温度范围内以有效地溶解剩余的偏析物、碳化物和夹杂物。如果再加热的温度高于Ae3+250℃，则可形成粗奥氏体晶粒，且冷却之后，可最终形成粗微观结构。在此情况下，可能无法获得高强度和高延展性。
此外，如果再加热的时间短于30min，则钢锭的温度可变得不均匀。另一方面，如果再加热的时间长于一个半小时，则可容易地形成粗奥氏体晶粒，且可显著降低生产率。
然后，将再加热钢锭进行冷却处理和热轧处理以便制备热轧盘条。
优选地，冷却处理可在5℃/s至15℃/s的冷却速率下进行。冷却速率应在热轧处理之前进行的冷却处理过程中使钢锭微观结构的转变最小化。在热轧处理之前，如果冷却速率小于5℃/s，则生产率可能会降低，且需要额外的设备以维持冷却速率在较低的水平。此外，在此情况下，由于再加热的时间被大幅度延长，在热轧处理之后，热轧盘条可具有相对低的强度和延展性。另一方面，如果冷却速率大于15℃/s，则钢锭可具有大程度的转变驱动力，并因此可在热轧处理期间增加新微观结构形成的可能性。在这种情况下，热轧处理的温度可能必须重新设定。
优选地，热轧处理可在Ae3+50℃至Ae3+150℃的温度范围内进行。如果在该温度范围内进行热轧处理，则可抑制由变形引起的微观结构的存在，且可能不会出现再结晶。也就是说，可仅仅通过热轧处理获得定径(sizing)的作用。如果热轧处理的温度小于Ae3+50℃，则热轧处理的温度接近于动态再结晶温度，并且因此可在热轧的方向上拉长晶粒而不是形成圆形。这种拉长的晶粒可引起不希望的力学各向异性。如果热轧处理的温度高于Ae3+150℃，则钢锭由于高温而变形，因此尽管出现动态再结晶，但可由于高温下晶粒的快速生长而形成粗晶粒。所述粗晶粒还可降低热轧盘条的延展性，并且需要额外的设备和能量以在高冷却速率下冷却热轧盘条。
将热轧盘条以1℃至5℃的冷却速率冷却至600℃或更低(这种在热轧处理之后冷却的盘条是中间产物)。在上述冷却速率下，碳的扩散可通过锰而有效地抑制，因此沿着单相奥氏体的晶界可能不会形成不必要的碳化物。如果冷却速率小于1℃/s，则冷却速率太低而不能进行具有实际生产率的冷却处理。此外，碳化物可沿着晶界形成，并因此可降低盘条的延展性。另一方面，如果冷却速率大于5℃/s，则盘条可由于快速冷却而经受热变形，因此可能无法使用卷曲冷却法，一种用于钢盘条的特殊冷却法。此外，众所周知，当在直径(线径)为10mm至20mm的常规钢盘条上进行冷锻处理时难以获得所期望的冷却速率。
热轧盘条冷却之后，在冷却的、热轧盘条上进行冷拔处理以形成钢盘条。可使用锲形冷拉模进行冷拔处理以减少热轧盘条的横截面面积并通过加工硬化的效果而增加热轧盘条的拉伸强度。
冷拔处理使用用于减少热轧盘条的横截面面积并赋予热轧盘条冷成型特性的模口角度(die angle)为10°至13°的冷成型模进行。可优选的是，冷拔处理在60％至80％的断面收缩率下进行。断面收缩率是基于初始线径和模制之后的线径按下式计算出的。
断面收缩率＝100×(初始横截面积-冷拔之后的横截面积)/(初始横截面积)
在本公开的示例性实施方案中，如果断面收缩率小于60％，则可能难以获得高强度，例如1800MPa至2100MPa的拉伸强度。另一方面，如果断面收缩率大于80％，虽然能获得所期望的拉伸强度，但盘条可由于大量的冷成型而脆化，因此可发生破裂或断裂。
本发明实施方式
在下文中，将详述本公开的实施例。以下实施例仅用于说明性目的而并不旨在限制本公开的范围。
实施例
制造具有下表1所示的组成的钢锭(钢坯)，并测量钢锭的转变点为约910℃。然后，将加工温度施加于如下实施例。将具有下表1所示的组成的钢锭再加热至约1100℃，并在约1000℃下进行热轧以形成热轧盘条。将热轧盘条在约3℃/s的冷却速率下冷却至约520℃以形成中间产物。
之后，中间产物根据表2和3所示的冷拔的量(断面收缩率)进行冷拔以便形成钢盘条，并测量钢盘条的拉伸强度和伸长率，正如表2和3所示。
表1
实施例 C Si Mn Cr V Al Cu 备注
*CE1 0.82 0.25 0.7 - 0.05 - - 用于冷拔的常规产品
CE2 0.92 0.25 0.7 0.2 - - - 用于冷拔的常规产品
CE3 0.6 - 18 - - 1.5 - 含铝的市售产品
CE4 0.9 - 15 - - - - C-Mn系高锰钢
CE5 0.5 - 17 - - - 1.5 与发明实施例相比碳含量不足
CE6 1.2 - 15 - - - 2.0 与发明实施例相比碳含量过量
CE7 0.8 - 10 - - - 1.5 与发明实施例相比锰含量不足
CE8 0.8 - 20 - - - 1.5 与发明实施例相比锰含量过量
CE9 0.8 - 17 - - - 0.5 与发明实施例相比铜含量不足
CE10 0.9 - 13 - - - 4.0 与发明实施例相比铜含量过量
**IE 1 0.7 - 17 - - - 1.5 本公开的组成
IE2 0.8 - 17 - - - 1.5 本公开的组成
IE3 0.9 - 13 - - - 2.0 本公开的组成
IE4 0.9 - 13 - - - 3.0 本公开的组成
*CE:对比实施例，**IE:发明实施例
表2
*CE:对比实施例，**IE:发明实施例
表3
*CE:对比实施例，**IE:发明实施例
参考表2和3，满足本公开的条件的发明实施例具有等于或大于1800MPa的高拉伸强度和等于或大于15％的高伸长率。
然而，从对比实施例中难以获得超高强度和高延展性，所述对比实施例是相关技术的市售可得的产品或不包含铜(Cu)的产品且不满足本公开的条件。

Claims (8)

1.一种具有高强度和高延展性的钢盘条，所述钢盘条包含：碳(C)：0.7重量％至0.9重量％；锰(Mn)：13重量％至17重量％；铜(Cu)：1重量％至3重量％；及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质。
2.权利要求1的盘条，其中在热轧处理之后，所述钢盘条包含晶粒尺寸为10μm至100μm的奥氏体单相结构。
3.权利要求1的盘条，其中在冷拔处理之后，所述钢盘条在60％至80％面积分数中包含厚度为10nm至50nm的孪晶。
4.权利要求1的盘条，其中所述钢盘条具有1800MPa或更高的拉伸强度和15％或更高的伸长率。
5.一种用于制备具有高强度和高延展性的钢盘条的方法，所述方法包括：
将钢锭再加热至Ae3+150℃至Ae3+250℃的温度，所述钢锭包含：碳(C)：0.7重量％至0.9重量％、锰(Mn)：13重量％至17重量％、铜(Cu)：1重量％至3重量％、及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质；
将再加热的钢锭冷却并在Ae3+50℃至Ae3+150℃的温度范围内将冷却的钢锭热轧，以便形成热轧盘条；
以1℃/s至5℃/s的冷却速率将热轧盘条冷却至600℃或更低的温度；
在60％至80％的断面收缩率下将冷却的热轧盘条冷拔以便形成钢盘条。
6.权利要求5的方法，其中所述钢锭的再加热进行30分钟至一个半小时。
7.权利要求5的方法，其中所述再加热的钢锭在5℃/s至15℃/s的冷却速率下进行冷却。
8.权利要求5的方法，其中冷却且热轧的盘条使用模口角度为10°至13°的冷拔模进行冷拔。
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